Рис. 7.34. АЧХ каскада с общим эмиттером

Рис. 7.35. АЧХ при нагрузке 100 Ом

Стоп, стоп, стоп!

Я вообще не собирался рассказывать о способах включения транзистора, о задании рабочей точки, поскольку со студенческой поры мне не довелось уделять много времени этим вопросам. Но, каюсь, увлекся возможностями поэкспериментировать в программе Qucs. А есть и еще один, из той же серии, аспект, касающихся усилителей, точнее выбора транзисторов для усилителя.

Всправочной литературе по транзисторам можно встретить параметры, которые относятся

кпредставлению транзистора, как четырехполюсника. Всего несколько слов об этом. И,

пожалуй, несколько слов о многокаскадных усилителях. И... вот, вот опять я подумал, что можно было бы еще столько экспериментов проделать в этой области! Конечно, можно. Рассказу о проектировании усилителей можно посвятить несколько книг...

Так, что же такое транзистор, как четырехполюсник? Это модель транзистора с двумя входными и двумя выходными выводами. На входе такого четырехполюсника действуют напряжение U1 и ток I1, а на выходе U2 и I2. Мы можем, например, выразить напряжения через токи записав уравнения:

U1 = f1(I1,I2)

U2 = f2(I1,I2)

Вводя определенные ограничения: малый сигнал, при котором можно пренебречь нелинейностью в рабочей точке, и низкие рабочие частоты – мы можем записать уравнения для переменных напряжений в виде

u1 = a11*i1 + a12*i2

u2 = a21*i1 + a22*i2

Получается система двух уравнений с двумя неизвестными. Если мы знаем коэффициенты aij, они в данном случае имеют размерность сопротивлений, то всегда можем найти интересующие нас сигналы. Коэффициенты с размерностью сопротивлений можно найти по статическим характеристикам транзистора. Так a11 = ΔU1/ΔI1, a12 = ΔU1/ΔI2 и т.д. Не хочу продолжать этот математический экскурс в теорию, но добавлю, что мы можем выбирать в качестве искомых величин не напряжения, а токи, считая напряжения заданными, мы можем выбрать пару из тока и напряжения, считая вторую пару заданной, и в любом случае мы получим уравнения схожие с приведенными выше, у которых будут меняться коэффициенты, соответственно речь будет идти об r-параметрах или h-параметрах. Мы можем изобразить эквивалентную схему четырехполюсника, используя генераторы тока и напряжения, сопротивления, и исследовать полученную модель. Мало того, мы можем придать подобной модели более физический вид, получая такие параметры как сопротивление эмиттера или базы через, например, h-параметры. Можно добавить зависимость всех параметров от частоты и, работая с комплексными величинами, получить еще больше пользы от модели, но это выходит за рамки рассказа. Если у вас есть желание углубиться в изучение свойств подобных моделей, самое лучшее, что я могу посоветовать, это выбрать подходящий учебник и попытаться использовать программу Qucs или другую, быть может более удобную, для изучения этого вопроса. Мне хотелось только напомнить вам, что среди справочных параметров для любого транзистора могут быть параметры, относящиеся к подобным моделям.

Более важным вопросом, как мне кажется, для практической работы со схемами был бы вопрос о многокаскадных усилителях. Например, тот же усилитель мощности звуковой частоты имеет, как правило, не меньше трех каскадов. Как мы выяснили, каждый каскад имеет свою граничную частоту, за которой усиление падает со скоростью 20 дБ на октаву, а фазовая характеристика на частоте среза меняется на 45 градусов. Суммарная характеристика трех каскадов будет образована всеми этими характеристиками в совокупности. При введении общей отрицательной обратной связи, а это тоже почти общая практика, возникает вопрос об устойчивости усилителя с обратной связью, поскольку ясно, что есть частота, на которой отрицательная обратная связь превращается в положительную, а усилитель, если его коэффициент усиления по напряжению на этой частоте больше единицы, может превратиться

вгенератор.

Впредыдущих экспериментах, меняя нагрузочное сопротивление, я заметил, что меняется

полоса пропускания усилителя, что, как мне кажется, в значительной мере связано с усилением. Отрицательная обратная связь тоже уменьшает усиление каскада, но расширяет полосу пропускания. К моему сожалению, от недопонимания или неумения, мне не удалось получить быстрый результат в программе Qucs, который проиллюстрировали бы мой рассказ. Так что с этого места я прибегну к пояснениям «на пальцах».

