А.Г.СОБОЛЕВСКИЙ ПОЧЕМУ ПОЯВИЛИСЬ ИСКАЖЕНИЯ?ПРЕДИСЛОВИЕ Многие радиолюбители стремятся создать аппаратуру, которая по качественным показателям не уступает серийной, а в отдельных случаях и превосходит ее. Выбрав, казалось бы, оправданную и качественную схему устройства, собрав ее, убеждаешься, что устройство работает значительно ниже своих возможностей. Дело в наладке, т. е. в том, правильно ли выдержаны режимы работы усилительных элементов, например, транзисторов, тщательно ли настроены колебательные контуры, верно ли подобраны коэффициенты усиления отдельны» каскадов. Конечно, совершенство электронной схемы радиоприемника или усилителя играет очень важную роль, но работа определяется, в первую очередь, качеством наладки. И можно быть уверенным, что простой по своей принципиальной схеме, но хорошо отлаженный радиоприемник будет работать куда лучше, чем собранный по сложной и совершенной схеме, но налаженный небрежно и неумело. Эта книга и рассказывает о налаживании радиоприемника. Но надо особо-подчеркнуть, что наладить современный транзисторный радиоприемник по существу невозможно без применения измерительных приборов. В самом деле, кш определить режим работы транзистора, настройку колебательных контуров, проверить чувствительность радиоприемника? Только при помощи измерений напряжений, токов, наблюдения формы колебаний, измерений их чаеюты. А для этого надо уметь пользоваться измерительной аппаратурой, знать правила подключения ее к анализируемому электронному устройству. Обо всем этом тоже рассказано в книге. Наконец, надо иметь представление о параметрах радиоприемника в целому Это необходимо для того, чтобы оценить работу уже готового и налаженного радиоприемника. Ведь понятие «хорошо работающий радиоприемник» еще мала о чем говорит. Нужно сравнить параметры его работы с эталонными, т. е. определенными ГОСТом. Для этого надо измерить его чувствительность, селективность, вносимые искажения. И тогда вы определите класс вашего радиоприемника и количественно оцените качество его работы. А значит, и «класс» вашей работы, ваших знании и умения. Итак, эта книга о том, как собранное электронное устройство превратите» & хорошо работающий супергетеродинный радиоприемник. Поверьте, это одит из самых увлекательных моментов в творчестве радиолюбителя. Отзывы о книге следует направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамп, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.Автор^ Издательство «Радио и связь», 1985 ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ О СВОЙСТВАХ ТРАНЗИСТОРОВ Современные электронные усилительные устройства работают на транзисторах и интегральных микросхемах. Аналоговая микросхема представляет «обой миниатюрный усилительный каскад или даже усилитель, изготовленный яа кристалле размером в несколько квадратных миллиметров. В состав интегральной микросхемы входят десятки л сотни транзисторов, резисторы и конденсаторы. Набор интегральных микросхем весьма обширен, включает в себя усилители звуковой, высокой и промежуточной частот для радиоприемников и телевизоров, различные каскады преобразователей частоты, специальные усилители (дифференциальные и операционные и пр.). Степень интеграции все возрастает, т. е. в одной микросхеме может умещаться все больше каскадов радиоприемника или даже телевизора. Но пока основой распространенных радиолюбительских конструкций остаются транзисторы, часто в сочетании с интегральными микросхемами. Если для нормальной работы микросхемы необходимо лишь обеспечить ей определенные напряжения питания (мы не говорим сейчас о подключении внешних дополнительных элементов и о подборе параметров внешних корректирующих цепей), то транзистор нуждается в правильном выборе режима работы. От этого зависят многие параметры устройства и возникающие при этом искажения усиливаемых сигналов. Особенно это относится к работе мощных транзисторов. В настоящее время в электронной аппаратуре применяются обычные транзисторы (биполярные) и полевые (униполярные). Биполярные имеют два р-n перехода. Они могут включаться по схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК) (рис. 1).^ Рис. 1. Принципиальные схемы включения транзисторов:в — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором (эмиттерный повторитель)В схеме включения ОБ (рис. 1,а) входным электродом является эмиттер, а выходным — коллектор. Входное сопротивление транзистора невелико (десятки ом), так как эмиттерный р-n переход включен в прямом направлении, выходное — большое, поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении. Такое сочетание входного и выходного сопротивлений неудобно для создания многокаскадных усилителей: трудно согласовать большое выходное сопротивление предыдущего с малым входным сопротивлением последующего каскада.^ Рис. 2. Структурная схема транзистора р-n-р типаИз рис. 2 видно, что входным является ток эмиттера IЭ. Часть его ответвляется в базу, образуя ток базы IБ, а другая — ток коллектора Iк. Таким образом, полезный управляемый ток коллектора, протекающий через нагрузку, составляет только часть входного тока эмиттера: Iк=Iэ — IБ, т. е. коэффициент передачи тока h21Э Следует отметить, что не весь ток коллектора Iк управляем. Если разорвать цепь эмиттера, то ток коллектора не исчезнет, а только значительно уменьшится и к тому же изменит направление. Такой ток называется обратным током коллектора IKБО. Он почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе UKБ, но зависит от температуры перехода. Чем меньше обратный ток коллектора IKБO, тем выше качество транзистора. Если включить транзистор по схеме 03 (рис. 1,6), то его коэффициент передачи тока равен приращению выходного тока коллектора ДIк к вызвавшему его приращению тока базы ДIБ. Следовательно ДIк/ДIБ=h21э что составляет девятки и даже сотни единиц. Значительно увеличивается (до сотен и тысяч ом) при включении транзистора по схеме ОЭ и входное сопротивление каскада, поскольку теперь входным является незначительный ток базы. Большое входное сопротивление удобно для согласования транзистора с предыдущим каскадом, так как в этом случае транзистор меньше шунтирует его. Поэтому включение транзистора по схеме ОЭ — это основная схема использования транзистора в усилительных каскадах. Схема включения ОБ применяется чаще всего в каскадах с двумя транзисторами. При включении транзистора по схеме (Ж (рис. 1,в) входным является ток базы, поэтому транзистор имеет достаточно большое входное сопротивление. Выходное сопротивление такого каскада мало, так как нагрузка включена в эмиттерную цепь, а переход включен в прямом направлении. Такая схема включения называется эмиттерным повторителем. Достоинство его состоит в том, что ток в эмиттерной нагрузке по фазе и полярности совпадает с входным током базы. В отношении же коэффициента передачи тока схема ОК. не уступает схеме ОЭ: ДIЭ/ДIБ=1+h21Э. Статический коэффициент передачи тока h21Э характеризует работу транзистора на постоянном токе. При работе транзистора в режиме усиления переменных электрических сигналов его усилительная способность в схеме ОЭ оценивается коэффициентом h21э, который тоже представляет собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока и называется козффициентом передачи тока; в режиме малого сигнала. Коэффициенты передачи тока зависят от токов и напряжений на электродах транзисторов. Обычно коэффициент передачи тока достигает максимума при некотором среднем токе эмиттера; именно это значение тока указывают в справочниках как рекомендуемое для измерения коэффициента передачи тока. Зависимость коэффициента передачи тока от коллекторного напряжения становится заметной только при очень малых или очень больших коллекторных напряжениях, но в таких режимах транзисторы не используются, особенно при максимальных коллекторных напряжениях, так как велика опасность пробоя перехода.^ КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ Зависимость тока входного электрода от напряжения на нем при постоянном напряжении выходного электрода называется входной статической характеристикой (рис. 3). Другими словами, для транзистора, включенного по схеме ОЭ, входная статическая характеристика представляет собой зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе. Если напряжение на коллекторе меняется, то характеристика тоже изменяется. Обычно снимают не одну, а семейство входных характеристик для различных напряжений UK3. Выходной статической характеристикой (рис. 4) называется зависимость . тока выходного электрода транзистора от напряжения на этом электроде при неизменном токе входного электрода. При включении транзистора по схеме ОЭ — это зависимость тока Iк от напряжения UK3 при неизменном токе базы IБ. Статические характеристики предполагают, что в коллекторную цепь транзистора не включено сопротивление нагрузки. Если такое сопротивление есть, то изменение тока коллектора происходит не тольке под действием изменения тока или напряжения на базе, но и под действием изменения напряжения на самом коллекторе. Это последнее изменение происходит потому, что при изменении коллекторного тока, протекающего через резистор нагрузки RK, происходит изменение падения напряжения на этом резисторе. А это значит, что в процессе усиления переменного сигнала на коллекторе транзистора, напряжение изменяется непрерывно и транзистор как бы непрерывно переходит с одной выходной статической характеристики на другую.Рис. 3. Входная характеристика транзистораРис. 4. Выходная характеристика транзистораПостроим на выходной статической характеристике линию, которая будет характеризовать ток коллектора в зависимости от изменяющегося коллекторного напряжения. Такую линию называют нагрузочной (динамической) выходной или рабочей характеристикой транзистора. Для ее построения предположим вначале, что транзистор заперт и ток коллектора равен нулю: Iк= =0. В этом случае напряжение на коллекторе равно напряжению Ек его источника питания, так как падение напряжения на нагрузке Rк отсутствует. На оси напряжений UКэ семейства статических выходных характеристик найдем точку, соответствующую иКэ — Ек. Эту точку нулевого тока обозначим М. Теперь найдем вторую крайнюю точку динамической характеристики из предположения, что напряжение на коллекторе транзистора иKЭ = 0, т. е. транзистор замкнут накоротко. В этом случае ток коллектора Ik=Ek/Rk. В действительности коллекторный ток таким быть не может, так как при нулевом коллекторном напряжении транзистор вообще не работает. Отметим, что теоретический максимальный ток на оси токов семейства статических коллекторных характеристик соответствует точке N. Таким образом, получили две крайние точки динамической выходной характеристики. Остальные точки лежат на прямой, соединяющей их. Так как уравнение Uk=Ek — IkRk — уравнение прямой линии, через точки М и N проведем прямую, которая и есть выходная динамическая характеристика. Если изменить сопротивление нагрузки Rк, например увеличить его до R’K, то ток I’k = Ek/R’k станет меньше Ik = EК/Rk и точка N опустится, а динамическая характеристика наклонится вниз, повернувшись вокруг точки М. При RK — oo коллекторный ток прекратится. Наоборот, если уменьшить Rk, то коллекторный ток увеличится и динамическая характеристика поднимется. Далее находят точки пересечения выходной динамический характеристики со статическими характеристиками при различных токах базы. Затем определяют соответствующие напряжения коллектора UK3 этих точек и строят по характеристике IБ(UКэ) точки динамической входной характеристики (см. рис. 3). Как видно из рис. 3, входная динамическая характеристика нелинейна (хотя и получена с помощью линейной выходной характеристики). Следовательно, во входной цепи усилителя возникают нелинейные искажения, т. е. если синусоидальное напряжение UБЭ входной цепи достаточно велико, то ток IБ будет нелинейным. Обычно в справочниках не приводят семейства входных статических характеристик для схемы ОЭ и для ОБ. Объясняется это тем, что коллекторное напряжение слабо влияет на входной ток, поэтому обычно ограничиваются двумя входными статическими характеристиками: при UКЭ =0 и 5 В. Если особой точности не требуется, то можно считать, что входная динамическая характеристика совпадает по форме с входной статической характеристикой при UКЭ= =5 В. При этом в действительности искажения в каскаде будут меньше, так как нелинейность входной динамической характеристики меньше нелинейности, входных статических характеристик. Бели теперь подать на базу транзистора переменное напряжение, то рабочая точка Т будет непрерывно перемещаться по динамической характеристике в соответствии с мгновенными значениями входного напряжения. Если положение рабочей точки, напряжения питании и сам транзистор выбраны неправильно, то могут появиться значительные искажения.^ Рис. 5. Схема усилительного транзисторного каскадаНа рис. 5 показана принципиальная схема простейшего усилительного каскада при включении транзистора по схеме ОЭ. Каскад содержит два источника питания: Ек — коллекторного напряжения и Еб — напряжения смещения. В реальном усилительном каскаде напряжение смещения получают от источника коллекторного напряжения. Сделаем два опущения. Первое: нагрузка RK каскада одинакова для постоянного и переменного токов. Такое допущение справедливо-только в том случае, когда выходное напряжение каскада подается на устройство с очень большим входным сопротивлением. В нашей схеме роль такого сопротивления играет сопротивление резистора Ru переходной цепи, т. е. первое допущение справедливо, если Rn>RK. Однако в реальных условиях роль резистора. Ra играет небольшое входное сопротивние следующего каскада, поэтому нагрузка транзистора для постоянного тока не равна нагрузке для переменного тока. Второе допущение: внутреннее сопротивление источника сигнала будем считать одинаковым для постоянного и переменного токов (хотя в действительности это не так). Работа усилительного каскада зависит от исходного режима, т.е. от положения рабочей точки Т на характеристиках при отсутствии сигнала (режим по-постоянному току) и от амплитуды входного сигнала. Как видно из характеристик на рис. 3 и 4, исходный режим по постоянному току, т. е. исходное положение рабочей точки Т на характеристиках, зависит от напряжения источника смещения Еб, так как именно этим напряжением определяется (при отсутствии входного сигнала) ток базы IБ, а следовательно коллекторный ток Iк и напряжение UКэ. Таким образом, изменяя напряжение смещения на базе Е6, можно установить необходимое исходное положение рабочей точки Т на выходной характеристике транзистора. Каким же должно быть это положение? Если неправильно выбрать положение рабочей точки Т (рис. 6), то транзистор в процессе усиления будет периодически находиться в режиме насыщения (когда коллекторный ток максимален и не увеличивается, несмотря на продолжающееся увеличение амплитуды входного сигнала), либо в режиме отсечки (когда коллекторный ток минимален из-за запирания транзистора). В обоих случаях усиление сигнала будет происходить со значительными нелинейными искажениями, т. е. форма выходного тока усилительного каскада не будет соОтветствовать форме входного усиливаемого сигнала. Поэтому положение точки Т на выходной характеристике должно удовлетворять условиям: |Uкт|> UКэт+UКЭmin; | UКЭT| + UKЭmKЭmaxТаким образом, выяснив из приведенных соотношений исходное положение точки Т на выходной динамической характеристике, определяют соответствующей этому положению исходный ток базы IБT (см. рис. 4 — для нашего случая IБт = 0,6 мА). Затем, отыскав на входной динамической характеристике точку, соответствующую IБТ, определяют необходимое для создания этого тока напряжение смещения на базе U БЭ (по рис. 3 току IБГ = 0,6 мА необходимо напряжение смещения на базе UБ=0,37 В). Однако надо учитывать и мощностные возможности транзистора. Ведь, произведение напряжения Uкэ ,,, соответствующее точке Т, на ток коллектора Iк г — это мощность Рк, рассеиваемая на транзисторе в состоянии покоя. Она не должна превышать допустимую для данного транзистора Ркmах, иначе он перегреется и выйдет из строя. Поэтому условие для выбора транзистора по мощности: |UKaт|Iкт
