ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ

К. Качурин, Радио №3/1965, ст. 28

О усилителях НЧ на транзисторах обычно между каскадами ис­пользуется емкостная или трансфор­маторная связь. Схемы с непосред­ственной связью между каскадами еще недостаточно разработаны и применяются редко. Между тем та­кие схемы выгодно отличаются от обычных. Они содержат меньше де­талей и имеют более равномерную полосу пропускания. Благодаря меньшему количеству всякого рода балластных сопротивлений и очень малым коллекторным токам потреб­ление энергии у таких усилителей значительно меньше, чем у обычных. Это позволяет повысить экономич­ность, увеличить входное сопротив­ление и уменьшить уровень собствен­ных шумов. Усилители с непосредст­венной связью легко настраиваются, не нуждаются в специальном подборе транзисторов и мало чувствительны к изменению напряжения питания. Нелинейные искажения в них могут быть сведены до весьма незначитель­ной величины. Но самым важным преимуществом таких усилителей является то, что в них достаточно просто достигнуть очень высокой температурной стабильности.

Высокая температурная стабиль­ность и все остальные перечислен­ные преимущества усилителей с не­посредственной связью могут быть получены лишь при введении глу­бокой отрицательной обратной связи по постоянному току, подаваемой с выхода усилителя на первый кас­кад. При таком способе подачи об­ратной связи температурные или лю­бые другие изменения тока усили­ваются последующими каскадами и попадают на вход усилителя в такой полярности, что усилитель возвра­щается к исходному состоянию. Яс­но, что при этом он острее всего реагирует на нестабильность пер­вого каскада, поскольку отклонение тока первого транзистора от уста­новленной величины усиливается всеми остальными каскадами. Это позволяет, как упоминалось выше, работать при очень малых токах первого каскада без опасения, что усилитель выйдет из установленного режима. Температурная стабиль­ность усилителей с непосредственной связью тем выше, чем больше общее усиление и чем глубже обратная связь по постоянному току, охваты­вающая усилитель. Эксперименталь­ное исследование усилителей, соб­ранных по различным вариантам схем с непосредственной связью, по­казало, что двух-, трех- и даже че­тырехкаскадные усилители, охва­ченные глубокой обратной связью по постоянному току, работают впол­не устойчиво и не склонны к само­возбуждению.

Ниже приводится несколько схем, достаточно подробно исследованных автором и примененных им в раз­личных конструкциях. На рис. 1 показана довольно известная, но незаслуженно редко применяемая схема с двумя обратными связями — с выхода на вход. Стабилизация осу­ществляется передачей напряжения с сопротивления R6 на базу первого транзистора и изменением напряже­ния эмиттера первого каскада в за­висимости от величины тока, прохо­дящего через сопротивление R₅. Проследим работу усилителя при повышении температуры. В этом случае ток первого каскада увели­чивается и напряжение коллектора по абсолютной величине падает, что вызывает уменьшение тока вто­рого каскада. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению падения напряжения на сопротивлениях R₅ и R₆, а значит, и к уменьшению сме­щения на первом транзисторе. Умень­шение же смещения на первом тран­зисторе возвращает усилитель к ис­ходному состоянию. В результате токи обоих каскадов остаются прак­тически неизменными, и рабочая точка выходного каскада не сдви­гается. У усилителей с непосредст­венной связью для установки ре­жима обычно достаточно бывает по­добрать лишь одно сопротивление. В данном усилителе режим устанав­ливается сопротивлениями R₆ или R₂. Благодаря тому, что сопротив­ление не зашунтировано конден­сатором, в усилителе возникает об­ратная связь по переменному току, резко уменьшающая искажения.

