Усилители НЧ на транзисторах с малым В

В. Розов, Радио №4/1964, ст.39

Подавляющее большинство схем усилителей НЧ, описанных в литературе, рассчитано на приме­нение транзисторов с коэффициентом усиления по току В=50—100, реже 30—40. Однако в распоряжении лю­бителя часто имеются транзисторы со значительно меньшим коэффици­ентом В=10—20. Такой коэффици­ент усиления по току, кстати, пре­дусмотрен и техническими услови­ями на эксплуатацию полупровод­никовых приборов (так для многих кремниевых транзисторов минималь­но допустимая величина В может составлять 9, для транзисторов типа П13—12, П401 —16, и для П14, П15—20). Основным недостатком та­ких транзисторов является меньшее, чем у обычных, усиление по мощ­ности в схеме с общим эмиттером. Поэтому, чтобы использовать тран­зисторы с низким коэффициентом усиления, в схемах усилителей НЧ нужно прежде всего найти способ повышения общего усиления.

Таких способов может быть не­сколько. Можно., например, увели­чить число транзисторов в схеме усилителя; использовать наивыгоднейший режим их работы, хорошо согласовать отдельные каскады или применить положительную обратную связь.

Наиболее просто повысить уси­ление, увеличив число каскадов с общим эмиттером. Однако такой способ встречает ряд трудностей и его не всегда можно реализовать. Известно, что усиление каскада с общим эмиттером по напряжению почти пропорционально величине ко­эффициента В. Так, если в двух­каскадном усилителе заменить тран­зисторы с коэффициентом В = 30 на транзисторы с коэффициентом В=10, усиление упадет приблизительно в 10 раз. Добавив один каскад с общим эмиттером и усилением по напряжению 10, можно, казалось бы, очень просто вернуться к преж­ней величине усиления. Однако трех­каскадный усилитель неустойчиво работает и легко возбуждается на низших частотах из-за связи через источник питания. Чтобы повысить устойчивость работы усилителя, при­дется применять развязки, что резко увеличит число деталей, которое и так возросло из-за дополнительных переходных конденсаторов и эле­ментов смещения. Из сказанного ясно, что в данном случае увеличи­вать количество каскадов нерацио­нально.

Целесообразнее разработать спе­циальные схемы для транзисторов с малым коэффициентом В, либо применять их в схемах усилителей, имеющих большой запас по усиле­нию и глубокую отрицательную об­ратную связь. Можно рекомендовать также включать такие транзисторы по схеме с общей базой, незаслуженно забытой в любительской литературе. В этом случае, работа каскада со­вершенно не будет зависеть от ве­личины коэффициента В.

Использовать транзисторы с ма­лым коэффициентом усиления В мож­но, включая их по схеме составного транзистора (рис. 2) или эмиттерного повторителя с непосредственной связью (рис. 1). Усиление по мощ­ности одного такого каскада (оба они примерно равноценны) меньше, чем у двух каскадов с общим эмиттером, собранных на тех же транзисторах, и даже меньше, чем у эмиттерного . повторителя без связи по постоян­ному току. Это вызвано тем, что транзистор Т1 в схемах (рис. 1, 2) работает при малом токе коллек­тора, равном току базы транзистора Т2, и усиление его по току в этих условиях снижается. Преимущест­вом этих схем является повышенное входное сопротивление, что облег­чает соединение отдельных каскадов между собой и сопряжение их с другими узлами схемы, например детектором, а недостатком — пло­хая температурная стабильность ре­жима, которая может быть устра­нена с помощью некоторых специ­альных мер.

Хорошие качественные показатели усилителей на транзисторах с малым коэффициентом усиления можно получить, применяя одновременно положительную и отрицательную об­ратные связи. Положительная об­ратная связь в одном или нескольких каскадах выбирается такой вели­чины, чтобы без отрицательной об­ратной связи они находились на пороге самовозбуждения, что по­зволяет условно говорить о «бес­конечном усилении». Отрицательная обратная связь, охватывающая весь усилитель, снижает усиление до заданной величины и стабилизирует его работу. Комбинация положи­тельной и отрицательной обратных связей позволяет получить выходное сопротивление усилителя, близкое к нулю и весьма малые нелинейные искажения. В обычных схемах для этого пришлось бы ввести отрица­тельную обратную связь значитель­ной глубины.