Kmax.Рис. 6. График работы усилительного транзисторного каскада^ ЧТО ТАКОЕ РЕЖИМ УСИЛЕНИЯ? Усилительный каскад, схема которого приведена на рис. 5, а характеристики — на рис. 6, работает в так называемом режиме А. В этом режиме токи через транзистор протекают непрерывно в продолжение всего периода полезного сигнала (рис. 7). При этом коллекторный ток даже в отсутствие сигнала не исчезает, а оказывается равным току покоя Iк т. Во время действия входного сигнала коллекторный (выходной) ток изменяется около значения Iк т. В режиме А ток Iк т во избежание отсечки и появления значительных искажений должен быть больше амплитуды переменной составляющей Iк m. Поэтому даже в наивыгоднейшем режиме КПД каскада может достигнуть только 45%, но в этом случае усиление происходит с большими нелинейными искажениями, так как используются нелинейные участки характеристик. Остальные 55% энергии источника питания расходуются на нагрев транзисторов.^ Рис. 7. Форма коллекторного тока при работе однотактно-го усилительного каскада в режиме АОднако, если построить схему усилителя по принципу двухтактного усиления (рис. 8), то можно заставить транзисторы работать в значительно более экономичном режиме В. Двухтактный усилитель представляет собой совокупность двух однотактных, работающих на общую нагрузку. Каждый из усилителей называется плечом, причем оба плеча должны быть симметричны. Для обеспечения симметрии они должны иметь транзисторы с одинаковыми параметрами и симметричные режимы по постоянному току. Такие режимы выполняются, если первичная обмотка выходного трансформатора Т состоит из двух одинаковых частей, и их входные напряжения ив% i и йвхг симметричны, т. е. одинаковы по значению, но противоположны по фазе. Если условия полной симметрии плеч соблюдены, то составляющие токов аналогичных электродов обоих транзисторов равны. Однако на практике идеальной симметрии достигнуть невозможно. Поэтому считают, что симметрия хорошая, если постоянные составляющие коллекторных токов транзисторов различаются не более чем на 10 — 15%. Но пока будем считать симметрию полной, поскольку в этом случае можно ограничиться рассмотрением любой половины схемы. Если при работе усилителя в режиме А токи в коллекторных цепях транзисторов протекают непрерывно, то в режиме В каждое плечо двухтактного усилителя работает с отсечкой выходного тока. В режиме В смещение на базе транзисторов выбирают таким, чтобы угол отсечки выходного тока 0 получился равным п/2 (угол отсечки 9 равен выраженной в градусах половине продолжительности прохождения тока через транзистор). Тогда при синусоидальном входном сигнале транзистор одного плеча в течение половины периода изменения сигнала будет заперт, и усиление входного сигнала происходит только в другой половине периода (см. рис. 8,6).^ Рис. 8. Принципиальная схема двухтактного трансформаторного выходного каскада (а) и форма тока одного из плеч (б)Транзисторы обоих плеч каскада работают поочередно: один транзистор пропускает ток, другой заперт, а в следующий полупериод — наоборот. Таким образом, в режиме В постоянная составляющая коллекторного тока равна примерно одной трети амплитуды выходного тока Iк т. Первая гармоника выходного тока каскада пропорциональна амплитуде изменения коллекторного тока 1кт каждого транзистора и ее амплитуда Iвыхm = 0,51к т. Она больше постоянной составляющей в 1,5 раза, что является причиной высокого КПД каскада в режиме В. При максимальной мощности КПД достигает 78,5% (теоретически). Однако в работе транзисторов используются начальные и наиболее нелинейные участки входных характеристик, поэтому нелинейные искажения в этом режиме сравнительно велики (рис. 9,а). Когда входной сигнал отсутствует, то через коллекторы транзисторов вообще не должен протекать ток (так как транзисторы заперты смещением). В действительности через коллектор каждого транзистора протекает небольшой ток, равный обратному току коллектора IКБО.^ Рис. 9. Работа двухтактного каскада: а — в режиме В; б — в режиме АВОднотактный каскад может работать только в режиме А, двухтактный — в режиме А и в других режимах. В режиме А он работает сравнительно редко: лишь в тех случаях, когда желательно получить .минимально возможные нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Мощность, снимаемая с каждого транзистора, и КПД не имеют существенного значения. Промежуточным между описанными режимами А и В является режим АВ. Для перевода каскада в этот режим надо выбрать смещение таким, при котором угол отсечки Фк=120°. Конечно КПД каскада в режиме АВ меньше чем в режиме В, так как постоянная составляющая выходного тока Iк=0,41к т+Iк т. Поэтому КПД каскада не превышает 60%, но зато нелинейные искажения меньше, чем в режиме В, поскольку начальные и нелинейные участки входных характеристик транзисторов не искажают формы выходного сигнала. На практике ток Iкт устанавливают таким, чтобы характеристики обоих плеч схемы как бы дополняли одна другую, составляя общую прямую линию (рис. 9,6). Если напряжение смещения очень мало, то каскад перейдет в режим С. В этом режиме транзистор имеет высокий КПД, так как постоянная составляющая Iк очень мала по сравнению с Iк т, а угол отсечки ФК Все сказанное о выборе положения рабочей точки Т на характеристиках, о смещении, нелинейных искажениях и т. д. в полной мере относится к работе мощных транзисторов, у которых размах входного и выходного сигналов захватывает большую часть входной и выходной характеристик. При работе транзисторов с входным сигналом небольшого размаха положение рабочей точки на характеристике почти не меняется и нелинейные искажения не возникают. Однако и для таких транзисторов важен правильный выбор напряжения смещения, так как от положения рабочей точки на характеристике в» многом зависят такие параметры транзистора, как коэффициент передачи тока h21э и предельная частота fh12Э, определяющая работу транзистора на высоких частотах. Обычно следует ориентироваться на режим, рекомендуемый в справочниках: U кэ=5 В, Ik=1 мА. Но в принципе, этот режим не обязателен, не надо только ставить транзистор в крайние режимы, когда возникают нелинейные искажения, связанные с его работой на нелинейных участках характеристик (особенно при токах коллектора менее 0,5 — 0,6 мА). Кроме того при работе в максимальном режиме (коллекторное напряжение и ток максимальны) существенно снижается надежность транзистора.^ ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ Итак, мы убедились в необходимости достаточно обоснованного выбора положения работай точки маломощных и, особенно, мощных транзисторов. Но, если не принять специальных мер, то положение этой точки на характеристике самопроизвольно изменится при работе транзистора в результате изменения температуры окружающей среды и нагревания самого транзистора проходящими через него токами. В цепи коллектора протекает обратный ток IкБо, который зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10° С ток IKБO германиевого транзистора удваивается, а у кремниевых IKБO изменяется в 2,5 раза (правда, по значению этот ток значительно меньше, чем у германиевого транзистора, поэтому кремниевые более температуроустойчивы). Сам по себе ток IКБО незначителен; у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора Iк = Iкбо(h21э + 1) Например, если ток IКбо при 20° С составляет 5 мкА, то при 40° С, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА. И хотя увеличение тока на 16 мкА — это очень мало, ток коллектора изменится (при й31Э= = 25) на ДIк=ДIКБО(h21Э + 1) = 15(25+1) =390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, так как рабочий ток коллектора составляет 1 imA.^ Рис. 10. Токи и напряжения в транзисторном усилительном каскадеУвеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, поскольку ток базы IБ равен разности токов эмиттера и коллектора. Изменение же тока базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное изменение напряжения база — эмиттер приводит к значительным изменениям токов транзистора. Отсюда понятна зависимость режима работы транзистора от температурного изменения обратного тока коллектора IКБО. Для уменьшения этой зависимости необходимо снизить влияние изменения тока базы на значение напряжения на базе. Если увеличить ток делителя Iд в цепи базы (рис. 10), то уменьшится зависимость напряжений U± и Uz от тока базы IБ. Но для этого придется уменьшить сопротивление резисторов R1 и R2, что приведет к увеличению потребления энергии от источника питания и уменьшению входного сопротивления каскада, так как эти резисторы шунтируют цепь базы транзистора. Поэтому на практике ток делителя Iд для маломощных каскадов выбирают из условия: Iд>(5-10)IБ, а для мощных каскадов: Iд>(1-5)IБ. Чтобы не ухудшать КПД каскада, ток Iд выбирают не более 10 — 15% тока коллектора. Более действенный способ борьбы с температурной нестабильностью транзисторного каскада — включение в эмиттерную цепь резистора R3. При изменении токов Iк и IБ происходит изменение и тока эмиттера Iд. При увеличении тока Iэ увеличивается и падение напряжения IэRэ на резисторе RЭ, вследствие чего напряжение между базой и эмиттерам транзистора UБЭ = = — IДR2 + Uэ становится менее отрицательным, что препятствует дальнейшему увеличению тока IЭ. Таким образом в цепи RЭCЭ создается напряжение только за счет постоянной составляющей эмиттерного тока I3, которая зависит от температуры транзистора. С повышением температуры ток эмиттера возрастает, в результате увеличивается напряжение в цепи RЭC3. Но это приводит к уменьшению напряжения между базой и эмиттером транзистора, что сдерживает рост эмиттерного тока. В этом и заключается метод температурной стабилизации режима каскада за счет ООС по постоянному току. Чем ниже гранич-ная усиливаемая частота, тем больше должна быть емкость конденсатора Сэ. На практике в усилителе звуковых частот она должна быть не менее 500 — ,1000 мкФ в маломощных каскадах предварительного усиления и 1500 — 2000 мкФ в оконечных трансформаторных мощных каскадах. Из рис. 10 следует, что чем больше сопротивление резистора R3, тем эф- фективнее ООС по току и лучше стабилизация. Однако увеличение оопротив-ления резистора R3 требует увеличения напряжения питания Ек: U Кэ= = — Ek+IkRk+I3RЭ. Падение напряжения на резисторе RB не должно превышать значения U3 = (0,1 — 0,2)EK, тогда Rэ= (0,1 — 0,2)EK/Iэ. Из этого условия выбирают сопротивление резистора Ra. Сопротивления резисторов делителя базовой цепи (с учетом рассмотренных условий) можно рассчитать по формулам: Применяют и другие схемы температурной стабилизации режима (рис.11). Они обеспечивают меньшую стабилизацию, чем схема на рис. 10, но более экономичны в отношении источника питания (так как через резистор R1 протекает только небольшой ток базы). Кроме того они меньше шунтируют входное сопротивление транзистора, а значит, входное сопротивление таких каскадов выше, чем каскада, работающего по схеме на рис. 10. Наконец, для них требуется меньше деталей, что тоже немаловажно.