Для иллюстрации на Р-109 приведена схема многокаскадного усилителя НЧ. В целом она не имеет практического смысла, это не более чем учебная схема. В ней собраны разные усилительные каскады и схемы межкаскадной связи, причем схемы каждого каскада и любой пары соседних каскадов вполне реальны, многие из них можно встретить в практических схемах усилителей К-1, К-7, К-13 и в других.
Р-109
Первый каскад учебного усилителя Р-109 — это привычный уже усилитель по схеме ОЭ. По постоянному току его эмиттер «поднят», имеет некоторое напряжение относительно общего провода. По переменному току эмиттер заземлен через Сэ и таким образом соединен с одним из проводов источника сигнала. В третьем каскаде по переменному току заземлен через Сф коллектор — каскад собран по схеме ОК. По постоянному току коллектор заземлить нельзя — на него подается «минус» питающего напряжения, а заземлен «плюс» батареи Бк. Второй каскад тоже собран по схеме ОК, но здесь коллектор заземлен не через конденсатор, как в предыдущем каскаде, а непосредственно заземлен и по переменному, и по постоянному току. Потому что в этом каскаде работает транзистор обратной проводимости и на коллектор подается «плюс», заземленный в данной схеме питания. Кстати, заземлять «плюс» питания совсем не обязательно, можно заземлить и «минус», все зависит от того, каких транзисторов в схеме больше и по каким схемам они в основном включены.
Т-192. Чтобы устранить паразитные связи между каскадами, в цепь питания включают фильтры и шунтируют батарею конденсатором. Внутреннее сопротивление источника питания невелико, у батарейки карманного фонаря, например, это доли ома, в худшем случае несколько ом. И казалось бы, можно считать, что для переменного тока «минус» батареи просто заземлен и что вместе с ним по переменному току заземлены все точки схемы, соединенные с этим «минусом». Однако же пренебречь собственным сопротивлением источника, считать «минус» заземленным по переменному току можно только в самых простых маломощных усилителях. Потому что внутреннее сопротивление источника есть элемент никому не нужных связей между каскадами и в многокаскадном усилителе такая паразитная связь сплошь и рядом приводит к самовозбуждению, к превращению усилителя в генератор.
Механизм появления паразитной связи по питанию очень прост. Переменная составляющая какого-либо коллекторного тока проходит по внутреннему сопротивлению источника и создает на нем переменное напряжение, которое неизбежно попадает на коллектор, а через резистор смещения и на базы других транзисторов (Р-110;1). Способ борьбы с этой неприятностью тоже несложен — источник питания шунтируют конденсатором Сф (Р-110;2), через который все переменные составляющие замыкаются беспрепятственно. Кроме того, в цепи включают развязывающие фильтры, задача которых — замкнуть переменную составляющую коллекторного тока на месте, вблизи транзистора, не пустить ее в общие цепи питания.
Р-110
Бывает, что через один развязывающий фильтр питается один каскад, бывает, что несколько, а иногда питание на транзистор попадает через несколько фильтров.
Т-193. Составной транзистор — простейший двухкаскадный усилитель, в котором входная цепь второго транзистора сама служит нагрузкой первого. Емкость разделительного, или, иначе, переходного, конденсатора Ср, через который сигнал передается из коллекторной цепи на базу следующего каскада, выбирается с учетом усиливаемой частоты: чем более низкие частоты нужно усиливать, тем больше должна быть эта емкость. Потому что с уменьшением частоты растет емкостное сопротивление конденсатора (Т-76), и чтобы сопротивление это не оказалось слишком большим, чтобы переходной конденсатор не забрал себе (Т-8) заметную часть усиленного сигнала, приходится увеличивать его емкость, уменьшая тем самым емкостное сопротивление. В транзисторных высокочастотных усилителях емкость переходного конденсатора обычно составляет 10–50 тысяч пикофарад, в низкочастотных усилителях — 10–50 микрофарад. Здесь многое еще зависит от нагрузки и особенно от входного сопротивления следующего каскада, потому что это сопротивление вместе с емкостным сопротивлением переходного конденсатора образуют делитель напряжения. В самом общем виде можно так изложить соображения по выбору переходного конденсатора: его емкостное сопротивление на самой низкой из усиливаемых частот должно быть значительно меньше, чем входное сопротивление транзистора, на вход которого этот конденсатор передает усиленный сигнал.