Возьмем два каскада усиления на транзисторах Т1 и Т2. Это идеальные модели транзисторов, в свойствах которых я изменяю параметр, обозначенный как Cjc – емкость коллекторного перехода. Для первого он пусть будет равен 8*10-10, а для второго 10-8. С помощью этих параметров я хочу задать разные частоты среза для первого и второго каскадов – верхние граничные частоты усиления. Кроме того, я добавлю несколько уравнений с тем, чтобы выразить усиление в децибелах. Здесь требуются пояснения. Я не нашел возможности использовать десятичный логарифм и воспользовался натуральным, отчего коэффициент получился не 20, а 8.6. Используя напряжение генераторов 1 В, я избавился от необходимости делить выходное напряжение на входное, но деление на 1 В подразумевается.

Рис. 7.36. Схема эксперимента с двумя каскадами усиления

На диаграмме приведена результирующая АЧХ двух каскадов. Я сделаю вид, что получил

ее естественным образом, а вы хотите верьте мне, хотите, нет.

Рис. 7.37. Амплитудно-частотные характеристики двухкаскадного усилителя

Частота среза, как видно из диаграмм, первого каскада в районе 100 кГц, второго 10 кГц, и для каждого из каскадов амплитудно-частотная характеристика за верхней граничной частотой спадает со скоростью 20 дБ/декада. Все то, о чем мы говорили раньше. Но на результирующей АЧХ, если посмотреть в район 100 кГц, то видно, как после 100 кГц скорость изменения АЧХ меняется, становясь равной 40 дБ на декаду. Чтобы это подчеркнуть, я нарисовал касательные к графику частотной характеристики.

Амплитудно-частотная характеристика после введения общей петли отрицательной обратной связи будет выглядеть так, как если бы ее срезали, как показано на нижней диаграмме на уровне 70 дБ, линией параллельной оси x. При этом сама линия пересекается с характеристикой без обратной связи в том месте, где она спадает со скоростью 40 дБ, образуя новую частоту среза усилителя (на диаграмме это около 200 кГц, 2e5). Если бы пересечение было выше (пресекаясь при спаде 20 дБ/декада), мы могли бы не беспокоиться об устойчивости усилителя после введения отрицательной обратной связи. Но сейчас мы должны проверить, будет ли наш усилитель устойчиво работать после введения общей петли отрицательной обратной связи. Для этого можно было бы построить фазо-частотную характеристику усилителя без обратной связи и посмотреть угол сдвига фазы на новой частоте среза с обратной связью. На практике, имея генератор и вольтметр, строить фазочастотную характеристику усилителя слишком сложно (я бы не взялся), поэтому используют амплитудно-частотную характеристику, снимаемую после введения обратной связи на частотах близких к полученной граничной частоте усилителя. Она, как правило, имеет характерный выброс. По величине этого выброса и решают вопрос об устойчивости усилителя. Она определяемой запасом фазы, который желательно иметь не менее 20-250, но нет смысла делать запас больше 50-700. При запасе фазы 450 АЧХ усилителя получается без подъема, при запасе 250 подъем характеристики около 6 дБ, дальнейшее увеличение подъема свидетельствует о неустойчивости усилителя с введенной ООС. Характер получающейся АЧХ можно проиллюстрировать следующей диаграммой.

Рис. 7.38. АЧХ усилителя после введения ООС

Предварительные усилители звуковой частоты, а особенно усилители радиочастот, редко охватывают общей петлей обратной связи, поэтому для них все выше изложенное не так актуально, но все что касается амплитудно-частотных характеристик, фазо-частотных характеристик усилителей, линейных моделей – все это остается в силе. Я бы не советовал начинающему радиолюбителю увлекаться высокими частотами в плане изучения усилителей. На высоких частотах, на сверхвысоких частотах интенсивно работают многие параметры, трудно поддающиеся измерению, например, паразитные емкости и индуктивности. Эксперименты на этих частотах требуют соответствующей измерительной аппаратуры и определенных подходов при измерении, но кроме знания и понимания своеобразия усилителей этих частот, эксперименты не дадут ничего принципиально нового. Лучше отложить освоение высоких частот на тот период, когда все станет ясно и понятно с низкими частотами. Если вас интересуют только радиоприемники и радиопередатчики, то осваивать эту область предпочтительней, повторяя готовые и проверенные схемы, или используя программные возможности.

Чтобы закончить обзор низких, то есть, звуковых частот, я хочу немного рассказать об электроакустике. Я не специализируюсь в этой области, но усилители звуковых частот никому не нужны сами по себе. Поэтому следующая глава будет кратким рассказом о том, к чему «прицепляется» в качестве паровоза усилитель мощности звуковых частот.