Л. — Разве ты не догадываешься, Незнайкин, о существовании устройства, позволяющего преобразовывать сопротивления. Это делает возможным соединять два каскада, сопротивления которых нельзя было бы соединять непосредственно.
Н. — Не стоит даже думать, так как я все равно не вижу средства для достижения этой цели.
Л. — Это просто-напросто трансформатор (рис. 145).
Рис. 145.Применение трансформатора позволяет согласовать сопротивления нагрузки и источника.
Индуктивное сопротивление его первичной обмотки должно иметь тот же порядок, что и внутреннее сопротивление источника; индуктивное сопротивление его вторичной обмотки должно быть примерно равно сопротивлению нагрузки. В этом случае согласование происходит наилучшим образом.
Н. — Я помню, что индуктивное сопротивление обмотки пропорционально ее индуктивности. А та, в свою очередь, пропорциональна квадрату числа витков. Следовательно, если вторичная обмотка трансформатора L2 имеет витков вдвое больше, чем первичная обмотка L1,то ее индуктивность, а значит, и индуктивное сопротивление будут в 4 раза больше. Такой трансформатор позволит осуществить связь между двумя каскадами, из которых второй имеет входное сопротивление в 4 раза выше выходного сопротивления предыдущего каскада.
Л. — Я констатирую, что ты очень силен в математике. Поэтому я предлагаю тебе задачу. Вот схема с двумя каскадами УНЧ на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ (рис. 146).
Рис. 146. Усилитель НЧ состоит из двух каскадов на транзисторах, соединенных через трансформатор, который обеспечивает согласование входного и выходного сопротивлений.
Если выходное сопротивление первого каскада равно 36 кОм, а входное сопротивление второго каскада составляет 1 кОм, какой коэффициент трансформации должен иметь трансформатор связи?
Н. — Раз выходное сопротивление в 36 раз больше входного следующего каскада, индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора должно быть в 36 раз выше индуктивного сопротивления его вторичной обмотки. И раз индуктивное сопротивление пропорционально квадрату числа витков, нужно, чтобы в первичной обмотке витков было в 6 раз больше, чем во вторичной. Следовательно, коэффициент трансформации должен равняться 6. И я благодарю тебя за такой подбор сопротивлений, что извлечение квадратного корня из их соотношения не потребовало у меня никакого труда. В конечном счете вычисление коэффициента трансформации n по соотношению сопротивлений Rвх и Rвых производится по формуле
Н. — Увы, все же кое-что в твоей схеме я не понимаю. Я вижу, что смещение на базы транзисторов подается с помощью делителей напряжения, состоящих из резисторов R1и R2 для первого транзистора и из резисторов R3и R4 для второго транзистора. Из этого я делаю вывод, что конденсаторы и С2служат для пропускания переменных составляющих входных токов. Но какую функцию выполняют резисторы R5и R6, расположенные между эмиттерами и положительным полюсом батареи?
Л. — Они предназначены для уменьшения влияния температуры на коллекторный ток. Прохождение тока через переходы транзистора вызывает некоторое выделение тепла. А ты знаешь, что полупроводники чувствительны к изменениям температуры. Когда температура повышается, ток коллектора Iквозрастает. Это явление в германии ощущается значительно сильнее, чем в кремнии. Однако рост тока коллектора вызывает такое же увеличение тока эмиттера, который проходит через резистор, отделяющий эмиттер по полюсам батареи. Следовательно, увеличение этого тока приводит к увеличению падения напряжения на этом резисторе, что вызывает увеличение отрицательного потенциала на эмиттере. Постоянное же напряжение базы при этом остается неизменным. Значит, снижается разность потенциалов между базой и эмиттером, что вызывает уменьшение тока коллектора Iк.
Н. — Очень забавна эта цепочка явлений, где увеличение тока в конечном итоге вызывает собственное снижение, и таким образом, несмотря на повышение температуры, ток остается постоянным.
Л. — Здесь мы наблюдаем явление отрицательной обратной связи, потому что ток Iк воздействует на себя не в направлении увеличения амплитуды своих колебаний, как это бывает при положительной обратной связи, а наоборот, он добивается их уменьшения до минимума.
То, что ты видел на моей схеме, называют отрицательной обратной связью по току. Но может быть и отрицательная обратная связь по напряжению, как показано на упрощенной схеме рис. 147.
Рис. 147.Схема отрицательной обратной связи по напряжению.
