Глава 7. Усилитель

Современный усилитель звуковой частоты широкого применения – это микросхема. Она почти не потребует дополнительных элементов, при правильном подключении будет работать сразу, не требуя наладки и многочисленных проверок. Но рассказ об усилителе я, вопреки всему, хочу начать с рассказа о каскаде усиления на радиолампе. Лампы, сегодня почти не используемые, служили нам верой и правдой долгие годы, и хотя бы по этой причине заслуживают, чтобы о них не забывали.

Рис. 7.1. Схема лампового каскада усиления

Схему я рисовал по памяти, мог и ошибиться. Радиолампа, чаще всего, имела цепь накала, но я выбрал рисунок лампы без нее, хотя с нити накала начинается работа лампы. Под действием приложенного напряжения нить накала разогревается настолько, что разогревает и катод, излучающий электроны в пространство между катодом (вывод 8) и анодом (вывод 6). Когда между катодом и анодом включается источник питания (V3), как правило достаточно большого напряжения в десятки и сотни вольт, то создаваемое им электрическое поле заставляет поток электронов от катода устремляться к аноду, создавая ток, создавая падение напряжения на резисторах R1 и R3. Напряжение на резисторе R1 – выходное напряжение каскада. А напряжение на резисторе R3, которое плюсом приложено к катоду, а минусом через резистор R2 к сетке, будет создавать электрическое поле, уменьшающее поток электронов к аноду. Напряжение сигнала, приходящее от предыдущего каскада через конденсатор C1, меняет это «запирающее» напряжение, формируя в анодной цепи лампы

усиленный сигнал. Считается, что понять работу лампы проще, чем транзистора. Возможно, если вам понятно, как электроны покидают свои «насиженные места» в материале катода, как умудряются путешествовать между катодом и анодом, и почему сетка умудряется ими управлять. Хотя, я согласен, если отвлечься от этих «тонкостей», то поток электронов, подобно водному потоку или потоку слов, которые я умудряюсь извлечь из клавиатуры, легче укладываются в понятие электрический ток. А аналогия с сообщающимися сосудами, когда один из них поднимается на вышку, а второй остается на земле, легче поясняет, отчего ток больше при увеличении напряжения. Возможно.

С другой стороны, мы не видим ни потока, ни электрического тока. Все, что нам дано, это включить амперметр и измерить ток. Или подключить вольтметр, чтобы измерить напряжение. И достаточно, измеряя ток через любое сопротивление, менять напряжение источника питания, чтобы заметить, что с увеличением напряжения увеличивается ток. А как он «бегает» по проводам... не изгибать же провода синусоидой для переменного тока!

Физика интереснейший предмет, очень нужно изучать ее, чтобы знать сегодняшние модели физических процессов, но заниматься этим, возможно, я очень ошибаюсь, следует тогда, когда интересна сама физика, или когда в твоей области интересов тебе не удается решить свою задачу без знания каких-то физических особенностей процесса.

Вспомнить о радиолампе меня заставили сомнения – рассказ продвинулся далеко вперед, а все ли ясно с такими важными, но не всегда понятными вещами, как электрический ток, напряжение, я не говорю об электромагнитном поле. Понятно ли, как следует обращаться с транзистором? Мне немного не по себе отого, что я «пожадничал» и не рассказал о методах контурных токов и узловых потенциалов, когда рассказывал о законах Кирхгофа, и чтобы немного исправить свою оплошность, я, пожалуй, расскажу побольше о транзисторах. Для рассказа я постараюсь активнее использовать книгу Qucs Workbook, где авторы проекта показывают, как много интересного можно выполнить при работе с этой программой.

Включение транзистора с общей базой

Начнем с того, как транзистор включается в схему? У него три вывода: эмиттер, база и коллектор. Эмиттер, подобно катоду лампы, поставляет носители тока в таинственные глубины транзистора. База, не так как сетка лампы, но как умеет, формирует ток коллектора. А коллектор, отдувается за всех, формируя усиленный сигнал на нагрузке транзистора, чаще всего в виде сопротивления. Если у транзистора три вывода, то мы можем любой из них использовать в качестве общего вывода для входного и выходного сигналов (напряжений или токов).