Все названные способы повышения усиления были проверены на кон­кретных схемах усилителей. В со­ответствии с методикой, приведенной в статье И. Василькевича, были рассчитаны и собраны несколько простейших схем усилителей НЧ для приемников на транзисторах. Затем, все транзисторы с коэф­фициентом усиления В=30—50 были заменены транзисторами с коэффи­циентом 5—9—16, после чего про­изведена подгонка режимов. Пара­метры таких усилителей — входное сопротивление, коэффициент усиле­ния, величина нелинейных искаже­ний — оказались хуже, чем это тре­бовалось для нормальной работы, поэтому все эти схемы были изме­нены так, чтобы и при использо­вании транзисторов с низким коэф­фициентом В их параметры оста­вались в допустимых пределах.

На рис. 3 приведена схема двух­каскадного усилителя НЧ с одно­тактным выходом, часто использу­емого в карманных приемниках. Если считать, что обратной связи нет, то есть сопротивление R4 замк­нуто накоротко, то получится обыч­ный двухкаскадный усилитель. В та­ком усилителе транзистор Т1 берут обычно с коэффициентом В=35—50, а Т2— с В=25—30. Общее усиление составляет, примерно 250—300 при входном сопротивлении 1,2—1,5 ком. Частотная характеристика имеет вид, показанный на рис. 4, а. При замене транзистора T1 на транзистор с коэффициентом В=16—18 и Т2 на транзистор с В=10—12 усиление снижается до 75—80, а входное сопротивление до 500 ом. Если же ввести положительную обратную связь по току, напряжение которой подать с сопротивления R4 на базу транзистора Т1 то входное сопро­тивление возрастет, а выходное — уменьшится. При величине сопро­тивления R4 около 100 ом входное сопротивление составляет 2—2,5 ком, усиление по_: напряжению повышается до 180 (сопротивление источника сигнала 6 ком). Диапазон частот, воспроизводимых усилителем с об­ратной связью сужается, оставаясь вполне удовлетворительным для уси­лителя нагруженного на электромаг­нитный капсюль (рис. 4, б). Если использовать транзисторы с коэф­фициентом В большим, чем указано в статье, усилитель может возбу­диться, в этом случае нужно несколько уменьшить сопротивление R4.

В усилителе НЧ (рис. 5) для со­гласования низкого входного со­противления оконечного каскада с входным каскадом применен эмиттерный повторитель. Оконечный кас­кад нагружен на электромагнитный капсюль ДЭМ-4м с сопротивлением обмотки постоянному току 65 ом и 450 ом на частоте 1000 гц. Тран­зистор Тз применен с коэффици­ентом усиления В=11 при токе 1 ма, но так как коллекторный ток тран­зистора Тз составляет в среднем 6—8 ма, его В возрастает до 16—18. Входное сопротивление транзистора Тз из-за малого коэффициента В вместо обычных 800—1000 ом со­ставляет 350 ом. Коэффициент уси­ления каскада по напряжению рав­ный, как известно В*Rнаг/Rвх составляет в данном случае 16*450/350=20

Низкое входное сопротивление за­трудняет согласование каскадов, по­этому между транзисторами Т1 и Тз включен эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2 с коэффициентом В=16 при токе 1 ма. Коллекторный ток транзистора Т2 равен току базы транзистора Тз и составляет 0,4—0,5 ма.. Из-за столь малого тока усиление тран­зистора Т2 снижается до 10. Входное сопротивление эмиттерного повто­рителя превышает сопротивление на­грузки в 5 раз и составляет 3,5 ком. При такой нагрузке усиление пер­вого каскада по напряжению равно 25 при коэффициенте усиления тран­зистора Т1 по току 16—18. Общее уси­ление по напряжению равно 500—550 при входном сопротивлении 700 ом что вполне достаточно для работы от диодного детектора. Оконечный каскад собран по экономичной схеме, описанной в журнале «Радио» № 12 за 1963 г. Сопротивление Rз подби­рается таким, чтобы ток коллектора транзистора Тз в режиме молчания составлял 2—3 ма, а при макси­мальном сигнале ток возрастал до 13 ма. Сопротивление R4 выбрано из условия наименьших искажений при сильном сигнале. Чтобы по­высить стабильность режима око­нечного каскада смещение на базу транзистора Т2 подается с коллек­тора транзистора Т1. С ростом тем­пературы ток коллектора транзи­стора T1 растет, а напряжение на его коллекторе падает. При этом уменьшается ток базы транзистора Т₂, а значит коллекторный ток транзистора Тз меняется меньше, чем при подаче смещения с минуса источника питания. Нижняя гра­ница полосы пропускания описан­ного усилителя равна 500 гц, а верхняя определяется емкостью кон­денсатора Сз и составляет 4—5 кгц.