Рис. 11. Схема каскада с фиксированным током базы (а) и схема усилительного каскада с ООС по коллекторному напряжению (б)Сопротивление резистора R1 в схеме на рис. 11,a можно подсчитать по формуле R1~EK/IB, а на рис. 11,6 R1=UКЭ/IБ.^ НЕМНОГО О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Полевые (униполярные) транзисторы обладают рядом преимуществ перед биполярными, главное -из которых — большое сопротивление входной цепи – управление током в таких транзисторах осуществляется изменением поперечного сечения проводящего канала (поэтому их называют также канальными транзисторами), которое происходит под воздействием разности потенциалов Между затвором и истоком (рис. 12). По конструкции полевые транзисторы бывают с р-я-переходом, а также со структурой металл-окисел-полупроводник. (JylOn-транзисторы) с встроенным или индуцированным каналом. В транзисторах с р-я-переходом и р-каналом на сток надо подавать отрицательное относительно истока напряжение, а на затвор — положительное. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока. На транзисторах с р-n-переходом и и-жаналом напряжение на стоке положительное относительно истока, а на затворе — отрицательное. Максимальный ток стока получают при нулевом смещении на затворе, а при увеличении пракладываемого к затвору напряжения (в направлении запирания) ток стока уменьшается. При изменении полярности напряжения на затворе появляется ток затвора и входное сопротивление каскада резко падает. В МОП-транзисторах к затвору можно прикладывать напряжение различной полярности и при этом их входное сопротивление остается высоким. В приборах с индуцированным каналом ток стока возрастает, если к затвору приложено напряжение в направлении возникновения проводящего канала, а со встроенным каналом при одной полярности напряжения на затворе ток стока возрастает, а при другой уменьшается. Надо отметить, что режим работы полевых транзисторов значительно меньше зависит от изменения температуры. Поэтому в тех случаях, когда к стабильности работы усилительного каскада не предъявляется особо жестких требований, можно обойтись схемой автомагического смещения на затворе. Еслв в схеме (рис. 12) исключить резистор R1, то автоматическое смещение на затворе будет определяться сопротивлением резистора R3. При наличии резистора R1 используется комбинированный способ подачи смещения: фиксированное смещение посредством делителя Rl, R2 плюс автоматическое смещение за счет-цепи R3C2. Сопротивления резисторов R1 и R2 могут достилать сотен килоом.Рис. 12. Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе^ КАК ИСПЫТАТЬ И НАЛАДИТЬ ВЫХОДНОЙ КАСКАД Итак, если в ремонтируемом или налаживаемом усилителе появились искажения, то прежде всего надо измерить режимы транзисторов по постоянному току и только после этого переходить к поиску других неисправностей. Наиболее быстро можно проверить усилительный каскад при помощи электронно-лучевого осциллографа в сочетании с генератором звуковой частоты. Генератор присоединяют ж входу, осциллограф — к выходу усилителя, и по форме и амплитуде колебаний на экране осциллографа судят о работоспособности каскада. Любое электронное устройство удобнее налаживать и настраивать покас-хадно или отдельными блоками. Для этого необходимо изолировать налаживаемый каскад и тем самым исключить влияние иа него цепей от других, возможно неисправных, каскадов. К его входу следует подключить генератор сигнала с выходным сопротивлением, равным выходному сопротивлению предыдущего каскада, а к выходу — индикатор выходного сигнала с входным сопротивлением, равным входному сопротивлению следующего за ним каскада. Речь идет о сопротивлениях переменному току, зависящих от многих факторов: ча-етоты и амплитуды сигнала, входных и выходных проводимостей транзисторов, наличия цепей обратных связей и пр., поэтому проще их измерять, а не определять расчетным путем. : Для этого измеряют напряжение ^ U на выходе исследуемого каскада при отключенном входе следующего. Затем вместо нагрузки к выходу каскада подключают резистор с таким сопротивлением R, чтобы показание вольтметра на выходе каскада было равно U/2, тогда выходное сопротивление каскада рав-яо R. При подобных измерениях на вход испытываемого каскада подают синусоидальный сигнал рабочей частоты и амплитуды, обеспечивающей на выходе каскада неискаженный сигнал.^ Рис. 13. Принципиальная схема мощного двухтактного выходного каскадаОбычно проверку и налаживание начинают с выходного блока или каскада — усилителя звуковой частоты (УЗЧ). Рассмотрим сначала трансформаторный выходной каскад (рис. .13). В УЗЧ реализованы два типа ОС: последоэательная по току за счет падения напряжения на резисторе R4 и последовательная по -напряжению за счет подачи части выходного напряжения с трансформатора Т2 в цепь эмиттера транзистора каскада предварительного усиления. Обратная связь по току увеличивает, а по напряжению уменьшает выходное сопротиввение каскада, поэтому его выходное сопротивление довольно трудно рассчитать. Лучше сначала хотя бы приблизительно определить работоспособность выходного каскада. Затем подключить предварительный усилитель и, измерив его входное сопротивление, подобрать соответствующее согласующее устройство между выходом генератора звуковой частоты (ЗГ) и входом усилителя. Такое согласующее устройство обычно состоит из двух резисторов: Лсог, включенного параллельно выходному сопротивлению генератора, и Rao6, включенного последовательно между выходом генератора и входом усилительного каскада (рис. 14).^ Рис. 14. Включение измерительных приборов при налаживании и измерении параметров выходного каскада УЗЧЕсли входное сопротивление каскада не равно выходному сопротивлению генератора, то необходимо подключить к концам кабеля генератора резистор RCot, сопротивление которого равно выходному сопротивлению генератора. Однако после этого общее сопротивление, подключенное к входу испытываемого каскада, станет равно: Rвых.общ=Rвых.генRсог/(Rвых.ген+Rсог). Если оно меньше выходного сопротивления отключенного блока Rвых.от.бл (что на практике бывает в подавляющем большинстве случаев), то для согласования этих сопротивлений надо включить последовательно добавочное сопротивление Rдоб = Rвых.от.бл — Rвых.общ. Для измерения переменного напряжения к выходу налаживаемого каскада следует подключить вольтметр и осциллограф. Однако, поскольку входные сопротивления этих приборов много больше полного сопротивления звуковой катушки головки громкоговорителя, на время налаживания (когда головку громкоговорителя отключают) к выходной обмотке трансформатора Т2 подключают нагрузочный резистор Rs, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки головки. Это сопротивление можно измерить тем же способом, что и входное сопротивление каскада. Схема соединения измерительных приборов с налаживаемым выходным каскадом УЗЧ показана на рис. 14. Звуковой генератор настраивают на частоту 1 кГц, а амплитуду его выходного напряжения устанавливают в пределах 2 — 3 В. При подаче напряжения питания на экране осциллографа возникает изображение синусоидального выходного сигнала. Отклонения формы напряжения от синусоидальной свидетельствуют о неправильно выбранном режиме транзисторов по постоянному току, самовозбуждении усилителя, неисправности трансформаторов и т. п. Заметить искажение фо
