Выход

Рис. 195. Схема усилительного каскада с автоматическим смещением

смещения, необходимо, чтобы сопротивление, через которое подается ток смещения, было намного больше входного сопротивления транзистора. Если выполнить это условие, то для создания тока смещения потребуется большее напряжение, чем для цепи

коллектора. 0

Для получения стабильной работы схемы при различных тем- р^д^ пературах применяется автоматическое смещение (рис. 195). В от-

личие от схемы с постоянным смещением сопротивление Ro соединяется здесь не с батареей, а с коллектором, где напряжение

меньше. Поэтому сопротивление Ro в этой схеме меньше, чем в схеме с постоянным смещением. Сопротивление Ra стабилизирует величину тока базы, но одновременно уменьшает коэффициент усиления каскада, так как создается цепь отрицательной обратной связи, усиливающей переход тока из цепи коллектора в цепь базы. При такой схеме увеличение напряжения на коллекторе вызывает одновременное увеличение тока через базу, а это смещает рабочую точку В область большего тока коллектора так, что она продолжает оставаться близко к середине прямолинейного участка характеристики. И, наоборот, если напряжение источника уменьшается, то уменьшается и ток смещения через базу, а это приводит к ра- боте с меньшим током

° коллектора. Таким обра-

зом, при изменении питающего напряжения меняется мощность, но возможность возникновения искажений значительно уменьшается. Аналогично этому наблюдается стабилизирующее действие схемы при смене транзисторов и при их разогреве.

На первый взгляд схема автоматического смещения транзистора кажется подобной схеме подачи смещения с катодного сопротивления на сетку вакуумной лампы. Однако в ламповой схеме рост анодного напряяения вызывает увеличение смещения, а значит, и уменьшение анодного тока, тогда как в схеме на транзисторе автоматическое смещение приводит к более быстрому росту коллекторного тока при повышении питающего напряжения или при разогреве транзистора, что способствует его порче от перегрузки.

Выход

Рис. 196. Схема усилительного каскада со стабилизацией рабочей точки эмиттерным сопротивлением и с автоматическим смещением

}4 Ю. В. Костыков, Л. Н. Ермолаев

простой и распространенный метод стабилизации параметров каскадов на транзисторах заключается в одновременной подаче автоматического или постоянного смещения и включении в цепь эмиттера сопротивления, заблокированного конденсатором большой емкости (рис. 196). Стабилизирующее сопротивление должно иметь величину не менее 15-20% величины сопротивления нагрузки R . Сопротивление смещения Ro должно быть таким, чтобы на базе транзистора получалось относительно эмиттера напряжение в 0,1-0,2 в, отрицательное для транзисторов р-п-р или положительное для триодов п-р-п.

Глава 14 УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Назначение и характеристики усилителей

Усилитель низкой частоты предназначен для повышения мощности колебаний, поданных на его вход, до величины, необходимой для нормальной работы приборов, составляющих нагрузку усилителя. Такими приборами обычно бывают громкоговорители, головные телефоны, головки магнитной звукозаписи и т. п.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Все каскады усилителя, кроме последнего, усиливают напряжение звуковой частоты, и поэто]у[у их называют усилителем напряжения или предварительным усилителем. Последний каскад усилителя, к выходу которого подключается громкоговоритель или другой выходной прибор, называется усилителем мощности или оконечным усилителем.

Если требуется усилить относительно большое переменное напряжение звуковой частоты, можно обойтись однокаскадным усилителем, который в этом случае будет оконечным.

Усилитель низкой частоты должен отвечать следующим требованиям:

1. Иметь заданный коэффициент усиления.

2. Обеспечивать получение необходимой мощности.

3. Создавать равномерное усиление в заданной полосе частот.

4. Иметь минимальные нелинейные искажения. Рассмотрим подробнее показатели, характеризующие усилитель

низкой частоты.

Коэффициентом усиления усилителя (или каскада) называется число, показывающее, во сколько раз напряжение на его выходе больше, чем на входе. Коэффициент усиления выходных каскадов по напряжению часто может быть меньше единицы, но это не говорит о плохом качестве выходного каскада, так как основным показателем оконечного усилителя является выходная мощность. Коэффициент же усиления по напряжению является важнейшей характеристикой предварительного усилителя.

14 211

в последнее время усиление чаще измеряется не коэффициентом усиления, а в логарифмических единицах - децибелах и непе-рах. В этих единицах усиление по напряжению (как и по току), выраженное в децибелах, определяется, как двадцать десятичных логарифмов отнощения напряжения на выходе к напряжению на входе. В приложении 3 дана таблица для пересчета коэффициента усиления в децибелы и наоборот. Один децибел соответствует усилению в 1,12 раза, 6 дб - в 2 раза, 20 дб - в 10 раз, 40 дб - в 100 раз и т. д.

