Глава 11. Немного больше об усилителях

Принимая решение о создании своего устройства, вам не следует забывать, что конечной целью для вас могут быть только две вещи: знание и удовольствие. В первом случае вы можете сами придумывать устройство или искать готовую схему для того, чтобы исследовать работу устройства, понять эту работу, и в процессе экспериментов пополнить свои знания предметной области. Во втором случае вы делаете тоже самое, но ваша цель получить удовольствие от результата работы: сделать хорошее устройство, которого ни у кого нет, или сделать устройство, потратив только немного денег, а другие должны были заплатить за него полную цену. Как мне кажется, самое лучшее это использовать обе цели, вначале первую, а затем вторую. Вы наверняка получите вдвое больше от своего занятия!

Почему я заговорил о цели, так только потому, что она часто определяет выбор решения. Если говорить об усилителях вообще, не соотнося это с конкретной целью, то невозможно сделать выбор из множества возможных схем. Только конкретная цель, конкретная задача позволяют сделать это.

Усилители можно было бы сразу разделить на две большие категории, усилители постоянного и переменного тока. И когда-то это было определяющее деление. Но с появлением транзисторов схемы усилителей все чаще стали делать с непосредственными связями (без разделительных конденсаторов), что позволяет применять их и для усиления постоянного и для усиления переменного тока. По таким схемам построены все операционные усилители.

Усилители можно было бы сразу разделить на высокочастотные и низкочастотные. Но изменение технологии производства транзисторов привело к их существенному удешевлению, и сегодня одни и те же транзисторы можно применить для построения высокочастотной части радиоприемника, равно как и низкочастотной.

Кстати о радиоприемниках, рассмотрим схему приемника прямого усиления.

Усилители в радиоприемнике

Подобная схема радиоприемника обозначалась как 1-V-1, что означало один каскад усиления высокой частоты, детектор и один каскад усиления низкой частоты. Я не застал те времена, когда происходило становление таких схем, но полагаю, что широкое распространение детекторных приемников привело радиолюбителей к желанию улучшить схему детекторного приемника сначала за счет усиления низкочастотного сигнала после детектора, а затем и к желанию усилить радиосигнал.

Приведенная ниже схема условна и не предназначена к повторению. Ее можно было бы изобразить в виде структурной, но мне хотелось показать вид сигналов, которые можно увидеть в разных точках схемы.

Рис. 11.1. Почти настоящая схема радиоприемника

Сразу хочу сказать, что гораздо нагляднее, гораздо лучше вы можете получить результаты, если исследуете подобную схему в программе Qucs покаскадно. Отдельно входной контур, отдельно усилитель ВЧ и т.д.

Вместо антенны и входного контура радиоприемника использован генератор амплитудномодулированного сигнала. Такой сигнал приносит радиоволна, излучаемая радиостанцией. Величина сигнала 10 мВ скорее завышена, чем занижена. На входе радиоприемника сигнал попадает на входной LC-контур, который выделяет ту частоту, которая соответствует его резонансной частоте. Обычно конденсатор этого контура делают переменным, но можно изменять и индуктивность. Если вас интересуют радиоприемники, то можно найти много схем подобных приемников и выбрать любую из них. Не думаю, что сегодня есть смысл ставить целью получение готового устройства, но в качестве испытательного стенда, предмета для проведения ряда экспериментов, любая из схем принесет много пользы.

Итак, амплитудно-модулированный сигнал, каким он изображен на левой диаграмме, приходит на вход усилителя высокой частоты, выделенный из множества других входным LC-контуром. Величина сигнала маленькая, поэтому расчет каскада усиления высокой частоты зачастую производится с использованием методов для малосигнальных параметров. Напряжение питания этого усилителя тоже выбирается, как правило, небольшим, а транзистор используется с высокой граничной частотой или из серии высокочастотных. Я думаю, вы встречали схемы, где используются транзисторы КТ315. Можете попробовать использовать их и в усилителе высокой частоты, и в усилителе низкой частоты.

