ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ПЧ

Ю.Шашин, Радио №2/1966, ст.29

Значительная величина проходной емкости коллектор — база тран­зисторов, используемых в уси­лителях ПЧ, зачастую приводит к возникновению нежелательных об­ратных связей и самовозбуждению. Для борьбы с этим явлением прихо­дится прибегать к нейтрализации проходной емкости транзисторов или использовать схемы повышенной ус­тойчивости.

Среди известных схем такого рода наибольшее распространение полу­чила схема двухкаскадного усилите­ля ПЧ с апериодической нагрузкой в первом каскаде (рис. 1). Необходимая частотная избирательность усили­теля обеспечивается с помощью филь­тра сосредоточенной селекции, вклю­чаемого на входе (1). Отсутствие межкаскадного согласования приво­дит к снижению усиления первого каскада и усилителя в целом, но одновременно и уменьшает склон­ность его к самовозбуждению.

Однако достигаемое в этой схеме повышение устойчивости оказывается недостаточным, чтобы полностью реа­лизовать усилительные возможности транзисторов при включении их по схеме с общим эмиттером. Как и в обычных схемах, здесь необходима цепь нейтрализации (конденсатор С₃), а любая паразитная связь входной и выходной цепей легко приводит к генерации.

При определенной величине наг­рузки каскада усиление его стано­вится достаточным, чтобы такая связь могла вызвать самовозбуждение. При нагрузке несколько меньшей, но близкой к этой величине, входное сопротивление каскада из-за влия­ния обратной связи повышается.

Это приводит к чрезмерному уве­личению усиления предшествующего каскада и в возникающей генерации участвуют оба каскада усилителя.

Значительно более высокая устой­чивость усилителей ПЧ может быть получена при использовании каскодных схем, впервые опубликован­ных в 1959 г. Е. Гумелей [2]. Работа транзистора Т₂ такой схемы (рис. 2) в каскаде с общей базой обеспечивает очень высокие значения максималь­ного устойчивого усиления, по­скольку проходная емкость тран­зистора при таком включении оказы­вается очень малой. Существенную роль в повышении устойчивости иг­рает и противофазность входного и выходного напряжения усилителя, связанная с тем, что поворота фазы сигнала в каскаде с общей базой не происходит.

Практически получаемый коэффи­циент усиления таких усилителей также велик. Однако для сравни­тельно малых значений промежуточ­ной частоты (110—465 кгц) коэффи­циент усиления оказывается значи­тельно меньше допустимого по сооб­ражениям устойчивости и усилитель­ные свойства транзисторов в данной схеме полностью не используются.

Новая схема двухкаскадного уси­лителя ПЧ, предлагаемая в данной статье, совмещает положительные ка­чества рассмотренных схем. Оба кас­када усилителя выполнены по схеме с общим эмиттером. В то же время по устойчивости такая схема приб­лижается к каскодной. Основным отличием новой схемы усилителя ПЧ (рис. 3) является включение нагрузки первого каскада в эмиттер- ную цепь транзистора 7\. Коллектор же последнего по высокой частоте заземлен. Напряжение сигнала пос­тупает на базу и эмиттер транзистора с незаземленной обмотки L₂. Такое включение нагрузки, состоящей в данном случае из активного соп­ротивления R₂ и входного сопротив­ления следующего каскада, не вы­зывает появления отрицательной об­ратной связи в цепи сигнала и поз­воляет сохранить достаточно высо­кое усиление, свойственное каскаду с общим эмиттером.

В то же время для всех паразитных связей, действующих непосредствен­но на вход базы транзистора T1 (емкостная связь, связь по цепи пи­тания), первый каскад оказывается охваченным отрицательной обратной связью и имеет коэффициент усиле­ния по напряжению меньше единицы.