Усилитель, схема которого при­ведена на рис. 6 трехкаскадный. Оконечный каскад — двухтактный, с выходным и согласующим трансфор­маторами. Выходная мощность — 100—150 мВт. Все транзисторы — типа П13 с коэффициентом усиления В=9—16. Без обратных связей вход­ное сопротивление усилителя со­ставляет 500—700 ом, а чувствитель­ность со входа 18—20 мв. Выход усилителя рассчитан на динамиче­ский громкоговоритель 0,1ГД-6 с со­противлением звуковой катушки 10 ом. Для повышения усиления приме­нена положительная обратная связь по току, напряжение которой сни­мается с сопротивления R₁₀ и пода­ется на базу транзистора Т2. Входное сопротивление, транзистора Т2 в ре­зультате этого повышается, так как напряжение обратной связи пода­ется на базу параллельно с напря­жением сигнала, а выходное со­противление всего усилителя сни­жается. Однако, каскады усилителя, охваченные положительной обратной связью работают неустойчиво, по­этому в усилитель дополнительно введена отрицательная обратная связь, напряжение которой со вто­ричной обмотки трансформатора Тр2 подается в цепь эмиттера транзи­стора T1 через делитель R3—R4. Глубина отрицательной обратной связи выбирается такой, чтобы чув­ствительность, а значит и устой­чивость усилителя оставались теми же, что и без обратных связей. Входное сопротивление при этом удается повысить до 6—8 ком.

Выходной трансформатор Тр₂ вы­полнен на пермаллоевом сердечнике (45Н) типа Ш4Х6 его первичная обмотка содержит 2X350 витков провода ПЭВ 0,13, а вторичная — 95 витков провода ПЭВ 0,21. Со­гласующий трансформатор Тр1 на­мотан на таком же сердечнике. Первичная обмотка его содержит 1800 витков провода ПЭВ 0,08, вторичная — 2X250 витков провода ПЭВ 0,1. Сопротивление R4 состоит из двух сопротивлений УЛМ-27 ом, соединенных параллельно.

Транзисторы с минимальными ве­личинами В ставятся в оконечный каскад, с максимальным — в пер­вый. Налаживать усилитель нужно с подгонки режима транзистора Т1 с помощью сопротивления R1. При этом цепи обратных связей должны быть разорваны, для этого сопро­тивление R2 нужно вообще отклю­чить от схемы, а нижний (по схеме) вывод сопротивления R6 присоеди­нить к общему плюсу. Добив­шись напряжения на коллекторе транзистора Т1 4 в, можно подго­нять режимы последующих каска­дов. Режимы транзисторов Т2 и Тз—Т4 взаимосвязаны. Поэтому до­статочно сопротивлением R5 подог­нать суммарный ток оконечного кас­када (замеренный в средней точке обмотки I выходного трансформа­тора) до 3—4 ма. Режим транзистора Т2 контролировать не нужно, так как он заведомо будет соблюден. Затем восстанавливают цепь обрат­ной связи с сопротивлением R6. Если знак ее положителен, то уси­литель возбудится на частоте 500— 800 гц. Подбирая величину сопро­тивления R6, нужно добиться, чтобы усилитель находился на пороге воз­буждения или был слегка пере­возбужден. Если возбуждение не возникает, следует поменять ме­стами концы любой из обмоток трансформатора Tp1. Затем нужно восстановить отрицательную обрат­ную связь через сопротивление R2. Возбуждение должно прекратиться. Следует учесть, что налаживание усилителя должно производиться с тем источником сигнала, от которого в дальнейшем будет работать уси­литель.