Такое представление об усилении более соответствует нашему восприятию изменения громкости звука: чувствительность человеческого уха изменяется по логарифмическому закону. В отличие от ламповой схемы, в которой предварительный усилитель не потребляет мощности в своей управляющей цепи, каскад на транзисторе, хотя он и предварительный, является усилителем мощности. Усиление каскадов на полупроводниковых приборах считают по мощности в децибелах: децибел усиления по мощности - это десять десятичных логарифмов отнощения выходной мощности ко входной.

Для пересчета усиления по мощности в децибелах в отношение выходной мощности ко входной служит таблица, приведенная в приложении 3.

Непер - единица в 8,7 раза больше децибела. Она применяется преимущественно в технике проводной связи.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов.

Усиление в логарифмических единицах многокаскадного усилителя равно сумме усиления всех каскадов в этих же единицах (в этом преимущество такой системы отсчета).

Под мощностью усилителя всегда понимается та наибольшая мощность, которую с допустимыми искажениями можно снять с данного усилителя. Ведь усилению подвергаются звуки, а их мощность при радиопередаче меняется приблизительно в миллион раз (60 дб). Средняя мощность, которую отдает усилитель в нагрузку, обычно в несколько раз меньше его максимальной мощности.

Мощность усилителя для индивидуального пользования громкоговорителем составляет от 50 мет (0,05 вт) до нескольких ватт. Для работы головных телефонов достаточна мощность в 10-20 мет. Для нормального громкого звучания электродинамического громкоговорителя в комнате площадью 20 м^ достаточна мощность усилителя 0,5 вт. Для громкоговорящего воспроизведения звука в комнате площадью до 40 м^ необходима мощность 1 вт. Если в комнате площадью до 40 м^ много.мягкой мебели, гардин или много говорящих людей, то требуется мощность усилителя до 2-3 вт.

Многие радиолюбители при изготовлении усилителей сетевого питания стараются получить мощность побольше. В этом нет необходимости, и к тому же слишком громкая передача утомляет слушателей,

Частотная характеристика усилителя, примерный вид которой показан на рис. 197, снимается при постоянном напряжении на входе усилителя и показывает, как при этом изменяется напряже ние на его выходе при изменении частоты.

Полосой пропускания усилителя называется та область частотной характеристики, в которой коэффициент усиления усилителя уменьшается не более чем на 6 дб (в два раза) по сравнению сего значением на средней частоте (800 или 1000 гц). Какая же полоса частот необходима для усилителя низкой частоты? Ограничивается

то ш

Рис. 197. Частотная характеристика усилителя низкой частоты

она целым рядом причин. Например, радиопередатчики (кроме ультракоротковолновых) пропускают полосу звуковых частот не шире 9 кгц. Значит, более широкую полосу воспроизводить не надо, так как граммофонные и магнитофонные записи производятся с еще более узкой полосой частот. Полосу частот шире 8-9 кгц можно правильно воспроизвести только приемником, имеющим специальные широкополосные системы из нескольких громкоговорителей. Кроме того, маломощные динамические громкоговорители воспроизводят, да И то с неравномерностью в четыре раза (12 дб), полосу частот от 100 гц до 5-7 кгц. Очевидно, что иметь в усилителе полосу частот значительно шире, чем воспроизводит громко-, говоритель, нецелесообразно.

Таким образом, полоса частот от 100-150 гц до 6-7 кгц необходима и достаточна для любительского усилителя низкой частоты, если он будет работать с динамическим громкоговорителем. Для усилителя к головным телефонам вполне достаточна полоса в 3 кгц. Если этот же телефон подключить к усилителю с полосой частот до 12 кгц, то знучание лучше не станет, так как электромагнитный телефон не воспроизводит частоты свыше 3 кгц. Усилитель с полосой 150 гц - б кгц требует значительно более простых и дешевых деталей, чем усилитель с полосой 40 гц - 12 кгц. Кроме того, при воспроизведении частот, начиная с 40 гц, усилитель может усили-

вать фон переменного тока (50 гц) и пульсации выпрямителя (100 гц), что вынуждает усложнять и систему фильтрации такого усилителя.

Нелинейные искажения - это искажения формы усиливаемого напряжения вследствие нелинейности характеристик электронных приборов. Нелинейные искажения определяются коэффициентом нелинейных искажений, или клирфактором, в процентах. Очень хорошие усилители на вакуумных электронных приборах имеют клир-фактор 1,5-2%.