А. Г. Соболевский почему появились искажения?
А.Г.СОБОЛЕВСКИЙ ПОЧЕМУ ПОЯВИЛИСЬ ИСКАЖЕНИЯ?ПРЕДИСЛОВИЕ Многие радиолюбители стремятся создать аппаратуру, которая по качественным показателям не уступает серийной, а в отдельных случаях и превосходит ее. Выбрав, казалось бы, оправданную и качественную схему устройства, собрав ее, убеждаешься, что устройство работает значительно ниже своих возможностей. Дело в наладке, т. е. в том, правильно ли выдержаны режимы работы усилительных элементов, например, транзисторов, тщательно ли настроены колебательные контуры, верно ли подобраны коэффициенты усиления отдельны» каскадов. Конечно, совершенство электронной схемы радиоприемника или усилителя играет очень важную роль, но работа определяется, в первую очередь, качеством наладки. И можно быть уверенным, что простой по своей принципиальной схеме, но хорошо отлаженный радиоприемник будет работать куда лучше, чем собранный по сложной и совершенной схеме, но налаженный небрежно и неумело. Эта книга и рассказывает о налаживании радиоприемника. Но надо особо-подчеркнуть, что наладить современный транзисторный радиоприемник по существу невозможно без применения измерительных приборов. В самом деле, кш определить режим работы транзистора, настройку колебательных контуров, проверить чувствительность радиоприемника? Только при помощи измерений напряжений, токов, наблюдения формы колебаний, измерений их чаеюты. А для этого надо уметь пользоваться измерительной аппаратурой, знать правила подключения ее к анализируемому электронному устройству. Обо всем этом тоже рассказано в книге. Наконец, надо иметь представление о параметрах радиоприемника в целому Это необходимо для того, чтобы оценить работу уже готового и налаженного радиоприемника. Ведь понятие «хорошо работающий радиоприемник» еще мала о чем говорит. Нужно сравнить параметры его работы с эталонными, т. е. определенными ГОСТом. Для этого надо измерить его чувствительность, селективность, вносимые искажения. И тогда вы определите класс вашего радиоприемника и количественно оцените качество его работы. А значит, и «класс» вашей работы, ваших знании и умения. Итак, эта книга о том, как собранное электронное устройство превратите» & хорошо работающий супергетеродинный радиоприемник. Поверьте, это одит из самых увлекательных моментов в творчестве радиолюбителя. Отзывы о книге следует направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамп, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.Автор^ Издательство «Радио и связь», 1985 ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ О СВОЙСТВАХ ТРАНЗИСТОРОВ Современные электронные усилительные устройства работают на транзисторах и интегральных микросхемах. Аналоговая микросхема представляет «обой миниатюрный усилительный каскад или даже усилитель, изготовленный яа кристалле размером в несколько квадратных миллиметров. В состав интегральной микросхемы входят десятки л сотни транзисторов, резисторы и конденсаторы. Набор интегральных микросхем весьма обширен, включает в себя усилители звуковой, высокой и промежуточной частот для радиоприемников и телевизоров, различные каскады преобразователей частоты, специальные усилители (дифференциальные и операционные и пр.). Степень интеграции все возрастает, т. е. в одной микросхеме может умещаться все больше каскадов радиоприемника или даже телевизора. Но пока основой распространенных радиолюбительских конструкций остаются транзисторы, часто в сочетании с интегральными микросхемами. Если для нормальной работы микросхемы необходимо лишь обеспечить ей определенные напряжения питания (мы не говорим сейчас о подключении внешних дополнительных элементов и о подборе параметров внешних корректирующих цепей), то транзистор нуждается в правильном выборе режима работы. От этого зависят многие параметры устройства и возникающие при этом искажения усиливаемых сигналов. Особенно это относится к работе мощных транзисторов. В настоящее время в электронной аппаратуре применяются обычные транзисторы (биполярные) и полевые (униполярные). Биполярные имеют два р-n перехода. Они могут включаться по схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК) (рис. 1).^ Рис. 1. Принципиальные схемы включения транзисторов:в — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором (эмиттерный повторитель)В схеме включения ОБ (рис. 1,а) входным электродом является эмиттер, а выходным — коллектор. Входное сопротивление транзистора невелико (десятки ом), так как эмиттерный р-n переход включен в прямом направлении, выходное — большое, поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении. Такое сочетание входного и выходного сопротивлений неудобно для создания многокаскадных усилителей: трудно согласовать большое выходное сопротивление предыдущего с малым входным сопротивлением последующего каскада.^ Рис. 2. Структурная схема транзистора р-n-р типаИз рис. 2 видно, что входным является ток эмиттера IЭ. Часть его ответвляется в базу, образуя ток базы IБ, а другая — ток коллектора Iк. Таким образом, полезный управляемый ток коллектора, протекающий через нагрузку, составляет только часть входного тока эмиттера: Iк=Iэ — IБ, т. е. коэффициент передачи тока h21Э Следует отметить, что не весь ток коллектора Iк управляем. Если разорвать цепь эмиттера, то ток коллектора не исчезнет, а только значительно уменьшится и к тому же изменит направление. Такой ток называется обратным током коллектора IKБО. Он почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе UKБ, но зависит от температуры перехода. Чем меньше обратный ток коллектора IKБO, тем выше качество транзистора. Если включить транзистор по схеме 03 (рис. 1,6), то его коэффициент передачи тока равен приращению выходного тока коллектора ДIк к вызвавшему его приращению тока базы ДIБ. Следовательно ДIк/ДIБ=h21э что составляет девятки и даже сотни единиц. Значительно увеличивается (до сотен и тысяч ом) при включении транзистора по схеме ОЭ и входное сопротивление каскада, поскольку теперь входным является незначительный ток базы. Большое входное сопротивление удобно для согласования транзистора с предыдущим каскадом, так как в этом случае транзистор меньше шунтирует его. Поэтому включение транзистора по схеме ОЭ — это основная схема использования транзистора в усилительных каскадах. Схема включения ОБ применяется чаще всего в каскадах с двумя транзисторами. При включении транзистора по схеме (Ж (рис. 1,в) входным является ток базы, поэтому транзистор имеет достаточно большое входное сопротивление. Выходное сопротивление такого каскада мало, так как нагрузка включена в эмиттерную цепь, а переход включен в прямом направлении. Такая схема включения называется эмиттерным повторителем. Достоинство его состоит в том, что ток в эмиттерной нагрузке по фазе и полярности совпадает с входным током базы. В отношении же коэффициента передачи тока схема ОК. не уступает схеме ОЭ: ДIЭ/ДIБ=1+h21Э. Статический коэффициент передачи тока h21Э характеризует работу транзистора на постоянном токе. При работе транзистора в режиме усиления переменных электрических сигналов его усилительная способность в схеме ОЭ оценивается коэффициентом h21э, который тоже представляет собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока и называется козффициентом передачи тока; в режиме малого сигнала. Коэффициенты передачи тока зависят от токов и напряжений на электродах транзисторов. Обычно коэффициент передачи тока достигает максимума при некотором среднем токе эмиттера; именно это значение тока указывают в справочниках как рекомендуемое для измерения коэффициента передачи тока. Зависимость коэффициента передачи тока от коллекторного напряжения становится заметной только при очень малых или очень больших коллекторных напряжениях, но в таких режимах транзисторы не используются, особенно при максимальных коллекторных напряжениях, так как велика опасность пробоя перехода.^ КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ Зависимость тока входного электрода от напряжения на нем при постоянном напряжении выходного электрода называется входной статической характеристикой (рис. 3). Другими словами, для транзистора, включенного по схеме ОЭ, входная статическая характеристика представляет собой зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе. Если напряжение на коллекторе меняется, то характеристика тоже изменяется. Обычно снимают не одну, а семейство входных характеристик для различных напряжений UK3. Выходной статической характеристикой (рис. 4) называется зависимость . тока выходного электрода транзистора от напряжения на этом электроде при неизменном токе входного электрода. При включении транзистора по схеме ОЭ — это зависимость тока Iк от напряжения UK3 при неизменном токе базы IБ. Статические характеристики предполагают, что в коллекторную цепь транзистора не включено сопротивление нагрузки. Если такое сопротивление есть, то изменение тока коллектора происходит не тольке под действием изменения тока или напряжения на базе, но и под действием изменения напряжения на самом коллекторе. Это последнее изменение происходит потому, что при изменении коллекторного тока, протекающего через резистор нагрузки RK, происходит изменение падения напряжения на этом резисторе. А это значит, что в процессе усиления переменного сигнала на коллекторе транзистора, напряжение изменяется непрерывно и транзистор как бы непрерывно переходит с одной выходной статической характеристики на другую.Рис. 3. Входная характеристика транзистораРис. 4. Выходная характеристика транзистораПостроим на выходной статической характеристике линию, которая будет характеризовать ток коллектора в зависимости от изменяющегося коллекторного напряжения. Такую линию называют нагрузочной (динамической) выходной или рабочей характеристикой транзистора. Для ее построения предположим вначале, что транзистор заперт и ток коллектора равен нулю: Iк= =0. В этом случае напряжение на коллекторе равно напряжению Ек его источника питания, так как падение напряжения на нагрузке Rк отсутствует. На оси напряжений UКэ семейства статических выходных характеристик найдем точку, соответствующую иКэ — Ек. Эту точку нулевого тока обозначим М. Теперь найдем вторую крайнюю точку динамической характеристики из предположения, что напряжение на коллекторе транзистора иKЭ = 0, т. е. транзистор замкнут накоротко. В этом случае ток коллектора Ik=Ek/Rk. В действительности коллекторный ток таким быть не может, так как при нулевом коллекторном напряжении транзистор вообще не работает. Отметим, что теоретический максимальный ток на оси токов семейства статических коллекторных характеристик соответствует точке N. Таким образом, получили две крайние точки динамической выходной характеристики. Остальные точки лежат на прямой, соединяющей их. Так как уравнение Uk=Ek — IkRk — уравнение прямой линии, через точки М и N проведем прямую, которая и есть выходная динамическая характеристика. Если изменить сопротивление нагрузки Rк, например увеличить его до R’K, то ток I’k = Ek/R’k станет меньше Ik = EК/Rk и точка N опустится, а динамическая характеристика наклонится вниз, повернувшись вокруг точки М. При RK — oo коллекторный ток прекратится. Наоборот, если уменьшить Rk, то коллекторный ток увеличится и динамическая характеристика поднимется. Далее находят точки пересечения выходной динамический характеристики со статическими характеристиками при различных токах базы. Затем определяют соответствующие напряжения коллектора UK3 этих точек и строят по характеристике IБ(UКэ) точки динамической входной характеристики (см. рис. 3). Как видно из рис. 3, входная динамическая характеристика нелинейна (хотя и получена с помощью линейной выходной характеристики). Следовательно, во входной цепи усилителя возникают нелинейные искажения, т. е. если синусоидальное напряжение UБЭ входной цепи достаточно велико, то ток IБ будет нелинейным. Обычно в справочниках не приводят семейства входных статических характеристик для схемы ОЭ и для ОБ. Объясняется это тем, что коллекторное напряжение слабо влияет на входной ток, поэтому обычно ограничиваются двумя входными статическими характеристиками: при UКЭ =0 и 5 В. Если особой точности не требуется, то можно считать, что входная динамическая характеристика совпадает по форме с входной статической характеристикой при UКЭ= =5 В. При этом в действительности искажения в каскаде будут меньше, так как нелинейность входной динамической характеристики меньше нелинейности, входных статических характеристик. Бели теперь подать на базу транзистора переменное напряжение, то рабочая точка Т будет непрерывно перемещаться по динамической характеристике в соответствии с мгновенными значениями входного напряжения. Если положение рабочей точки, напряжения питании и сам транзистор выбраны неправильно, то могут появиться значительные искажения.^ Рис. 5. Схема усилительного транзисторного каскадаНа рис. 5 показана принципиальная схема простейшего усилительного каскада при включении транзистора по схеме ОЭ. Каскад содержит два источника питания: Ек — коллекторного напряжения и Еб — напряжения смещения. В реальном усилительном каскаде напряжение смещения получают от источника коллекторного напряжения. Сделаем два опущения. Первое: нагрузка RK каскада одинакова для постоянного и переменного токов. Такое допущение справедливо-только в том случае, когда выходное напряжение каскада подается на устройство с очень большим входным сопротивлением. В нашей схеме роль такого сопротивления играет сопротивление резистора Ru переходной цепи, т. е. первое допущение справедливо, если Rn>RK. Однако в реальных условиях роль резистора. Ra играет небольшое входное сопротивние следующего каскада, поэтому нагрузка транзистора для постоянного тока не равна нагрузке для переменного тока. Второе допущение: внутреннее сопротивление источника сигнала будем считать одинаковым для постоянного и переменного токов (хотя в действительности это не так). Работа усилительного каскада зависит от исходного режима, т.е. от положения рабочей точки Т на характеристиках при отсутствии сигнала (режим по-постоянному току) и от амплитуды входного сигнала. Как видно из характеристик на рис. 3 и 4, исходный режим по постоянному току, т. е. исходное положение рабочей точки Т на характеристиках, зависит от напряжения источника смещения Еб, так как именно этим напряжением определяется (при отсутствии входного сигнала) ток базы IБ, а следовательно коллекторный ток Iк и напряжение UКэ. Таким образом, изменяя напряжение смещения на базе Е6, можно установить необходимое исходное положение рабочей точки Т на выходной характеристике транзистора. Каким же должно быть это положение? Если неправильно выбрать положение рабочей точки Т (рис. 6), то транзистор в процессе усиления будет периодически находиться в режиме насыщения (когда коллекторный ток максимален и не увеличивается, несмотря на продолжающееся увеличение амплитуды входного сигнала), либо в режиме отсечки (когда коллекторный ток минимален из-за запирания транзистора). В обоих случаях усиление сигнала будет происходить со значительными нелинейными искажениями, т. е. форма выходного тока усилительного каскада не будет соОтветствовать форме входного усиливаемого сигнала. Поэтому положение точки Т на выходной характеристике должно удовлетворять условиям: |Uкт|> UКэт+UКЭmin; | UКЭT| + UKЭmKЭmaxТаким образом, выяснив из приведенных соотношений исходное положение точки Т на выходной динамической характеристике, определяют соответствующей этому положению исходный ток базы IБT (см. рис. 4 — для нашего случая IБт = 0,6 мА). Затем, отыскав на входной динамической характеристике точку, соответствующую IБТ, определяют необходимое для создания этого тока напряжение смещения на базе U БЭ (по рис. 3 току IБГ = 0,6 мА необходимо напряжение смещения на базе UБ=0,37 В). Однако надо учитывать и мощностные возможности транзистора. Ведь, произведение напряжения Uкэ ,,, соответствующее точке Т, на ток коллектора Iк г — это мощность Рк, рассеиваемая на транзисторе в состоянии покоя. Она не должна превышать допустимую для данного транзистора Ркmах, иначе он перегреется и выйдет из строя. Поэтому условие для выбора транзистора по мощности: |UKaт|Iкт