Включение нагрузки в эмиттерную цепь транзистора T1 устраняет по­ворот фазы сигнала в этом каскаде, что создает противофазность сигнала во входной и выходной цепях усили­теля. Это приводит к тому, что все паразитные связи между этими це­пями, ведущие обычно к генерации, создают отрицательную связь, нап­равленную на повышение устойчи­вости. Сказанное сохраняет силу и при учете фактического сдвига фаз, создаваемого каскадами, так как направления сдвига из-за различия характера нагрузок каскадов вза­имно противоположны.

Заземление по высокой частоте коллектора транзистора T1 исклю­чает влияние емкостной связи между корпусами (коллекторами) транзис­торов. В других схемах наличие этой связи равноценно увеличению проходной емкости транзистора T₂, что вызывает необходимость взаим­ного экранирования транзисторов.

Такие особенности схемы приво­дят к появлению свойства, которое условно может быть названо авто­нейтрализацией. Проявление его особенно характерно при работе усили­теля в режиме, предшествующем возникновению генерации. Дело в том, что второй каскад усилителя собран по схеме, сходной с изобра­женной на рис. 1, и подвержен, хотя и в меньшей мере, влиянию обратной связи из-за проходной емкости транзистора T₂. Действие ее отра­жается на величине входного сопро­тивления каскада Z_BX. Зависимость Z_BX от величины обратной проводи­мости транзистора Y₁₂, определяемой в основном емкостью коллекторного перехода,; представляется выраже­нием

При повышении усиления кас­када, являющемся следствием уве­личения нагрузки или крутизны, влияние обратной связи, как это и видно из приведенного выражения, увеличивается. Однако характер дей­ствия этой связи иной, знак ее может быть различным и наличие связи может вызывать как рост, так и уменьшение величины Z_BX.

При увеличении нагрузки выше некоторого значения и индуктивном ее характере обратная связь стано­вится положительной. Входное соп­ротивление при этом растет и может стать отрицательным. В усилителе, собранном по схеме, приведенной на рис. 1, такое положение немедленно приводит к генерации. Здесь же режим с отрицательным значением входного сопротивления транзис­тора Т₂ оказывается достаточно ус­тойчивым.

Усиление первого каскада в обыч­ных случаях равное 30—50 может увеличиваться до 150—200 раз. При этом общее усиление со входа уси­лителя (база T1) на нагрузку 5,6 ком составляет 30—40 тыс. раз. Но и такая величина не является предель­ной и растет с увеличением напряже­ния питания.

Однако режим работы усилителя при отрицательной величине вход­ного сопротивления не является нор­мальным и для данной схемы. Воз­можность существования такого ре­жима лишь характеризует высокую устойчивость усилителя против са­мовозбуждения. Для достаточно больших значений сопротивления на­грузки и тока коллектора транзис­тора T₂, определяющих усиление, характер обратной связи, в силу одновременного действия ее в обоих каскадах, остается отрицательным.

Уменьшению связи из-за проход­ной емкости транзистора Т₂ спо­собствует малая величина сопротив­ления R₂, шунтирующего вход его базы. Уменьшение величины R₂ бла­гоприятно сказывается и на величи­не выходного сопротивления этого каскада. Последнее зависит от соп­ротивления источника сигнала и растет с его уменьшением.

С транзисторами типа П15 коэф­фициент усиления (при работе на нагрузку 5,6 ком) оказывается рав­ным 600—700 раз, (при значении промежуточной частоты, равном 465 кгц).

Для всех высокочастотных тран­зисторов типа П401—П403, П414— П416 коэффициент усиления пример­но одинаков и мало зависит от смены их, включая образцы с малыми зна­чениями коэффициента В (до 10—15). При напряжении питания 9в и номиналах деталей, указанных на рис. 3 и в таблице 1, коэффициент усиления равен 8—10 тыс. раз и уменьшается до 2—3 тыс. раз при снижении напряжения до 4,5в (при том же значении промежуточ­ной частоты).

Указанные величины усиления сос­тавляют примерно 0,6—0,7 от зна­чений, близких к возникновению генерации.