Самый распространенный способ включения транзистора – с общим эмиттером. Реже применяется включение транзистора с общим коллектором. Еще реже – с общей базой. С этой редкости и начнем.

Рис. 7.2. Включение транзистора с общей базой

Я давно не пользовался схемами, где транзистор включается с общей базой, и давно забыл, как это выглядит, о чем мне напоминает диаграмма. В нижней ее части сигнал от генератора V2, красивая синусоида на входе усилителя, а в верхней части диаграммы сигнал на выходе, полное безобразие, которое я устроил, сделав ошибку, которой пока не вижу...

О-о! Как говорит мой сын: «Как все запущено!». Я столько говорил о необходимости базового тока для нормальной работы транзистора в усилительном режиме, а сам?! Вы, уже, верно, заметили, как я оплошал. Убрать, что ли этот рисунок? С другой стороны, жалко, красивый рисунок...

Я забыл задать ток базы, определяющий режим работы транзистора по постоянному току, увлекшись рассказом о том, как транзистор включается по отношению к сигналу. Для переменного напряжения с частотой 1 кГц, именно такую частоту генератора я задаю, сопротивления конденсаторов C1 и C2 невелико. Можно считать, что источник сигнала включен между эмиттером и базой транзистора. А выходной сигнал мы снимаем с базыколлектора транзистора. То есть, база – общая точка для входного и выходного напряжений. Но для режима усиления транзистору необходимо задать правильный режим работы по постоянному току. На диаграмме видно, что в моменты, когда генератор создает ток базы, транзистор начинает работать в режиме усиления, а когда ток базы отсутствует, транзистор закрывается и напряжение на коллекторе становится равно напряжению источника питания V1. Сейчас я изменю положение элементов на рисунке и удалю источник переменного напряжения (сигнал). Все станет еще понятнее.

Рис. 7.3. Включение транзистора предыдущей схемы по постоянному току

Я добавил еще и амперметр в цепь базы, и вольтметр на выходе каскада, чтобы в таблице вы могли посмотреть, ток базы очень и очень мал, и этот ток – обратный ток (значение отрицательно) перехода коллектор-база. Любой p-n переход имеет очень маленький ток, но он есть, при обратном смещении, пока напряжение на переходе не превысит некоторого, предельно допустимого, значения. Вольтметр показывает напряжение источника питания, то есть, транзистор закрыт. По отношению к постоянному току обе схемы идентичны, отличаются только расположением элементов. И про резистор, задающий ток базы, я забыл. Отсюда и плачевный результат при подключении источника сигнала, источника переменного напряжения с частотой 1 кГц. Чтобы исправить свою ошибку, я добавлю резистор между коллектором и базой транзистора. Можно включить этот резистор и между базой и плюсом источника питания. В первом случае резистор будет выполнять и функцию элемента обратной (отрицательной) связи, во втором этого не произойдет. Но в обоих случаях ток базы, задающий режим работы транзистора, появится. Проверим это.

Рис. 7.4. Правильное включение транзистора по постоянному току

Базовый ток, как видно из таблицы, увеличился на несколько порядков, что привело к появлению коллекторного тока, а резистор R1 я подобрал так, чтобы напряжение на коллекторе транзистора было равно половине питающего напряжения, что тоже отражено в таблице (Pr2.V).

Да, дал я маху, и самое время сделать вид, что все так и задумано (если бы), самое время продемонстрировать мои глубокие познания в области работы с токами и напряжениями. С этой целью я, я уже обронил фразу об обратной связи, хочу показать, как при таком включении резистора R1 образуется обратная связь по постоянному и переменному току. Резистор R1 – активное сопротивление, для которого в широком диапазоне частот справедливо то, что его сопротивление не зависит от частоты. Поэтому обратная связь, задаваемая с помощью резистора, начинает работать с нулевой частоты, или с постоянного тока. Нам потребуется вспомнить только то, что говорилось о законах Ома и Кирхгофа, что говорилось о делителе напряжения.

