Л. — Незнайкин, ты просто лишился воображения. Включи такой диод между катодом и корпусом усилителя (рис. 41). Катод будет иметь положительный и почти постоянный потенциал, потому что напряжение на выводах диода Зенера практически не зависит от проходящего по диоду тока, т. е. от анодного тока. У тебя отпадает надобность в конденсаторе, а следовательно, исчезнут и низкочастотные искажения.
Рис. 41.Диод Зенера поддерживает между катодом и корпусом постоянное напряжение UK= |U3| (напряжение Зенера), которое не зависит от катодного тока. Этот метод катодного смещения пригоден для самых низких частот.
Н. — Вот это здорово! Любопытный пример сотрудничества полупроводниковых приборов и ламп, которые обычно выступают как смертельные враги.
Л. — Нет, Незнайкин, полупроводниковые приборы лампам не враги, и их можно заставить прекрасно работать вместе. А теперь, когда мы полностью устранили неприятности, которые чинил нам конденсатор С1, можно заняться и конденсатором С2.
Н. — Я предполагаю, что мы и его уберем из схемы.
Л. — И ты не ошибся, но необходимо проявить осторожность. Что произойдет, если анод первой лампы соединить непосредственно с сеткой второй лампы?
Н. — Любознайкин, ведь уже давно я предложил это тебе, но ты совершенно справедливо возразил, что слишком положительная сетка следующей лампы притянула бы к себе все электроны.
Л. — Но теперь, когда я сделал катод следующей лампы еще более положительным, чем сетка, этого не случится. Предположим, что анодное напряжение для питания первой лампы равно 100 в, что напряжение на ее аноде 60 в; тогда, если мы хотим иметь напряжение смещения на сетке второй лампы -4 в, нам нужно будет подать на ее катод напряжение 64 в.
Н. — А система получилась совсем неглупая! Какова же нижняя граница усиливаемой частоты — я не вижу ничего, что могло бы ее ограничивать?
Л. — Совершенно правильно; нельзя видеть то, чего нет! Предельная частота просто равна нулю. Мы получили усилитель постоянного тока: если на вход подать постоянное напряжение, то и на выходе получим такое же.
Н. — Чудесно. Но я вижу в твоей схеме один серьезный недостаток. Напряжение на катоде второй лампы +64 в, следовательно, напряжение анода значительно выше. А если этот анод соединить с сеткой третьей лампы, положение еще ухудшится…
Л. — В этом действительно заключается главный недостаток этой системы, которая применяется только для двух или максимум для трех каскадов. Но что ты скажешь о схеме на рис. 42?
Н. — Любопытно! Более или менее обычная схема, но меня удивляет эта батарея, включенная в цепочку связи между анодом Л1 и сеткой Л2.
Рис. 42. Батарея с напряжением 64 в позволяет соединить сетку лампы Л2 с анодом Л1 и передавать постоянную составляющую.
Л. — Подумай. Она поддерживает на постоянном уровне разность потенциалов между анодом Л1 и сеткой Л2; потенциал сетки всегда —64 в относительно анода Л1 и, следовательно, — 4 в относительно корпуса, когда потенциал анода Л1 относительно корпуса составляет +60 в. Поэтому катод Л2можно соединить с корпусом.
Н. — Очень хитро. Это прекрасное решение проблемы создания многокаскадных усилителей постоянного тока.
Л. — Но оно далеко не идеальное. Прежде всего скажем, что батареи громоздки, много весят, дорого стоят, образуют с корпусом значительные паразитные емкости, а кроме того, истощаются.
Н. — Однако они ведь не отдают никакого тока.
Л. — О, знаешь ли ты, что иногда между рекламными заявлениями и реальной действительностью — целая пропасть. На каждый каскад требуется батарея и лучше заменить батарею небольшой неоновой лампой. Взгляни на схему рис. 43.
Рис. 43.Неоновая лампа Л3, поддерживаемая в ионизированном состоянии, подключена через резистор к источнику — Е и играет такую же роль, что и батарея на рис. 42.
Когда по маленькой неоновой лампе Л3 протекает не очень большой ток, на ее выводах поддерживается постоянное напряжение. Сетку лампы Л2 подключают к источнику достаточно высокого отрицательного напряжения через резистор R2, обладающий довольно большим сопротивлением. Таким образом заставляют ток проходить через лампу Л3, поддерживая газ в ней в ионизированном состоянии. Этот ток очень мал по сравнению с анодным током лампы Л1; неоновая лампа играет роль батареи со схемы на рис. 42. Подобную систему применяют преимущественно в последних каскадах усилителей с прямой связью.
