Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Рис. 51. Двухкаскадный усилитель с большим коэффициентом усиления.

Н. — Должен признаться, что меня соблазняет простота схемы — один резистор на целых два транзистора.

Л. — Изображенная на рис. 51 схема дает очень большое усиление по напряжению. Коэффициент усиления легко подсчитать по формуле

k = S1β2R,

где S1 — крутизна характеристики транзистора T1, β2 — усиление по току транзистора Т2.

Например, при S1 = 12 ма/в, β2 = 50 и R = 500 ом коэффициент усиления по напряжению составит 300.

Если мы вычтем из напряжения U все выходное напряжение Uвых, чтобы приложить между эмиттером и базой транзистора T1 только напряжение U' = U — Uвых, то получим усилитель с коэффициентом отрицательной обратной связи (мы к этому вернемся), равным 300; схема такого усилителя показана на рис. 50.

Входное сопротивление усилителя приближается к мегому (чудовищная величина для классических транзисторных схем), а выходное сопротивление меньше 1,5 ом; коэффициент передачи по напряжению достигает 0,997 (в лучших каскадах, собранных по схеме катодного повторителя, с трудом удается поднять этот показатель до 0,95).

Н. — В самом деле очень соблазнительно, однако эта история для меня не очень ясна. Почему раньше не сделали ее эквивалента в схемах на лампах?

Л. — Незнайкин, найди мне «лампу р-n-р», и я покажу тебе такую схему, но боюсь, что тебе придется очень долго искать. По правде говоря, на лампах можно сделать одну очень сложную схему, основанную на этом же принципе, и которая тоже дает интересные результаты.

Н. — Значит изображенная на рис. 50 схема называется «суперэмиттерный повторитель»?

Л. — Честно говоря, это название дал схеме я сам. Впрочем оно малоизвестно, и я подумываю, не дать ли ей новое и более выразительное название.

Н. — Но мне кажется, что все эти «суперэмиттерные повторители» наделены одним общим недостатком: их выходное напряжение может устанавливаться только в одном направлении; иначе говоря, его нельзя сделать положительным или отрицательным, как нельзя изменить и направление тока, который это напряжение может дать (ведь нельзя же изменить направление тока в лампе или в транзисторе).

Л. — Абсолютно верно, Незнайкин. Следует сказать, что во многих случаях приходится иметь дело с напряжениями, всегда имеющими одну полярность. Если ты пожелаешь сделать лучше, можно использовать «последовательную пушпульную схему». Я не стану описывать эту систему (схему) во всех подробностях, а объясню лишь ее принцип.

Два транзистора включаются последовательно (рис. 52): на коллектор транзистора Т1 подается напряжение питания —Е, а на эмиттер транзистора Т2 — напряжение +E. Со специального фазовращателя на базы подаются соответствующие токи так, чтобы, например, сумма токов коллекторов транзисторов Т1 и Т2 оставалась постоянной. Разность этих токов I1 — I2 проходит через нагрузку, создает напряжение Uвых. Эта разность может быть как положительной, так и отрицательной.

Рис. 52. Последовательный пушпульный каскад. В нагрузку поступает разность токов двух транзисторов.

Н. — Очень ловко придумано. А разве нельзя сделать аналогичное устройство на лампах?

Л. — Можно, но не так легко. Чтобы лампы работали с хорошей отдачей, рекомендуется использовать пентоды, но возникают проблемы питания цепей экранных сеток. В схеме на транзисторах удается получить еще более низкие выходные сопротивления: при желании можно получить несколько ампер при низком напряжении. Я использовал эту схему для изменения направления вращения ротора маленького двигателя, установленного на управляемой по радио модели корабля. Эту же схему я использовал в своей установке высококачественного воспроизведения звука и получил нужную мощность, которая без выходного трансформатора подается непосредственно на 15-омный громкоговоритель. Если бы ты знал, как я был доволен, когда мне удалось убрать из схемы трансформаторы. Ведь они стоят ужасно дорого, весят много и занимают много места, не говоря уже о вносимых ими искажениях.