На рис. 2 приведен простой двух­каскадный усилитель, в котором ис­пользованы транзисторы с различной проводимостью. В этом усилителе отклонение токов от оптимальных значений приводит к изменению па­дения напряжения на сопротивлении R₅, а значит, и к изменению потен­циала эмиттера транзистора T1. Но поскольку напряжение базы этого транзистора стабилизировано дели­телем R1 R₂, а напряжение эмиттера меняется, то меняется и ток коллек­тора первого транзистора. Причем это изменение происходит в таком направлении, что усилитель воз­вращается в первоначальное состоя­ние. Режим работы усилителя уста­навливается подбором сопротивле­ния R1

На рис. 3 приводится схема трех­каскадного усилителя низкой частоты простого переносного радиоприем­ника. В ней, так же как и в схеме рис. 1, применены две цепи обрат­ной связи. Основная цепь, термо­стабилизирующая схему усилителя и уменьшающая искажения, сое­диняет эмиттеры выходного кас­када с эмиттером первого транзис­тора через сопротивление R₇. Вто­рая цепь, так же как и на рис. 1, соединяет эмиттер второго транзи­стора с базой первого транзистора.

Режим работы усилителя устанав­ливается сопротивлением R6. Уси­литель надежно работает в диапазо­не обычных температур, обеспечи­вает хорошее качество звучания и характеризуется следующими па­раметрами: максимальная выходная мощность 80 мBт при входном на­пряжении 30 мв, входное сопро­тивление 7 ком, ток покоя — уси­лителя 2,2 ма, кпд превышает 70% , полоса воспроизводимых частот от 100 до 10000 гц с завалом на гра­ничных частотах, равном 3 дб.

Очень хорошими показателями об­ладает четырехкаскадный усилитель, схема которого показана на рис. 4, разработанный специально для вы­сококачественного переносного ра­диоприемника. Его выходная мощ­ность 300 мBт при входном напряжении 40 мв. Полоса воспроизводимых частот от 50 до 15 000 гц при нерав­номерности ±1 дб. Нелинейные ис­кажения не превышают 2% Экономичность и кпд усилителя чрез­вычайно высоки. Кпд приближает­ся к теоретически возможному — 78%, а об экономичности можно судить по току покоя, равному 1,4 ма. Для сравнения можно указать, что ток покоя усилите­лей равной мощности, но выпол­ненных с трансформаторной или емкостной связью, вряд ли мо­жет быть ниже 7—8 ма. Входное сопротивление очень высокое (12 ком), а выходное сопротивление не превышает 3 ом.

Таких высоких показателей уда­лось достичь благодаря охвату усилителя несколькими цепями обратной связи. Основной из них является 100% отрицательная обратная связь по постоянному току с выхода усилителя на эмиттер транзистора Т1 через сопротивление R₉. Для уменьше­ния нелинейных искажений вве­дена обратная связь по перемен­ному току, глубиной 12 дб. На­пряжение этой обратной связи с сопротивления R5 подается также на эмиттер транзистора Т₁. В уси­лителе еще имеется положительная обратная связь с выхода, через соп­ротивление R₁₀. На базы транзисто­ров Т₃, Т4. Эта обратная связь не может вызвать самовозбужде­ния, так как коэффициент усиления по напряжению последних четырех транзисторов равен единице. Соп­ротивление R10 вместе с тем яв­ляется нагрузкой второго каскада и при обычном включении должно быть присоединено к плюсу источ­ника питания. Но тогда напряжение питания второго каскада было бы недостаточным и раскачать выход­ную ступень (Т₃—Т₆) оказалось бы невозможным. При таком же вклю­чении нагрузки R10, как показано на схеме, на напряжение питания наложено переменное напряжение усиленного сигнала. В результате транзистор Т₂ работает при перемен­ном напряжении питания, колеблю­щемся от 0,5 до 1,5 напряжения ба­тареи, и полностью раскачивает вы­ходной каскад В результате введения описан­ных обратных связей параметры усилителя оказались настолько жест­ко стабилизированными, что при повышении температуры до 60°С и при вариациях питающего напря­жения от 4 до 15 B работоспособ­ность усилителя полностью сохра­няется при отличной симметрии вы­ходного каскада. Правильно собранный усилитель сразу начинает работать и в нала­живании не нуждается. Рекомен­дуется лишь проверить симметрию плеч и величину напряжения сме­щения транзисторов выходного ка­скада. При необходимости они под­бираются сопротивлениями R₂ и R6. Глубина обратной связи по перемен­ному току устанавливается подбо­ром сопротивления R₅. Если в уси­лителе не возникает паразитных колебаний, то конденсатор С₄ мож­но исключить