Крутизна характеристики транзи­сторов и создаваемое ими усиление определяется режимом по посто­янному току. Включение нагрузки в эмиттерную цепь транзистора Т₁ дает возможность исключить разде­лительный конденсатор между кас­кадами, что упрощает схему и соз­дает взаимную связь их по посто­янному току. В силу этого напря­жение смещения, устанавливаемое делителем R1R3 в базовой цепи транзистора T1, определяет режим одновременно двух каскадов. Вели­чина коллекторного тока транзистора Т₂ зависит также от сопротивления R₄ в цепи его эмиттера. Связь кас­кадов по постоянному току не явля­ется. обязательной, но полезна при введении системы АРУ.

Практическое применение рассмот­ренной схемы усилителя с эмиттера ной нагрузкой может быть весьма разнообразным. На рис. 4 приведена схема усилителя ПЧ радиовещатель­ного приемника. Такой усилитель обеспечивает чувствительность при­емника порядка 2—3 мкв (с базы транзистора преобразовательного каскада). Избирательность по ПЧ определяется двухконтурным фильт­ром на входе усилителя и одиночным контуром в выходном каскаде. Про­межуточная частота равна 465 кгц.

Напряжение АРУ подается на базу транзистора T1 с выхода детек­тора через сопротивление R2 От­сутствие в цепи АРУ обычно вклю­чаемых блокировочных конденса­торов в данном случае не вызывает заметной демодуляции сигнала.

Подключение обмотки L₅ к эмит­теру транзистора Т₂ имеет целью скомпенсировать напряжение сме­щения на базе транзистора Т₁. При включении обмотки L₅ к общему про­воду схемы напряжение смещения величиной 1,5—2,0 в оказалось бы приложенным к диоду Д₁ что нару­шило бы его работу. При данном включении постоянное напряжение на концах обмотки невелико.

В схеме усилителя ПЧ с фикси­рованным смещением (рис. 5) ис­точники напряжения АРУ и сме­щения включены последовательно. Это повышает эффективность работы системы АРУ, поскольку взаимное влияние АРУ и смещения в этом случае уменьшается.

Применение в этой цепи кремние­вого диода обеспечивает стабилиза­цию напряжения и независимость режима усилителя от разряда бата­реи питания. Изменение питающего напряжения от 9 до 6 б почти не от­ражается на величине коэффициента усиления. Выходное напряжение уси­лителя равно 0,3 в при уровне сиг­нала на базе транзистора Т₁—10 мкв и растет до 0,6 в при увеличении сигнала до 5 мв.

Номиналы сопротивлений, ука­занные на схемах (рис. 4, 5), соот­ветствуют транзисторам со средней величиной коэффициента усиления В. При использовании транзисторов, имеющих граничные величины коэф­фициента усиления, необходимо за­ново подобрать величину сопротив­ления в цепи эмиттера транзистора Т₂. Уменьшение этого сопротивле­ния ведет к увеличению коллектор­ного тока транзистора и повышению усиления каскада.

Регулировка режима одновременно в двух каскадах производится изменением напряжения смещения на базе транзистора Т1. В схеме, изоб­раженной на рис. 4, такая регули­ровка нужна, в частности, при нап­ряжении питания, отличающемся от указанного, и выполняется измене­нием сопротивления R₁. В схеме, показанной на рис. 5, для изменения напряжения смещения приходится изменять тип или число последова­тельно включенных диодов в цепи стабилизации. Здесь могут быть ис­пользованы и германиевые диоды, которые (правда, при несколько худ­шей стабилизации напряжения) да­ют напряжение порядка 0,2—0,3 в (для точечных диодов). При этом величина напряжения смещения мо­жет быть изменена в пределах от 0,6 до 2,5 в.

Схема усилителя с эмиттерной нагрузкой может быть использована не только в усилителе ПЧ. Своеоб­разные преимущества усилителя удачно реализуются в схеме прием­ника прямого усиления с рефлекс­ным использованием транзисторов двух первых каскадов (рис. 6).