Н. — Мы заканчиваем рассмотрение систем, снижающих выходное сопротивление, и я хотел бы задать тебе вопрос. Если выходное сопротивление каскада снизили, например, до одного ома, нужно ли нагрузить его одним омом, т. е. сделать так, чтобы он отдавал свою мощность в нагрузку с сопротивлением 1 ом. Вероятно, сделать такие низкоомные нагрузки трудно?

Л. — Незнайкин, ты меня радуешь. Ты в очень четких выражениях сформулировал ошибочное представление, сложившееся у многих радистов. Твое замечание порождено следующим рассуждением: если от генератора с внутренним сопротивлением rвн хотят получить максимально возможную мощность, то к нему нужно подключить внешнюю нагрузку с точно таким же сопротивлением. Но очень часто случается так, что применить нагрузку Rн = rвн невозможно — генератор ее не выдерживает. Так, например, батарея с электродвижущей силой 4 в и внутренним сопротивлением 10 ом отдает наибольшую мощность, если к ней подключают лампу, которая в нагретом состоянии имеет сопротивление 10 ом. Напряжение на клеммах батареи упадет до 2 в, по цепи пойдет ток 0,2 а и потребляемая лампой мощность составит 0,4 вт. При подключении другой лампы с сопротивлением меньше или больше 10 ом отдаваемая батареей мощность будет меньше 0,4 вт.

Но рассмотрим случай с аккумуляторной батареей — ее э. д. с. 6 в, а внутреннее сопротивление 0,03 ом (наиболее распространенные значения). Ты не можешь подключить нагрузку с сопротивлением 0,03 ом, так как в этом случае ток должен был бы достичь 100 а (напряжение на клеммах равнялось бы 3 в), а батарея этого не выдержит.

Ты подключишь, например, нагрузку 1 ом, которая потребует б а, а это вполне нормальный ток для аккумуляторной батареи.

Н. — Иначе говоря, в этом случае сопротивление оптимальной нагрузки не равно внутреннему сопротивлению: нагрузка определяется напряжением батареи и максимальным током, который она может дать.

Л. — Абсолютно верно. Ты усвоил принцип, и я могу уточнить некоторые моменты. Так, например, если усилитель, снабженный снижающим выходное сопротивление каскадом, имеет выходное внутреннее сопротивление 1 ом (или меньше), то на каждый отданный в нагрузку ампер выходное напряжение снизится на 1 в (или меньше). Но этот усилитель может быть рассчитан на работу с большим нагрузочным сопротивлением. Например, если его выходное напряжение 15 в, а максимальный допустимый ток 2 а, то для получения максимальной мощности, т. е. тока 2 а при напряжении 15 в, требуется нагрузка сопротивления 7,5 ом.

А когда на сцену выходит отрицательная обратная связь [особенно в каскадах, собранных по схеме катодного (эмиттерного) повторителя], нужно четко разделять: выходное сопротивление, представляющее собой частное от деления изменения напряжения, вызываемого потреблением энергии, на изменение выходного тока; оптимальное сопротивление нагрузки, которое обычно значительно превышает выходное сопротивление и определяется путем деления выходного напряжения на максимально допустимый выходной ток.

Н. — Понял, он должен признаться, что мое собственное внутреннее сопротивление несколько минут тому назад резко повысилось, и я предлагаю перенести продолжение нашей беседы на следующий раз.

Беседа седьмая

СИГНАЛЫ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ. ОГРАНИЧЕНИЕ. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ И ИНТЕГРИРОВАНИЕ

Незнайкин чрезвычайно обеспокоен: он привык к технике низких частот, где необходимо сохранять форму сигнала, и теперь, наблюдая, как Любознайкин систематически деформирует сигнал, он пришел в полное замешательство. Незнайкин начинает усваивать, что такое ограничение сигнала сверху, как превращают медленное изменение напряжения в скачкообразное, затем он постигает тайны дифференцирующих и интегрирующих схем. Наступает неизбежное (вопреки его желанию и общеизвестному ужасу перед математикой) — его заставляют проглотить определение (упрощенное!) производных и интегралов… и он понимает, что это значительно проще, чем обычно думают.