Обычно человек даже с хорошим музыкальным слухом не чувствует искажений, пока клирфактор не превысит 4-5%. Простейшие усилители на вакуумных электронных приборах и тщательно отрегулированные усилители на полупроводниковых приборах имеют клирфактор в 6-10%, который можно считать нормальным при воспроизведении полосы 150-6000 гц. Для воспроизведения более широкой полосы, особенно со стороны низких частот, для качественного восприятия передачи необходим меньший процент нелинейных искажений.

Три способа включения триодов

Прежде чем перейти к конкретным схемам каскадов усиления низкой частоты, рассмотрим способы включения триодов в схемы.

Любой триод, вакуумный или полупроводниковый, можно включить в схему тремя способами, различающимися тем, какой из электродов является в схеме заземленным или общим для входной и выходной цепей. На рис. 198 показаны в упрощенном виде (без источников питания) три схемы включения полупроводниковых и вакуумных триодов. В этих схемах Rc - внутреннее сопротивление источника сигнала, подводимого к каскаду для усиления. Выходное напряжение каскада снимается с сопротивления R.

Схеме с заземленной базой транзистора (полупроводникового триода) соответствует схема с заземленной сеткой вакуумного триода; схеме с заземленным эмиттером - схема с заземленным катодом; схеме с заземленным коллектором - схема с заземленным анодом. Надо иметь в виду, что в отличие от вакуумных триодов, которые устойчиво работают в любой из схем, точечные транзисторы, имеющие коэффициент усиления по току а, равный единице или больше единицы, могут и в схеме с сопротивлениями вместо усиления генерировать собственные колебания. Однако это больше относится к схемам усиления высокой частоты, так как в усилителях низкой частоты используются преимущественно плоскостные транзисторы.

Весьма распространено включение транзистора по схеме с заземленной базой. Каскад усиления при такой схеме имеет малое входное сопротивление, в десятки или сотни омов, и очень большое выходное сопротивление. Вследствие этой разницы и происходит усиление мощности (и напряжения) сигнала. Усиление же по току

в этой схеме для плоскостных транзисторов всегда меньше единицы.

Большая разница между входным и выходным сопротивлениями каскада в схеме с заземленной базой затрудняет построение многокаскадных схем усилителей. Если к каскаду, имеющему выходное, сопротивление в несколько сотен тысяч омов, подключить непо- средственно или через конденсатор второй такой же каскад, имеющий входное сопротивление около 150 ом, то первый каскад не даст

Заземлена база.

Заземлен эмиттер Заземлен коллектор

Заземлена сетка

Заземлен катоЗ аземлен анЬ9

е

Рис. 198. Три схемы включения полупроводниковых и вакуумных трлодов

никакого усиления. Поэтому для согласования двух каскадов, вы-полнеф1ЫХ по схемам с заземленной базой, между ними необходимо поставить междукаскадный трансформатор, в данном случае понижающий, с коэффициентом трансформации около 40:1. Однако трансформатор - относительно тяжелая и малонадежная деталь. Удобнее между такими двумя каскадами ввести вспомогательный каскад, имеющий большое входное и маленькое выходное сопротивления. Если даже этот согласующий каскад сам будет давать некоторое ослабление, это не помешает получить очень значительный выигрыш в общем усилении, создаваемом всем усилителем, за счет согласования входных и выходных сопротивлений смежных каскадов.

Схема с заземленной сеткой вакуумного триода, соответствую-

щая схеме с заземленной базой транзистора, распространена меньше. Она применяется главным образам во входных цепях ультракоротковолновых приемников. Для этой схемы характерно малое влияние анодной цепи на сеточную (входную), так как между катодом, на который подается входной сигнал, и анодом, на котором действует усиленное напряжение сигнала, находится заземленная сетка.

Схема с заземленным (общим) эмиттером транзистора и аналогичная ей схема с заземленным катодом вакуумного триода - самые распространенные из схем включения электронных приборов. По этой схеме не включаются только точечные полупроводниковые приборы, которые при таком включении работают неустойчиво, имея склонность к генерации (возбуждению). Для этих приборов предпочтение отдается схеме с заземленной базой или с заземленным коллектором.

Каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером, имеет сравнительно высокое входное и выходное сопротивления. Для схем на плоскостных транзисторах входные сопротивления могут составлять 300-1500 0Л1, а выходные - примерно в тысячу раз больше (0,3-1,5 Мом). В отличие от остальных схем в схеме с заземленным эмиттером на плоскостном транзисторе выходные напряжение и ток противоположны по фазе входным. Из всех схем включения эти схемы, как полупроводниковые, так и ламповые, дают наибольшее усиление.