И вы, и я знаем, что есть самый простой вид приемника – детекторный. Он не содержит

усилителя, поэтому возникает вопрос, а зачем нужен усилитель?

Детекторный приемник, принимая сигнал радиостанции, сможет работать только с самыми мощными, близко от вас расположенными радиостанциями, способными обеспечить обработку сигнала. Когда мы говорили об n-p переходах, о диодах, мы пришли к выводу, что для нормальной работы диоды ему нужно падение напряжения на переходе от 0.1 до 0.5 В. Поскольку детектор в данном случае не более, чем выпрямитель, сигнал, который он может выпрямить, не должен быть меньше этих значений. Таким образом, усилитель высокой частоты в радиоприемнике нам нужен в первую очередь для того, чтобы обеспечить нормальную работу диода.

В реальных приемниках прямого усиления вы можете не увидеть детектора (диода). Куда он пропал? Он не пропал, в качестве диода используется переход база-эмиттер транзистора, который, как n-p переход, прекрасно справляется с задачей выпрямления высокочастотного сигнала. А транзистор используется и как детектор, и как усилитель, благо на его переходе создается небольшое падение напряжения, которое помогает процессу выпрямления (детектирования). Иногда каскад усиления ВЧ (высокой частоты) используется для создания положительной обратной связи, охватывающей и входной LC-контур. Зачем вводится положительная обратная связь, которая может привести к «самовозбуждению» усилителя, и которая ухудшает его параметры. Ведь мы говорили, что отрицательная обратная связь улучшает многие параметры усилителя, а положительная, от обратного, должна их ухудшать. Это так. Но ухудшая одни параметры, она может улучшить другие. Например, усиление по напряжению каскада с положительной обратной связью будет больше. То есть, наш усилитель будет усиливать лучше, не надо будет добавлять второй каскад. Кроме того, положительная обратная связь в фильтре повышает добротность фильтра, а наш входной LCконтур, как мы и говорили, это фильтр. После введения положительной обратной связи он становится круче в буквальном смысле слова, спад вне частоты резонанса происходит значительно быстрее. Приемники, использующие такое построение, называют сверхрегенеративными. Они сложнее в настройке, действительно склонны к самовозбуждению, но могут улучшить работу приемника прямого усиления.

Вернемся к рисунку. На следующей диаграмме показан усиленный сигнал на выходе каскада ВЧ, а следом выпрямленный сигнал. Он несет в качестве огибающей, как и входной сигнал, нужную нам информацию, а высокочастотное наполнение (несущая), которое было так нужно радиоволне, нам уже ни к чему. Поэтому в схему добавлен конденсатор C5 (на рисунке), сопротивление которого для сигнала звуковой частоты очень большое, а сопротивление для частоты несущей очень маленькое. Благодаря частотно-зависимому делителю напряжения R3C5 мы сохраняем амплитуду информационной части и уменьшаем амплитуду несущей. Или иначе, мы говорили о выпрямлении высокочастотного сигнала, в этом случае, как в любом выпрямителе, конденсатор C5 можно рассматривать как сглаживающий для высокой частоты, но он почти не сглаживает, из-за малой емкости, низкочастотный сигнал. Последняя диаграмма на рисунке показывает усиленный информационный сигнал с остатками высокой частоты.

Низкочастотный усилитель, располагающийся за детектором, в данном случае призван в первую очередь «умощнить» сигнал. Слабый продетектированный сигнал плохо будет слышен даже в наушниках. Его мощность следует увеличить. Это и выполняет усилитель низкой частоты. Он работает с большим сигналом, его расчет ведется соответствующими методами, а вы можете применить любые схемы усилителей НЧ. Часто эти схемы имеют чувствительность порядка 250 мВ, что соответствует стандартной для них чувствительности. Этого может не хватить для работы с сигналом, снимаемым с детектора. Тогда вам потребуется предварительный усилитель.

