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

Незнайкин — Дорогой Любознайкин, прошлый раз я забыл задать тебе один вопрос. Скажи, пожалуйста, насколько верно воспроизводят сигналы различные «суперусилители», о которых ты мне рассказывал?

Любознайкин — Точность воспроизведения прекрасная у всех систем, собранных по схеме катодного или эмиттерного повторителя и особенно у «суперэмиттерного повторителя» на двух взаимно дополняющих транзисторах, так как эта схема характеризуется глубокой отрицательной обратной связью. Само собой разумеется, что ты можешь осуществить эту верность воспроизведения лишь в том случае, если не перегрузишь схему, т. е. не заставишь ее давать на выходе наибольший ток или наибольшее напряжение, но в промышленной электронике во многих случаях линейность не является основным требованием, предъявляемым к усилителю, иногда даже наоборот…

Н. — Вот как! Так значит сигнал деформируют, полагаясь на волю случая или в силу извращенности?

Л. — Да, сигнал деформируют, но не по воле случая. Что же касается извращенности, то ты можешь и, вероятно, предложишь мне основать АЗСОПД (Ассоциацию Защитников Сигналов От Порочного Деформирования).

Н. — Надеюсь, что ты вступишь в эту ассоциацию. Но как могут деформированные сигналы создавать неискаженный звук?

Л. — На этот раз выбрось из головы свои идеи о звуковоспроизведении и музыкальности. Воспроизведение звука — одна из сфер приложения радиоэлектроники, но она никоим образом не исчерпывает всей радиоэлектроники, точно так же, как и электричество служит не только для питания электроплиток. Напряжение с выхода твоего усилителя может приводить в действие не только громкоговоритель. И если ты хочешь, чтобы оно, например, включало реле, разве напряжение обязательно должно быть синусоидальным?

Н. — Согласен. А каким деформациям ты подвергнешь сигнал?

Л. — Мы начнем с ограничения сигнала сверху, так как этот практичный метод позволяет уравнять величину сигналов с различной амплитудой. Такую задачу можно успешно решить путем использования простого диода. Как ты видишь, изображенная на рис. 53 схема пропустит на выход только положительную часть входного сигнала Uвх.

Рис. 53. Ограничитель. На выход проходит только положительная часть поступающего на вход напряжения.

Н. — Это понять легко. Но для чего понадобился здесь резистор R?

Л. — Его роль не так очевидна. Представь себе, что на выход подключают какую-нибудь нагрузку, использующую напряжение Uвых и обладающую большим сопротивлением для постоянного тока и существенной емкостью. При возрастании Uвх напряжение Uвых будет также возрастать, при этом паразитная емкость зарядится через диод Д, но выходное напряжение не сможет следовать за входным, если последнее резко снизится (даже если оно и останется при этом положительным), так как паразитная емкость не успеет разрядиться. Включив параллельно названной емкости резистор R, я устранил описанную неприятность.

Н. — Но, чтобы хорошо разрядить паразитные емкости, тебе, вероятно, целесообразно взять R с очень небольшим сопротивлением?

Л. — С одной стороны, да, но не следует забывать, что входное напряжение Uвх во время положительных полупериодов должно создавать ток в резисторе R, включенном параллельно выходу. Следовательно, нужно сделать так, чтобы потребление тока резистором R не слишком перегружало источники Uвх.

Н. — А что произойдет, если изменить полярность диода Д?

Л. — Тогда схема будет срезать положительные части сигнала, и на выход будут поступать только отрицательные части входного сигнала Uвх. А теперь я покажу тебе другой амплитудный ограничитель. По своим характеристикам он уступает уже описанному, но иногда его все же приходится использовать; схема этого ограничителя приведена на рис. 54. Ты легко поймешь, как он работает.

Рис. 54. Ограничитель с параллельно включенным диодом, замыкающим накоротко цепь для отрицательной части входного напряжения.

Во время положительных полупериодов входного сигнала Uвх диод Д заперт и напряжение Uвх поступает на выход (через резистор R). Во время отрицательных полупериодов сигнала Uвх диод Д открыт и играет роль короткозамыкателя — напряжения на выходе нет. В принципе резистор R и диод Д работают как делитель напряжения, один элемент которого (Д) может иметь бесконечно большое или равное нулю сопротивление[11].

Н. — Это объяснение, очевидно, относится и к первой схеме. За исключением перемены мест диода и резистора схемы идентичны, и я не понимаю, почему второй ограничитель кажется тебе хуже первого.

Л. — Сейчас ты это увидишь. В схеме на рис. 53 во время положительных полупериодов сигнала Uвх (а меня интересуют только эти полупериоды, потому что отрицательные срезаются) источник Uвx подключается практически непосредственно на выход, так как ток проходит по диоду Д, обладающему малым сопротивлением. А в схеме на рис. 54 во время положительных полупериодов сигнала Uвх между входом и выходом находится резистор R. Все происходит так, как если бы увеличилось внутреннее сопротивление источника Uвх, а я тебе уже объяснил, насколько вредно повышение внутреннего сопротивления источника — оно может исказить форму сигналов.

Н. — Теперь я тебя совсем не понимаю! Только что, срезав все отрицательные полупериоды, ты сам ужасно деформировал сигнал, а теперь кажется боишься какой-то другой деформации?

Л. — Как ты говоришь, я «ужасно» деформировал сигнал, но это мне было нужно, чтобы, например, убрать отрицательные полупериоды. Это не означает, что мне обязательно требуется изменить также и форму положительных полупериодов: они могут являться необходимыми мне положительными синхронизирующими импульсами. Именно поэтому я сожалею о наличии в схеме на рис. 54 последовательно включенного резистора R.

Я не могу сильно уменьшить сопротивление резистора R, так как для хорошего срезания отрицательных полупериодов оно должно быть большим по сравнению с динамическим сопротивлением диода.

Н. — Должно быть это несложно, ведь проводящий диод накоротко замыкает цепь.

Л. — Это было бы слишком хорошо! Даже у самых хороших полупроводниковых диодов внутреннее динамическое сопротивление практически не бывает меньше 50 или даже 100 ом. А вакуумный диод с динамическим сопротивлением меньше 300 ом большая редкость. Я показал схему для того, чтобы позволить тебе сделать двухуровневый ограничитель. Взгляни на схему рис. 55.

Рис. 55. Двухуровневый ограничитель, выходное напряжение равно входному, когда последнее находится в пределах от +U до —U.

Как ты видишь, входное напряжение проходит на выход только в том случае, если оно больше —U и меньше +U. Напряжения порога ограничения U подаются на диоды, например, от двух маленьких батарей. Если входное напряжение Uвх поднимается выше +U, то диод Д2 проводит ток и напряжение на выходе равно +U. Если входное напряжение опускается ниже —U, то ток пропускает диод Д1 и напряжение на выходе равно —U.

Н. — Тогда, подав на вход синусоидальное напряжение (рис. 56, а), на выходе получим странную штуку, изображенную на рис. 56, б?

Рис. 56. Подавая синусоиду (а) на вход схемы, изображенной на рис. 55, на выходе получают синусоиду со срезанными верхушками (б).

Л. — Правильно. Ты очень хорошо нарисовал выходной сигнал — фронты сигнала не отвесные (отвесными они могут быть только в том случае, если амплитуда Uвх очень велика по сравнению с U). Поэтому, когда требуются сигналы более приближающиеся к прямоугольной форме (как показано на рис. 57), часто приходится вновь усиливать и затем еще раз ограничивать сигнал, полученный после первого ограничения. В результате получается колебание, по своей форме близкое к прямоугольным сигналам.