Kmax.Рис. 6. График работы усилительного транзисторного каскада^ ЧТО ТАКОЕ РЕЖИМ УСИЛЕНИЯ? Усилительный каскад, схема которого приведена на рис. 5, а характеристики — на рис. 6, работает в так называемом режиме А. В этом режиме токи через транзистор протекают непрерывно в продолжение всего периода полезного сигнала (рис. 7). При этом коллекторный ток даже в отсутствие сигнала не исчезает, а оказывается равным току покоя Iк т. Во время действия входного сигнала коллекторный (выходной) ток изменяется около значения Iк т. В режиме А ток Iк т во избежание отсечки и появления значительных искажений должен быть больше амплитуды переменной составляющей Iк m. Поэтому даже в наивыгоднейшем режиме КПД каскада может достигнуть только 45%, но в этом случае усиление происходит с большими нелинейными искажениями, так как используются нелинейные участки характеристик. Остальные 55% энергии источника питания расходуются на нагрев транзисторов.^ Рис. 7. Форма коллекторного тока при работе однотактно-го усилительного каскада в режиме АОднако, если построить схему усилителя по принципу двухтактного усиления (рис. 8), то можно заставить транзисторы работать в значительно более экономичном режиме В. Двухтактный усилитель представляет собой совокупность двух однотактных, работающих на общую нагрузку. Каждый из усилителей называется плечом, причем оба плеча должны быть симметричны. Для обеспечения симметрии они должны иметь транзисторы с одинаковыми параметрами и симметричные режимы по постоянному току. Такие режимы выполняются, если первичная обмотка выходного трансформатора Т состоит из двух одинаковых частей, и их входные напряжения ив% i и йвхг симметричны, т. е. одинаковы по значению, но противоположны по фазе. Если условия полной симметрии плеч соблюдены, то составляющие токов аналогичных электродов обоих транзисторов равны. Однако на практике идеальной симметрии достигнуть невозможно. Поэтому считают, что симметрия хорошая, если постоянные составляющие коллекторных токов транзисторов различаются не более чем на 10 — 15%. Но пока будем считать симметрию полной, поскольку в этом случае можно ограничиться рассмотрением любой половины схемы. Если при работе усилителя в режиме А токи в коллекторных цепях транзисторов протекают непрерывно, то в режиме В каждое плечо двухтактного усилителя работает с отсечкой выходного тока. В режиме В смещение на базе транзисторов выбирают таким, чтобы угол отсечки выходного тока 0 получился равным п/2 (угол отсечки 9 равен выраженной в градусах половине продолжительности прохождения тока через транзистор). Тогда при синусоидальном входном сигнале транзистор одного плеча в течение половины периода изменения сигнала будет заперт, и усиление входного сигнала происходит только в другой половине периода (см. рис. 8,6).^ Рис. 8. Принципиальная схема двухтактного трансформаторного выходного каскада (а) и форма тока одного из плеч (б)Транзисторы обоих плеч каскада работают поочередно: один транзистор пропускает ток, другой заперт, а в следующий полупериод — наоборот. Таким образом, в режиме В постоянная составляющая коллекторного тока равна примерно одной трети амплитуды выходного тока Iк т. Первая гармоника выходного тока каскада пропорциональна амплитуде изменения коллекторного тока 1кт каждого транзистора и ее амплитуда Iвыхm = 0,51к т. Она больше постоянной составляющей в 1,5 раза, что является причиной высокого КПД каскада в режиме В. При максимальной мощности КПД достигает 78,5% (теоретически). Однако в работе транзисторов используются начальные и наиболее нелинейные участки входных характеристик, поэтому нелинейные искажения в этом режиме сравнительно велики (рис. 9,а). Когда входной сигнал отсутствует, то через коллекторы транзисторов вообще не должен протекать ток (так как транзисторы заперты смещением). В действительности через коллектор каждого транзистора протекает небольшой ток, равный обратному току коллектора IКБО.^ Рис. 9. Работа двухтактного каскада: а — в режиме В; б — в режиме АВОднотактный каскад может работать только в режиме А, двухтактный — в режиме А и в других режимах. В режиме А он работает сравнительно редко: лишь в тех случаях, когда желательно получить .минимально возможные нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Мощность, снимаемая с каждого транзистора, и КПД не имеют существенного значения. Промежуточным между описанными режимами А и В является режим АВ. Для перевода каскада в этот режим надо выбрать смещение таким, при котором угол отсечки Фк=120°. Конечно КПД каскада в режиме АВ меньше чем в режиме В, так как постоянная составляющая выходного тока Iк=0,41к т+Iк т. Поэтому КПД каскада не превышает 60%, но зато нелинейные искажения меньше, чем в режиме В, поскольку начальные и нелинейные участки входных характеристик транзисторов не искажают формы выходного сигнала. На практике ток Iкт устанавливают таким, чтобы характеристики обоих плеч схемы как бы дополняли одна другую, составляя общую прямую линию (рис. 9,6). Если напряжение смещения очень мало, то каскад перейдет в режим С. В этом режиме транзистор имеет высокий КПД, так как постоянная составляющая Iк очень мала по сравнению с Iк т, а угол отсечки ФК Все сказанное о выборе положения рабочей точки Т на характеристиках, о смещении, нелинейных искажениях и т. д. в полной мере относится к работе мощных транзисторов, у которых размах входного и выходного сигналов захватывает большую часть входной и выходной характеристик. При работе транзисторов с входным сигналом небольшого размаха положение рабочей точки на характеристике почти не меняется и нелинейные искажения не возникают. Однако и для таких транзисторов важен правильный выбор напряжения смещения, так как от положения рабочей точки на характеристике в» многом зависят такие параметры транзистора, как коэффициент передачи тока h21э и предельная частота fh12Э, определяющая работу транзистора на высоких частотах. Обычно следует ориентироваться на режим, рекомендуемый в справочниках: U кэ=5 В, Ik=1 мА. Но в принципе, этот режим не обязателен, не надо только ставить транзистор в крайние режимы, когда возникают нелинейные искажения, связанные с его работой на нелинейных участках характеристик (особенно при токах коллектора менее 0,5 — 0,6 мА). Кроме того при работе в максимальном режиме (коллекторное напряжение и ток максимальны) существенно снижается надежность транзистора.^ ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ Итак, мы убедились в необходимости достаточно обоснованного выбора положения работай точки маломощных и, особенно, мощных транзисторов. Но, если не принять специальных мер, то положение этой точки на характеристике самопроизвольно изменится при работе транзистора в результате изменения температуры окружающей среды и нагревания самого транзистора проходящими через него токами. В цепи коллектора протекает обратный ток IкБо, который зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10° С ток IKБO германиевого транзистора удваивается, а у кремниевых IKБO изменяется в 2,5 раза (правда, по значению этот ток значительно меньше, чем у германиевого транзистора, поэтому кремниевые более температуроустойчивы). Сам по себе ток IКБО незначителен; у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора Iк = Iкбо(h21э + 1) Например, если ток IКбо при 20° С составляет 5 мкА, то при 40° С, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА. И хотя увеличение тока на 16 мкА — это очень мало, ток коллектора изменится (при й31Э= = 25) на ДIк=ДIКБО(h21Э + 1) = 15(25+1) =390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, так как рабочий ток коллектора составляет 1 imA.^ Рис. 10. Токи и напряжения в транзисторном усилительном каскадеУвеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, поскольку ток базы IБ равен разности токов эмиттера и коллектора. Изменение же тока базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное изменение напряжения база — эмиттер приводит к значительным изменениям токов транзистора. Отсюда понятна зависимость режима работы транзистора от температурного изменения обратного тока коллектора IКБО. Для уменьшения этой зависимости необходимо снизить влияние изменения тока базы на значение напряжения на базе. Если увеличить ток делителя Iд в цепи базы (рис. 10), то уменьшится зависимость напряжений U± и Uz от тока базы IБ. Но для этого придется уменьшить сопротивление резисторов R1 и R2, что приведет к увеличению потребления энергии от источника питания и уменьшению входного сопротивления каскада, так как эти резисторы шунтируют цепь базы транзистора. Поэтому на практике ток делителя Iд для маломощных каскадов выбирают из условия: Iд>(5-10)IБ, а для мощных каскадов: Iд>(1-5)IБ. Чтобы не ухудшать КПД каскада, ток Iд выбирают не более 10 — 15% тока коллектора. Более действенный способ борьбы с температурной нестабильностью транзисторного каскада — включение в эмиттерную цепь резистора R3. При изменении токов Iк и IБ происходит изменение и тока эмиттера Iд. При увеличении тока Iэ увеличивается и падение напряжения IэRэ на резисторе RЭ, вследствие чего напряжение между базой и эмиттерам транзистора UБЭ = = — IДR2 + Uэ становится менее отрицательным, что препятствует дальнейшему увеличению тока IЭ. Таким образом в цепи RЭCЭ создается напряжение только за счет постоянной составляющей эмиттерного тока I3, которая зависит от температуры транзистора. С повышением температуры ток эмиттера возрастает, в результате увеличивается напряжение в цепи RЭC3. Но это приводит к уменьшению напряжения между базой и эмиттером транзистора, что сдерживает рост эмиттерного тока. В этом и заключается метод температурной стабилизации режима каскада за