Предварительный усилитель НЧ

Раньше в зоне практического внимания находилось больше разновидностей предварительных усилителей НЧ: предварительный усилитель для проигрывателя грампластинок с электромагнитной головкой звукоснимателя, усилитель магнитофона, обязательные регуляторы тембра. Все они выполняли требуемое формирование амплитудночастотной характеристики.

В настоящее время остаются, быть может, если говорить о звуковоспроизведении, эквалайзеры – многополосные фильтры, с помощью которых можно в довольно широких пределах менять результирующую АЧХ усилителя, хотя и их все чаще заменяют формирователи режима прослушивания.

Собственно, схема предварительного усилителя, если это не активный фильтр, ничем не отличается от той, что на рисунке. Иногда, правда, следует принять меры к тому, чтобы минимизировать шумы предварительного усилителя. Если сигнал на входе предварительного усилителя мал, а вы хотите сохранить большой динамический диапазон всего тракта, то без этого не обойтись. В отношении шумов я хочу в первую очередь обратить внимание на два фактора: для малошумящих транзисторов (есть такой параметр) шумовые свойства нормируются и уменьшение коллекторного тока уменьшает шумы. Немного больше об этом.

Малошумящие транзисторы не панацея от бед с шумами. Дело в том, что выбирая именно малошумящий транзистор, вы получаете только заведомо известную норму его шумовых свойств, за которую он не выходит. Но это не означает, что остальные транзисторы шумят сильнее. Они могут иметь и меньшие шумы, но те, просто, не определены для всей серии, то есть, могут встретиться и очень шумные экземпляры. И еще. В некоторых готовых устройствах указывают соотношение сигнал/шум, но не приводят ссылок на метод измерения шума. Очень часто шумы измеряют с использованием «взвешивающего» фильтра. Что он из себя представляет? Он имеет амплитудно-частотную характеристику, отражающую реальную «слышимость» шумов, реальное восприятие нами шумов, как мешающего фактора. Выбрав схему малошумящего усилителя вы можете долго пытаться настроить его, чтобы получить данное в описании значение шумов, но не достичь этого. Не стоит сразу отказываться от схемы, возможно, ее испытания проводились именно со взвешивающим фильтром.

И еще одно пояснение к шумам. При снижении коллекторного тока в предварительном усилителе можно уменьшить шумы. Следует только не забывать, что с уменьшением этого тока уменьшается статический коэффициент усиления по току, что может привести к уменьшению усиления по напряжению. В этом смысле лучше использовать транзисторы с большим усилением при малых токах коллектора, такие как КТ342, КТ3102 или КТ3107. Последние в некоторых случая предпочтительней. И процесс уменьшения тока коллектора для получения минимума шумов имеет некоторое экстремальное значение — дальнейшее уменьшение тока уже не приводит к уменьшению шумов.

Когда мы определяли ток, как направленное движение электрических зарядов, мы оговаривали, что это направленное движение в целом, вообще. Тогда как по отношению к каждому из зарядов нельзя сказать, будет ли он следовать этому направлению. То есть, часть зарядов в целом движется направленно, но отдельные заряды могут двигаться хаотически, почти не следуя заданному направлению. Чем больше электродвижущая сила, тем более «стройными рядами» движутся заряды. Однако хаотическое движение для них более естественно. Именно это хаотическое движение, существующее во всех материалах, обусловленное хотя бы температурой, и создает шумы. Шумят резисторы, шумят полупроводники. Все шумят, что нельзя не учитывать, работая с малыми сигналами.

Не слишком последовательно и не совсем верно, но поскольку речь шла о

радиоприемниках, давайте немного остановимся на смесительном каскаде и каскаде усиления промежуточной частоты супергетеродинного радиоприемника.