Н. — В принципе твоя неоновая лампа действует как диод Зенера; почему бы не заменить ее одним таким диодом?
Л. — Вообще-то можно, но в схемах с довольно высокими напряжениями и малыми токами предпочтение следует отдать не диодам Зенера, а неоновым лампам. Однако надо учесть, что они обладают одним недостатком: полученное на выводах лампы Л3 напряжение не совсем постоянно, ибо содержит переменную составляющую (ее называют напряжением «дыхания» или «свиста»); из-за этой помехи данным способом не следует пользоваться в первых каскадах усилителей с характерными для них низкими напряжениями сигнала.
Н. — Что же тогда делать с первыми каскадами?
Л. — Сейчас я расскажу тебе о методе, который годится для всех каскадов. Для облегчения восприятия воспользуюсь числовым примером. Предположим (рис. 44), что напряжение на аноде Л1равно +60 в.
Рис. 44.Ток, протекающий по резистору R2, создает падение напряжения 64 в и тем самым заменяет батарею, показанную на рис. 42.
Я соединяю анод этой лампы с сеткой следующей резистором R2 сопротивлением 1 Мом, эта сетка через резистор R3сопротивлением 5 Мом подключена к потенциалу — 324 в. Так как сеточный ток в лампе Л2 полностью отсутствует, один и тот же ток протекает по резисторам R2и R3 (впрочем, этот ток по сравнению с анодным током лампы Л1 очень невелик). Падение напряжения на выводах резистора R3 в 5 раз больше падения напряжения на резисторе R2. Обрати внимание, что полное напряжение на цепочке из двух резисторов R2 — R3составляет 60 в + 324 в = 384 в. В этих условиях падение напряжения составит 64 в на R2и 320 в на R3, а потенциал сетки лампы Л2 относительно корпуса будет —4 в. Как ты видишь, резистор R2 в известной мере играет роль неоновой лампы (см. рис. 43) или батареи (см. рис. 42).
Н. — Здесь я с тобой, Любознайкин, не согласен. Падение напряжения на этом резисторе нестабильное: если потенциал анода Л1 увеличится, то в такой же мере увеличится и падение напряжения на резисторе.
Л. — Совершенно верно, но падение напряжения изменится в 6 раз меньше, чем изменится анодное напряжение. Иначе говоря, резисторы R2 и R3 образуют делитель анодного напряжения с отношением 5:6. Разумеется, что в этом случае на сетке лампы Л2 мы получим лишь 5/6 переменной составляющей с анода Л1, но будем иметь по крайней мере 64 в постоянного напряжения. На практике, конечно, не пользуются отрицательным напряжением — 324 в, а применяют принятые значения и соответствующим образом подбирают резисторы R2 и R3.
Н. — Система неплохая. Создавая прямую связь, мы начали с батареи, перешли на неоновую лампу и закончили резистором, т. е. шли по пути упрощения. Но в схеме есть один элемент, который меня беспокоит; в цепи сетки лампы Л2 последовательно включен резистор R2 сопротивлением 1 Мом, но он неблагоприятно повлияет на усиление высоких частот.
Л. — Изображенная на рис. 44 схема, конечно, гибельна для высоких частот. Но обычно все можно благополучно устроить, включив параллельно резистору R2 небольшой конденсатор. Конденсатор нужно подобрать таким образом, чтобы произведение его емкости на сопротивление резистора R2 было равно произведению паразитной емкости входа лампы Л2 Свх на R3, тогда влияние резистора R2 на высокие частоты будет устранено.
Если C·R2 = CвхRз(или здесь С = 5·Свх), то делитель напряжения R2||C/R3||Свх «апериодический» (он одинаково пропускает все частоты). Описанное сейчас мною решение считается классическим. Но мне больше нравится другое, более хитрое, которое радисты упорно не хотят знать. Я нашел это решение в одном известном иностранном журнале по электронике, который, по моему мнению, читают очень много специалистов (но вероятно, только я обратил внимание на сообщение о названном решении).
Н. — Скорее объясни мне суть дела: я сгораю от нетерпения узнать от тебя секрет.
Л.