Как видишь, здесь резистор отрицательной обратной связи R включен параллельно переходу база — коллектор. В результате часть напряжения из цепи коллектора через этот резистор подастся обратно на базу. Когда из-за нагревания ток коллектора увеличивается, падение напряжения на его нагрузочном резисторе также растет; база через резистор R получает напряжение обратной связи в противофазе, что вызывает уменьшение отрицательного потенциала базы. И это уменьшение разности потенциалов эмиттер — база снижает ток коллектора.
Н. — Это мне так нравится, что я становлюсь поклонником отрицательной обратной связи.
Л. — Раз это явление тебе так нравится, я могу сообщить, что его используют также для снижения искажений напряжений НЧ. В этом случае отрицательная обратная связь воздействует уже не на постоянную составляющую, а на переменную. Для этого переменная составляющая не отводится через конденсатор, включенный параллельно резистору отрицательной обратной связи, а пропускается по этому резистору, чтобы создать на нем падение переменного напряжения, противопоставляемое тому, в которое надлежит внести коррективы.
Н. — А в чем заключаются причины возникновения искажений и какое влияние они оказывают?
Л. — Как в усилителях на лампах, так и в транзисторных усилителях могут возникнуть искажения переменных напряжений НЧ. Так, например, достаточно колебаниям анодного тока быть не строго пропорциональным колебаниям напряжения, приложенного между сеткой и катодом, и звуки окажутся искаженными. Их воспроизведение не соответствует переданному звучанию.
И что еще более важно, само качество звука может быть испорчено появлением гармоник, которых не было в первоначальном звуке в радиовещательной студни.
Н. — Что ты называешь гармониками?
Л. — Это составляющие звука, имеющие частоту в несколько раз выше его основной частоты. Наличие этих гармоник определяет тембр звучания различных музыкальных инструментов. Особенно богаты гармониками звуки скрипки, легко отличаемые от звуков флейты, имеющей одинаковую со скрипкой основную частоту. Если УНЧ порождает в переменных напряжениях гармоники, которых в них первоначально не было, то тембр воспроизводимых звуков изменяется.
Н. — Я понимаю, насколько подобные искажения опасны. А как можно с ними бороться средствами отрицательной обратной связи?
Л. — Очень просто: на вход подают в противофазе переменные напряжения, снятые с выхода. Таким образом, полученные в результате усиления напряжения подают на вход в противофазе, в результате чего искажения взаимно уничтожаются или по крайней мере значительно ослабляются.
Н. — А как практически осуществляется отрицательная обратная связь?
Л. — Сначала я покажу тебе схемы, в которых используются лампы. Отрицательную обратную связь можно создать посредством включения между катодом и отрицательным полюсом источника высокого напряжения резистора Rо.с, незашунтированного конденсатором (рис. 148, а). По нему протекает весь анодный ток. Его постоянная составляющая создает отрицательное напряжение смещения сетки, а переменная составляющая создает напряжения, противоположные тем, которые прилагаются на входе между сеткой и катодом. Таким образом снижают искажения.
Н. — Но мне кажется, что этим одновременно снижают и коэффициент усиления. Отрицательная обратная связь по своему воздействию противоположна положительной, где на вход подают напряжения, находящиеся в фазе с входными, что повышает усиление.
Л. — Да, Незнайкин, но нельзя одновременно получить хорошее звучание и большое усиление. С помощью отрицательной обратной связи обеспечивают качество звучания, но, естественно, в ущерб коэффициенту усиления.
А теперь я покажу тебе схему с отрицательной обратной связью (рис. 148, б), где для возвращения напряжения на сетку часть его снимают с анодного резистора Rа. Для этого через конденсатор С2 напряжение направляют на делитель Rо.с,Rа. Соотношение сопротивлений между этими двумя резисторами позволяет установить уровень отрицательной обратной связи.
Рис. 148. Отрицательная обратная связь в каскаде на электронной лампе.
а — отрицательная обратная связь по току, создаваемая общим резистором Rо.с в цепях сетки и анода;
б — отрицательная обратная связь по напряжению, полученная благодаря подаче на сетку части переменного напряжения, выделяющегося на нагрузочном резисторе Rа. Последнее снимается с делителя, образованного резисторами Rо.с и Rа.
Н. — У меня складывается впечатление, что предыдущая схема, где отрицательная обратная связь создается резистором в цепи катода, подобна схеме транзисторного усилителя.