Чем плох радиоприемник прямого усиления. Он достаточно понятен, его проще сделать. Зачем все усложнять? В первую очередь проблемы с приемником прямого усиления в его усилительных возможностях. Можно попытаться увеличить количество каскадов усиления высокой частоты. Но я упоминал о сверхрегенеративной схеме, где положительная обратная связь вводится специальным, контролируемым образом. В многокаскадном усилителе, особенно высокочастотном, многочисленные конструктивные элементы – дорожки печатной платы, корпуса элементов – вносят паразитные емкости и индуктивности, которые трудно поддаются учету, а, следовательно, могут создавать трудно контролируемые обратные связи. Многокаскадные усилители высокой частоты из-за этого склонны к самовозбуждению. Раньше, когда основными активными элементами приемников и усилителей были радиолампы, каждый каскад приемника тщательно экранировался, цепи питания тщательно прокладывались с учетом возможных обратных связей по питанию. Но даже эти меры не спасали при работе со слабыми сигналами. Именно тогда возникла идея, лежащая в основе работы супергетеродинного приемника. Гораздо проще, чем уберегать широкополосный усилитель от паразитных связей, все усиление, необходимое для приемника, осуществить на одной рабочей частоте, используя «одночастотные» усилители. Эту частоту, для радиоприемников диапазонов длинных и средних волн, как правило, 465 кГц, назвали промежуточной частотой. Усилитель на одну частоту при достаточно большом усилении будет работать гораздо устойчивее, и гораздо легче учесть все вредные параметры конструкции. Чтобы получить эту промежуточную частоту из радиосигнала, выделенного входным LC-контуром, производится преобразование частоты: несущую частоту с помощью смесителя меняют на 465 кГц. Такое преобразование возможно в нелинейной цепи при одновременной работе двух источников переменного напряжения с близкими частотами.

В результате смешивания двух сигналов получаются сигналы с суммарной и разностной частотой при сохранении «огибающей», нашего информационного сигнала. Каскад усиления, в котором производится смешивание сигналов, называется смесителем и нагружается он обычно на контур, настроенный на промежуточную частоту. Так в смесителе образуется четыре сигнала: принятый радиосигнал, сигнал от перестраиваемого высокочастотного генератора, который называется гетеродином, и результат смешивания с разностной и суммарной частотой. Почему чаще используют разностный сигнал, а не суммарный, и тот, и другой, вполне подходящие кандидаты на роль промежуточной частоты, а потому, что чем ниже частота, тем легче с ней работать, но ее и нельзя слишком занижать по причине того, что она будет несущей частотой для звукового сигнала. Попробуем, на этот раз без жульничества, получить такое смешивание сигналов.

Рис. 11.2. Подбор LC-контура на частоту 400 кГц

Первым делом, уж если без жульничества, благо программа это позволяет, я без дополнительных расчетов пытаюсь подобрать (подогнать) параметры колебательного контура в коллекторной цепи транзистора. Я выбрал параметры генераторов так, чтобы получить промежуточную частоту 400 кГц (округлив это значение для простоты). Моделирование на переменном токе в программе Qucs дает мне АЧХ каскада, на которой видно, как частота 4*10e5 резко выделяется при усилении.

Для обеспечения синхронной подстройки частоты гетеродина к частоте принимаемой радиостанции в радиоприемниках часто применяют сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости, с подвижными пластинами, расположенными на одной оси. При вращении ротора такого конденсатора емкость обоих блоков меняется синхронно, а значит синхронно меняется настройка входного и гетеродинного LC-контуров, с тем, чтобы разность частот сохранялась постоянной.

В первом эксперименте мне хотелось показать, что при этом преобразовании огибающая радиосигнала сохраняется. Поэтому все элементы схемы выбраны для получения достаточно наглядной картинки. Если сравнивать на рисунке ниже первую диаграмму выходного напряжения и вторую, которая относится к исходному радиосигналу, можно увидеть, что огибающая действительно сохраняется.