Есть особый класс усилителей, который рассчитан на усиление очень медленно меняющихся сигналов. Настолько медленно, что большие отрезки времени, целые часы, а то и сутки сигнал вообще остается постоянным. Эти усилители так и называют — усилителями постоянного тока, или, сокращенно, УПТ. В качестве примера УПТ можно назвать усилитель, задача которого — поднять уровень сигнала, поступающего с фотоэлемента в автомате включения уличного освещения (Т-265). Уровень сигнала на входе такого УПТ может измениться на какие-то проценты в течение целого часа, говорить о частоте сигнала здесь вообще трудно, настолько она мала. И если бы пришлось подбирать переходные конденсаторы для такого УПТ, то их емкость, наверное, должна была бы измеряться миллионами, а то и миллиардами микрофарад. Конденсаторов с такими емкостями не существует, и многокаскадные усилители постоянного тока собирают вообще без переходных конденсаторов, соединяя коллекторную нагрузку с входом следующего каскада непосредственно, просто проводником. Здесь появляются свои трудности, в частности, постоянное напряжение с коллектора попадает на базу следующего транзистора, и нужно сделать так, чтобы оно не нарушило режим этого второго транзистора по постоянному току. Но это задачи решенные, и УПТ довольно часто можно встретить, особенно в устройствах автоматики.
Разновидность усилителей постоянного тока — это так называемые составные транзисторы, где нет уже не только переходных конденсаторов, но л самой коллекторной нагрузки первого каскада — роль этой нагрузки выполняет входное сопротивление следующего каскада (Р-111;1,2). Иногда в составной транзистор входят три, а то и четыре отдельных прибора (Р-111;3). Составной транзистор можно рассматривать как один усилительный прибор, характеристики которого определяются всеми вошедшими в него отдельными транзисторами и их взаимным соединением. В частности, общий коэффициент усиления В равен произведению этих коэффициентов всех транзисторов.
Р-111
Одно достоинство составного транзистора сразу же бросается в глаза — в нем нет «лишних деталей», нет конденсаторов, резисторов. А вот другое достоинство: составной транзистор из-за того, что в нем нет переходных конденсаторов, усиливает самые низкие частоты, что, кстати, относится ко всем УПТ. Но, конечно, эти достоинства не достаются бесплатно: из-за взаимной связи транзисторов по постоянному току составной транзистор очень чувствителен к изменениям питающих напряжений и температуры. А кроме того, из-за трудностей согласования входных и выходных сопротивлений внутри самого составного транзистора, не удается выжать из усилительных приборов все, что они могли бы отдать в обычных схемах. Составные транзисторы часто можно встретить в полупроводниковых интегральных схемах (Т-303), где особо ценится возможность экономить конденсаторы или резисторы.
Т-194. Двухтактный усилитель: транзисторы поочередно посылают к нагрузке токи разного направления, которые в самой нагрузке суммируются. Если не хватает мощности одного транзистора, то в принципе можно (на практике стараются этого не делать) соединить два транзистора параллельно. А можно сложить выходные сигналы двух транзисторов иным способом — создать так называемый двухтактный усилитель. Когда-то двухтактные усилительные схемы называли «пушпул», что в переводе на русский значит «тянитолкай». Так, кстати, звали одного из ближайших помощников доктора Айболита— лошадь, у которой было две головы — одна спереди, другая сзади. Это удивительное животное называется Пуш-ми-Пул-ми в сказке Гью Лофтинга «Доктор Дулитл», которую в свое время пересказал нам Корней Иванович Чуковский. Головы Тянитолкая поочередно спят и кушают, и животное всегда следит, чтобы к нему не подкрался охотник. Именно поэтому, уверяет автор, Тянитолкая до сих пор нет ни в одном зоопарке.
Электронный тянитолкай, двухтактный усилитель, никак не отнесешь к редким явлениям. Двухтактные каскады очень широко используются в усилительной технике, и прежде всего в мощных каскадах усилителей НЧ. Сначала несколько слов о том, «как это делается», а затем, что дает.
Простейшая двухтактная схема на транзисторах одинаковой проводимости показана на Р-112;1. На базы транзисторов Т1 и Т2 усиливаемые сигналы подаются в противофазе. В данном случае эта задача решена с помощью входного трансформатора Трвх с двумя вторичными обмотками IIа и IIб, но существуют и иные способы получения двух противофазных сигналов (Т-196).
Р-112
То, что напряжения Uвх1 и Uвх2 именно противофазны относительно средней точки, связано только с определенным включением обмоток IIа и IIб. Не забудьте: поменять местами концы обмотки — это значит повернуть фазу на 180° (Т-171). Противофазными напряжения Uвх1 и Uвх2 получаются в том случае, если обмотки II а и II б намотаны в одну сторону и начало одной из них соединено с концом другой. То есть если сделан отвод от средней точки всей вторичной обмотки (Р-113;1).
Поскольку напряжения на базах Т1 и Т2 действуют в противофазе, то и сами коллекторные токи этих транзисторов тоже меняются в противофазе: когда один нарастает, второй уменьшается. Эти токи проходят каждый по своей секции I