Транзисторы T1 и Т₂ образуют усилительные каскады, собранные по схеме с общим эмиттером для напряжения радиочастоты, эмиттерный повторитель и усилитель для звукового напряжения. С этой целью в цепь коллектора транзистора Т₂ включено сопротивление R₆, а база транзистора Т₁ соединена с выходом детектора (диод Д₁) через сопротив­ление R₃. Оконечный усилитель НЧ выполнен по схеме с последователь­ным включением транзисторов.

При использовании вместо гром­коговорителя электромагнитных те­лефонов или микрофонных капсюлей типа ДЭМ достаточная громкость приема получается при включении их в коллекторную цепь транзистора Т₃. Для подачи напряжения смеще­ния на базу транзистора Т₃ послед­няя соединяется с минусовым про­водом через сопротивление ЗО—40ком. Учитывая, что при таком упроще­нии схемы приемник будет пред­назначен в основном для приема местных станций, цепь АРУ целе­сообразно исключить. Для этого последовательно с сопротивлением R₃ включается конденсатор ем­костью 1—2 мкф, а делитель в цепи базы транзистора Т1 дополняется сопротивлением 10—15 ком, вклю­чаемым на общий провод.

Частотный диапазон и избиратель­ность приемника определяются па­раметрами входного контура, сос­тоящего из конденсатора перемен­ной емкости и катушки L₁ намотан­ной на ферритовом стержне длиной 120 мм. Магнитная антенна таких размеров обеспечивает при приеме местных станций в диапазоне 540— 1600 кгц напряжение звуковой час­тоты порядка 1,5—2,0 в на нагрузке транзистора Т₃ равной 300 ом (в упрощенном варианте схемы). Такое же выходное напряжение получается при подаче сигнала величиной 15 мкв и 30% модуляции.

Максимальная выходная мощность усилителя НЧ, выполненного в со­ответствии со схемой рис. 6, равна 100 мвт при нагрузке 45—50 ом и напряжении питания 9 в. При ис­пользовании батареи питания нап­ряжением 4,5 б нагрузку желательно уменьшить до 24—28 ом. Максималь­ная выходная мощность при этом составит 45—50 мвт.

Недостатком использования схемы усилителя НЧ с последовательным включением транзисторов является образование значительных пульса­ций питающего напряжения, особен­но в процессе разряда батареи. Су­щественное уменьшение пульсаций достигается включением в развязы­вающий фильтр диода Д₂— Наличие его эквивалентно увеличению емко­сти фильтрующего конденсатора С₇ [4]

Налаживание приемника сводит­ся к подбору величин сопротивле­ния R1 определяющего режим и усиление радиочастотной части схе­мы, и сопротивлений R₈ и R₉ в оконечном усилителе НЧ. Изменяя величину сопротивления R₉, уста­навливают начальный ток транзис­торов Т4Т5 порядка 1—2 ма. Вели­чину сопротивления R₈ выбирают так, чтобы напряжение в общей точке эмиттеров транзисторов Т4—Т₅ было равно половине напряжения пита­ния.

Возможности применения схемы усилителя с эмиттерной нагрузкой не ограничиваются рассмотренными примерами. Хорошие результаты по­лучаются при построении по такой схеме видеоусилителей. Связь двух каскадов по постоянному току обес­печивает в этом случае равномер­ность частотной характеристики, начиная от десятков герц. При нали­чии в цепи коллектора транзистора Т₂ корректирующего контура верх­няя граница полосы пропускания оказывается на частоте порядка 5—6 Мгц. Усиление на такой час­тоте в случае использования тран­зистора типа П416 составляет 500— 700 раз.

ЛИТЕРАТУРА

• Я. ЛЕВИН. «Новая схема тракта ПЧ». «Радио» № 3, 1960 г.
• Е. ГУМЕЛЯ. «Каскодные схе­мы на ПП». «Радио» № 10, 1959 г.
• «Расчет транзисторных цепей» под общей ред. Р. Ф. ШИ. Изд. «Энергия», 1964 г.
• «Radio und Fernsehen» № 20, 1964 г.