Рис. 11.3. Пример работы гетеродина

А сейчас, несколько изменив схему, я хочу заменить генераторы V1 и V2 обычным с рабочей частотой 1.4 МГц, посмотрим, действительно ли на выходе смесителя мы получим сигнал промежуточной частоты. Удалив генератор, формирующий амплитудномодулированный сигнал, мы на входе смесителя получаем обычную синусоиду. Такой же сигнал, но другой частоты, приходит в цепь эмиттера транзистора. Если смешивания не произойдет, то на выходе каскада мы можем получить только очень слабые, из-за подавления LC фильтром, сигналы этих двух частот, вид которых не должен отличаться от вида сигналов, подаваемых на вход и в цепь эмиттера.

Если же смешивание сигналов будет иметь место, вид сигнала (out на схеме) каким-то образом должен нам это показать.

Рис. 11.4. Вид смешанного сигнала

Хотя результат не слишком впечатляет, остались сигналы с частотой гетеродина, но сигнал «биений» двух генераторов, который похож на огибающую в амплитудно-модулированном сигнале радиочастоты, в данном случае и будет сигналом промежуточной частоты, имеющей период, примерно, вдвое ниже периода сигнала гетеродина.

Каскады усиления промежуточной частоты могут незначительно отличаться от того, что на рисунке, исключая, конечно, и генератор, имитирующий радиосигнал, и генератор, имитирующий гетеродин. В качестве фильтра раньше использовались в основном LCконтуры (как правило, более сложные LC-фильтры), позже стали применять фильтры, скажем, на основе поверхностных акустических волн (ПАВ-фильтры).

Детектор в таком радиоприемнике может не отличаться от выше описанного, оставаясь выпрямителем радиоволны.

Сделав экскурс в схемы обработки радиосигнала, вернемся к предварительным усилителям НЧ. Многие радиоприемники имеют в своем составе регуляторы тембра низких и высоких частот.

Это, в сущности, активные или пассивные фильтры. В последнем случае схема представляет собой некоторый набор резисторов и конденсаторов. Например, такой:

Рис. 11.5. Пассивный регулятор тембра

Уравнение, напомню, добавлено для выражения амплитудно-частотной характеристики (в точке out) в децибелах. Регулятор может поднять уровень высоких и низких частот, например, для соответствия их уровня кривым равной громкости при снижении общего уровня громкости.

В схеме делители напряжения R2R3 и R7R8 в действительности переменные сопротивления с логарифмическим характером изменения сопротивления в зависимости от угла поворота.

Изменяя значения резисторов делителей напряжения, не забудьте, что сумма должна равняться 100 кОм, можно проверить поведение фильтра при разных «углах поворота» переменных резисторов. Можно проверить и влияние, например, входного конденсатора C1 и сопротивления нагрузки R10 на результирующую амплитудно-частотную характеристику. То же можно сказать и об остальных элементах цепи. Даже если полученные данные будут несколько отличаться от того, что вы увидите, собрав схему на макетной плате, характер этих изменений не изменится.

Применение пассивных корректоров АЧХ бывает неудобно хотя бы из-за уменьшения уровня сигнала. Чтобы этого не происходило, можно применять активные регуляторы тембра. Часто цепи коррекции добавляют в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Пример такого построения регуляторов тембра приведен ниже.

Рис. 11.6. Активный регулятор тембра

Немного «аляповатый» рисунок схемы не позволил мне добавить диаграмму, приведу ее отдельно. И обратите внимание, один из регуляторов выполнен на потенциометре 100 кОм, второй 500 кОм, и оба должны иметь линейную характеристику регулировки.

Рис. 11.7. Диаграмма АЧХ регулятора тембра

Применение операционных усилителей в предварительных усилителях вполне удобно и оправданно, но не следует забывать, что верхняя граничная частота операционного усилителя зависит от его коэффициента усиления, определяемого элементами отрицательной обратной связи. И еще одно, операционные усилители требуют двух-полярного источника питания. Во всяком случае, с таким источником питания их значительно удобнее применять. А многие устройства, особенно переносные, используют одну батарейку для питания всего устройства. В этом случае можно использовать приемы получения искусственной средней точки для «общего провода» операционного усилителя, или использовать преобразователи для получения второго источника питания.