Рассмотрим выходное напряжение каскада, которое на рисунке измеряется вольтметром. К этому напряжению подключено несколько цепей: R1R2, транзистор плюс R4. Ток, протекающий от плюса источника питания (за положительное направление тока в технике, напомню, принято направление от плюса к минусу) через резистор R3, разветвится на небольшой ток к базовой цепи (через резистор R1) и основной ток коллектора, все в соответствии с законом Кирхгофа. Делитель напряжения, образованный резистором R1 и параллельно включенными резистором R2 и цепочкой перехода база-эмиттер плюс R4, делит выходное напряжение каскада. Та часть напряжения, которая снимается с резистора R2, и

создает напряжение обратной связи.

Попробуем, не используя ничего кроме известных нам законов, посчитать, какую часть выходного напряжения мы прикладываем ко входу каскада для создания обратной связи. Вначале определим сопротивление цепи, параллельной резистору R2. Базовый переход транзистора (база-эмиттер) – это включенный в прямом направлении p-n переход, напряжение на котором для полупроводника на основе германия 0.2-0.5 В, а на основе кремния 0.5-0.7 В. Разделим напряжение 0.5 В на ток базы (амперметр Pr1 показывает около 8 мкА) и получим сопротивление по закону Ома 62.5 кОм. Такое сопротивление, включенное параллельно резистору R2 = 5 кОм, напомню, что складывать следует обратные величины (1/Rобщ = 1/5 + 1/62.5), такое сопротивление мало изменит результат, даже после того, как к 62.5 кОм (62500 Ом) мы добавим R4= 50 Ом. Не делая большой ошибки мы можем считать, что делитель напряжения образован резисторами R1 и R2. А выходное напряжение делится в соотношении (R1 + R2)/R2, то есть, в шесть раз. В итоге этих мудреных подсчетов, мы получим, что на вход каскада на транзисторе T1 мы подаем 5/6 В (0.83 В). Включите вольтметр параллельно резистору R2 и убедитесь, что расчеты не слишком сильно отличаются от измерений. Осталось сообразить, какая это обратная связь, положительная или отрицательная? При увеличении тока базы (ток растет), вызванного увеличением напряжения на входе, растет ток коллектора, связанный коэффициентом усиления по току с этим током (свойство транзистора), что увеличивает падение напряжения на резисторе нагрузки R3. В этом случае напряжение на коллекторе транзистора, выходное напряжение, уменьшается: по закону Кирхгофа сумма падений напряжений должна быть равна напряжению источника питания – если одно падение напряжения увеличивается, другое должно уменьшиться. В итоге увеличение напряжения на входе вызывает уменьшение напряжения на выходе, что свидетельствует в пользу того, что эти напряжения находятся в противофазах, а обратная связь будет отрицательной.

Если разбирать схему до конца, то резистор R4 тоже участвует в создании обратной связи. Ток эмиттера, протекающий по этому резистору, создает на нем падение напряжения. Поскольку ток эмиттера тоже зависит от входного сигнала, падение напряжения на резисторе R4 будет участвовать во всех процессах, происходящих в усилителе. Но базовый ток транзистора, управляющий этими процессами, определяется напряжением база-эмиттер. Следовательно, напряжения на резисторах R2 и R4 должны быть алгебраически (с учетом знака) сложены. Или иначе – напряжение на резисторе R2 должно быть равно сумме напряжения база-эмиттер и напряжения на R4. Или совсем иначе, напряжение база-эмиттер должно быть равно разности напряжения на R2 и напряжения на R4, которое явно активно участвует в жизни усилителя.

Мне не хочется углубляться в описание подсчетов и расчетов, что лучше делать, используя не слова, а формулы. С формулами не ошибешься, а столь длинное описание на словах, может привести к ошибкам, которые ускользнут от внимания. Мой совет, в программе Qucs, или в любой аналогичной программе, которой вы пользуетесь, или на макетной плате не поленитесь, проведите все эти измерения, они вам не соврут!

Ну, вот. Свои познания я продемонстрировал, можно внести исправления в первоначальную схему, чтобы все-таки увидеть, как сигнал с частотой 1 кГц усиливается каскадом на транзисторе, включенном с общей базой.