счет ООС по постоянному току. Чем ниже гранич-ная усиливаемая частота, тем больше должна быть емкость конденсатора Сэ. На практике в усилителе звуковых частот она должна быть не менее 500 — ,1000 мкФ в маломощных каскадах предварительного усиления и 1500 — 2000 мкФ в оконечных трансформаторных мощных каскадах. Из рис. 10 следует, что чем больше сопротивление резистора R3, тем эф- фективнее ООС по току и лучше стабилизация. Однако увеличение оопротив-ления резистора R3 требует увеличения напряжения питания Ек: U Кэ= = — Ek+IkRk+I3RЭ. Падение напряжения на резисторе RB не должно превышать значения U3 = (0,1 — 0,2)EK, тогда Rэ= (0,1 — 0,2)EK/Iэ. Из этого условия выбирают сопротивление резистора Ra. Сопротивления резисторов делителя базовой цепи (с учетом рассмотренных условий) можно рассчитать по формулам: Применяют и другие схемы температурной стабилизации режима (рис.11). Они обеспечивают меньшую стабилизацию, чем схема на рис. 10, но более экономичны в отношении источника питания (так как через резистор R1 протекает только небольшой ток базы). Кроме того они меньше шунтируют входное сопротивление транзистора, а значит, входное сопротивление таких каскадов выше, чем каскада, работающего по схеме на рис. 10. Наконец, для них требуется меньше деталей, что тоже немаловажно.Рис. 11. Схема каскада с фиксированным током базы (а) и схема усилительного каскада с ООС по коллекторному напряжению (б)Сопротивление резистора R1 в схеме на рис. 11,a можно подсчитать по формуле R1~EK/IB, а на рис. 11,6 R1=UКЭ/IБ.^ НЕМНОГО О ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Полевые (униполярные) транзисторы обладают рядом преимуществ перед биполярными, главное -из которых — большое сопротивление входной цепи – управление током в таких транзисторах осуществляется изменением поперечного сечения проводящего канала (поэтому их называют также канальными транзисторами), которое происходит под воздействием разности потенциалов Между затвором и истоком (рис. 12). По конструкции полевые транзисторы бывают с р-я-переходом, а также со структурой металл-окисел-полупроводник. (JylOn-транзисторы) с встроенным или индуцированным каналом. В транзисторах с р-я-переходом и р-каналом на сток надо подавать отрицательное относительно истока напряжение, а на затвор — положительное. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока. На транзисторах с р-n-переходом и и-жаналом напряжение на стоке положительное относительно истока, а на затворе — отрицательное. Максимальный ток стока получают при нулевом смещении на затворе, а при увеличении пракладываемого к затвору напряжения (в направлении запирания) ток стока уменьшается. При изменении полярности напряжения на затворе появляется ток затвора и входное сопротивление каскада резко падает. В МОП-транзисторах к затвору можно прикладывать напряжение различной полярности и при этом их входное сопротивление остается высоким. В приборах с индуцированным каналом ток стока возрастает, если к затвору приложено напряжение в направлении возникновения проводящего канала, а со встроенным каналом при одной полярности напряжения на затворе ток стока возрастает, а при другой уменьшается. Надо отметить, что режим работы полевых транзисторов значительно меньше зависит от изменения температуры. Поэтому в тех случаях, когда к стабильности работы усилительного каскада не предъявляется особо жестких требований, можно обойтись схемой автомагического смещения на затворе. Еслв в схеме (рис. 12) исключить резистор R1, то автоматическое смещение на затворе будет определяться сопротивлением резистора R3. При наличии резистора R1 используется комбинированный способ подачи смещения: фиксированное смещение посредством делителя Rl, R2 плюс автоматическое смещение за счет-цепи R3C2. Сопротивления резисторов R1 и R2 могут достилать сотен килоом.Рис. 12. Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе^ КАК ИСПЫТАТЬ И НАЛАДИТЬ ВЫХОДНОЙ КАСКАД Итак, если в ремонтируемом или налаживаемом усилителе появились искажения, то прежде всего надо измерить режимы транзисторов по постоянному току и только после этого переходить к поиску других неисправностей. Наиболее быстро можно проверить усилительный каскад при помощи электронно-лучевого осциллографа в сочетании с генератором звуковой частоты. Генератор присоединяют ж входу, осциллограф — к выходу усилителя, и по форме и амплитуде колебаний на экране осциллографа судят о работоспособности каскада. Любое электронное устройство удобнее налаживать и настраивать покас-хадно или отдельными блоками. Для этого необходимо изолировать налаживаемый каскад и тем самым исключить влияние иа него цепей от других, возможно неисправных, каскадов. К его входу следует подключить генератор сигнала с выходным сопротивлением, равным выходному сопротивлению предыдущего каскада, а к выходу — индикатор выходного сигнала с входным сопротивлением, равным входному сопротивлению следующего за ним каскада. Речь идет о сопротивлениях переменному току, зависящих от многих факторов: ча-етоты и амплитуды сигнала, входных и выходных проводимостей транзисторов, наличия цепей обратных связей и пр., поэтому проще их измерять, а не определять расчетным путем. : Для этого измеряют напряжение ^ U на выходе исследуемого каскада при отключенном входе следующего. Затем вместо нагрузки к выходу каскада подключают резистор с таким сопротивлением R, чтобы показание вольтметра на выходе каскада было равно U/2, тогда выходное сопротивление каскада рав-яо R. При подобных измерениях на вход испытываемого каскада подают синусоидальный сигнал рабочей частоты и амплитуды, обеспечивающей на выходе каскада неискаженный сигнал.^ Рис. 13. Принципиальная схема мощного двухтактного выходного каскадаОбычно проверку и налаживание начинают с выходного блока или каскада — усилителя звуковой частоты (УЗЧ). Рассмотрим сначала трансформаторный выходной каскад (рис. .13). В УЗЧ реализованы два типа ОС: последоэательная по току за счет падения напряжения на резисторе R4 и последовательная по -напряжению за счет подачи части выходного напряжения с трансформатора Т2 в цепь эмиттера транзистора каскада предварительного усиления. Обратная связь по току увеличивает, а по напряжению уменьшает выходное сопротиввение каскада, поэтому его выходное сопротивление довольно трудно рассчитать. Лучше сначала хотя бы приблизительно определить работоспособность выходного каскада. Затем подключить предварительный усилитель и, измерив его входное сопротивление, подобрать соответствующее согласующее устройство между выходом генератора звуковой частоты (ЗГ) и входом усилителя. Такое согласующее устройство обычно состоит из двух резисторов: Лсог, включенного параллельно выходному сопротивлению генератора, и Rao6, включенного последовательно между выходом генератора и входом усилительного каскада (рис. 14).^ Рис. 14. Включение измерительных приборов при налаживании и измерении параметров выходного каскада УЗЧЕсли входное сопротивление каскада не равно выходному сопротивлению генератора, то необходимо подключить к концам кабеля генератора резистор RCot, сопротивление которого равно выходному сопротивлению генератора. Однако после этого общее сопротивление, подключенное к входу испытываемого каскада, станет равно: Rвых.общ=Rвых.генRсог/(Rвых.ген+Rсог). Если оно меньше выходного сопротивления отключенного блока Rвых.от.бл (что на практике бывает в подавляющем большинстве случаев), то для согласования этих сопротивлений надо включить последовательно добавочное сопротивление Rдоб = Rвых.от.бл — Rвых.общ. Для измерения переменного напряжения к выходу налаживаемого каскада следует подключить вольтметр и осциллограф. Однако, поскольку входные сопротивления этих приборов много больше полного сопротивления звуковой катушки головки громкоговорителя, на время налаживания (когда головку громкоговорителя отключают) к выходной обмотке трансформатора Т2 подключают нагрузочный резистор Rs, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки головки. Это сопротивление можно измерить тем же способом, что и входное сопротивление каскада. Схема соединения измерительных приборов с налаживаемым выходным каскадом УЗЧ показана на рис. 14. Звуковой генератор настраивают на частоту 1 кГц, а амплитуду его выходного напряжения устанавливают в пределах 2 — 3 В. При подаче напряжения питания на экране осциллографа возникает изображение синусоидального выходного сигнала. Отклонения формы напряжения от синусоидальной свидетельствуют о неправильно выбранном режиме транзисторов по постоянному току, самовозбуждении усилителя, неисправности трансформаторов и т. п. Заметить искажение фо