Для согласования двух каскадов усилителя на транзисторах, включенных по схемам с общим эмиттером, необходимо или применить понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 20:1, 30: 1, или между этими каскадами включить согласующий каскад по схеме с заземленным коллектором.

Ламповая схема с заземленным катодом получила наибольшее распространение в усилителях низкой частоты и особенно в схемах с црямонакальными катодамн в которых накальная батарея обязательно должна иметь общую точку с отрицательным полюсом анодной батареи. Эта схема имеет (кроме мощных выходных каскадов) для звуковых частот практически бесконечно большое входное сопротивление. Это свойство схемы позволяет выбирать сопротивленца нагрузки в широких пределах и согласовывать без потери усиления любое количество каскадов. Современные триоды позволяют получать коэффициент усиления до 100 на каскад, а пентоды с большими анодными сопротивлениями дают усиление до 200-300 в одном каскаде.

Транзисторная схема с заземленным коллектором и аналогичная ей ламповая схема с заземленным анодом применяются в усилителях низкой частоты для согласования сопротивлений. Этими схемами включения согласуется высокое выходное сопротивление предыдущего каскада с маленьким входным сопротивлением следующего, обычно выходного, каскада. По схеме с заземленным коллектором, как и по ламповой схеме с заземленным анодом, на-

зываемой катодным повторителем, могут включаться мощные электронные приборы в выходных каскадах. При этом выходные ка-, скады имеют малое выходное сопротивление, что облегчает их согласование с нагрузкой, упрощает выходной трансформатор или делает его ненужным. Создаются также лучшие условия для работы громкоговорителя. Входные сопротивления таких схем велики: на звуковых частотах для плоскостных транзисторов они равны 100 ком - 1 Мом, а для вакуумных ламп - до 10 Мом.

Большое достоинство катодного повторителя в выходном каскаде- ВОЗМОЖНОСТЬ в очень широком пределе менять сопротивление нагрузки в катоде лампы. При этом выходная мощность и коэффициент нелинейных искажений меняются очень мало. Необходимо только с увеличением сопротивления нагрузки лампы (для переменного* тока) увеличивать переменное напряжение на сетке лампы. Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором или катодного повторителя всегда меньше единицы. Значит, для работы таких каскадов требуется большее управляю-ш,ее напряжение, чем получается на их выходе. Тем не менее применение таких каскадов целесообразно, так как они дают большое усиление по мощности.

Ламповые предварительные усилители

Каскады предварительного усиления усиливают напряжение, а не мощность, поэтому в них употребляются маломощные электронные приборы: приемные триоды и пентоды или маломощные плоскостные транзисторы. Чтобы не вносить нелинейных искажений в усиливаемый сигнал, т. е. чтобы не искажать форму колебаний, эти приборы должны работать на прямолинейных участках характеристик.

Нагрузкой каскада предварительного усиления чаще всего бывает активное сопротивление. Поэтому такие усилители называются усилителями на сопротивлениях или реостатными усилителями. Усилитель на сопротивлениях наиболее прост по устройству и принципу действия.

Схема каскада усилителя низкой частоты с заземленным катодом и активным сопротивлением в качестве анодной нагрузки вакуумного триода приведена на рнс. 199. Батарея смещения в этой схеме предназначена для выбора рабочей точки на анодно-сеточной характеристике лампы. Допу;стим, что такая батарея не поставлена; тогда переменное напряжение на сетку лампы подается без всякого начального смещения. В этом случае кривую подводимых к сетке колебаний необходимо построить под анодно-сеточной характеристикой лампы, используя ось сеточных напряжений и направляя ось времени вниз от нулевого значения напряжения на сетке (рис. 200). Перенося на правый-график значения тока, соответствующие каждому мгновенному значению напряжения на сетке, получаем график изменения анодного тока во времени.

Такую же форму, как анодный ток, будет иметь и падение напряжения на сопротивлении анодной нагрузки лампы. Переменная часть этого напряжения является напряжением выхода каскада.

а

Рис, 199, Схема каскада усилителя на сопротивлении и графическое изображение его работы

-6 -5 -~3 -2 -1 О Н +Z 1-3 Напряжение на сетке

Рис. 200. Графическое изображение усиления колебаний без напряжения смещения на сетке

Как ВИДНО из рис. 200, анодный ток лампы не повторяет формы приложенного к сетке напряжения, следовательно, и выходное напряжение каскада будет значительно искажено по сравнению с се-