Усилитель сигнала
Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пределах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.
Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отрицательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?
Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.
Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым стабилизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Достаточно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.
Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на рисунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что касается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае положение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обратной связью.
К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожалуй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя неустойчивая система.
Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена положительной обратной связью.
Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усилитель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.
Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор Rэ, а параллельно ему еще конденсатор Сэ?
Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависимость обратного тока коллектора Iк.о. от температуры. При повышении температуры обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1К.0 составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I’к.о.:
где b — коэффициент усиления транзистора, а Iб — ток базы, определяемый резистором R6.
Из формулы следует, что увеличение тока Iк.о на величину DIк.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:
DI’к.о.» Iк.о·(b+1)=35(49+1)=1,75мА.
Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться.
Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причинам. Во-первых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ-Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока коллектора влечет за собой изменение параметров транзистора и в первую очередь коэффициента усиления b.
Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усложнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного тока при изменении температуры. Вот как теперь она работает.
Увеличение сквозного тока коллектора DI’к.о (см. приложения, рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Кэ. Вследствие этого напряжение между точками 1 и 2 уменьшится, что приведет к уменьшению тока Iб в резисторе Rб , а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора IK=Iбb при этом уменьшится. Зная, что полный ток коллектора Iк состоит из двух составляющих
можно сделать такой вывод: температурные изменения первого слагаемого (I’к.о) приведут к обратным по знаку изменениям второго слагаемого (Iб·b). При правильном выборе параметров схемы оба слагаемых в некоторой мере компенсируют друг друга так, что коллекторный ток транзистора при этом остается неизменным.
Усилитель — это, пожалуй, самый простой «черный ящик». К тому же он чаще других встречается в кибернетических конструкциях.
Нигде обратная связь так широко не используется, как в радиоэлектронике.
Каждый из двух каскадов схемы «б» (см. приложения, рисунок 12) работает точно так же, как схема «а». Их работа стабилизируется отрицательной обратной связью за счет резисторов Rэ1 и Rэ2- Но этого оказалось недостаточно. За счет резистора Ro.c оба каскада охвачены еще третьей обратной связью. Разберем, как она работает.
Допустим, по каким-либо причинам, включая повышение температуры, несколько возрос коллекторный ток транзистора T1.Тут же уменьшится напряжение между коллектором первого транзистора и общим проводом, и как следствие упадет ток базы второго транзистора. При этом коллекторный ток Т2 также уменьшится, что повлечет уменьшение падения напряжения на резисторе Rэ2. Поскольку ток базы транзистора T1 в основном определяется этим напряжением, то он также уменьшится.
Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.
За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от -10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.
Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.
За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от — 10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.
Режим работы второго транзистора выбирается из условия, чтобы напряжение между коллектором Т2 и общим проводом было равно половине питающего напряжения. Это достигается подбором величины резистора Rэ1 в пределах 500—1000 Ом. Величина коллекторного напряжения первого транзистора не критична и может меняться в зависимости от bтранзистора от 2 до 4 В.
Усилитель одинаково хорошо усиливает сигнал с частотами от 100 Гц до 10 кГц.
Очень интересна в работе схема «в» (см. приложения, рисунок 12). В литературе она называется эмиттерным повторителем. На эмиттерном резисторе Rэ полностью повторяется входной сигнал с коэффициентом передачи, несколько меньшим единицы.
Тут же возникает вопрос: для чего нужна такая схема, если она не усиливает сигнала?
Эмиттерный повторитель — это каскад, имеющий большое входное сопротивление (несколько сотен килоом) и очень малое выходное сопротивление, равное 5—20 Ом. Это, собственно, не усилитель, а трансформатор сопротивлений. Ставится он там, где нужно в схеме иметь низкоомный выход и высокоомный вход.
Входное сопротивление эмиттерного повторителя примерно равно Rвх»Rэ·b. Сопротивление Rэ рекомендуется брать в пределах 1—4,7 кОм, ab = 20—50. При этом Rвх будет лежать в пределах 20—250 кОм.
Ни в одной другой схеме нет такой отрицательной обратной связи, как в эмиттерном повторителе. Здесь она равна 100%. Это значит, что весь сигнал с выхода схемы полностью прикладывается к ее входу. Схема работает очень стабильно. Разберите схему обратной связи самостоятельно. Необходимый опыт у вас теперь есть.
Рассмотрев работу всех трех схем, «а», «б» и «в» (см. приложения, рисунок 12), можно сделать следующий вывод: отрицательная обратная связь всегда повышает устойчивость работы аппаратуры. Этого никогда не следует забывать, и надо стараться как можно чаще ею пользоваться.
Рассказывая об использовании обратной связи в радиоэлектронных схемах, следует напомнить о генераторах синусоидальных колебаний. Без них теперь не обходится ни радиопередатчик, ни радиоприемник. Схема, показанная на рисунке 3, г, есть генератор звуковых частот. Ее подробный разбор будет дан при описании платы «детектор — звуковой генератор».
Изготовление платы «усилитель сигнала» (см. приложения, рисунок 11) начинается с основания. Вырезается оно из куска гетинакса или текстолита толщиной 2,0—2,5 мм. Размеры берутся из рисунка 13 (см. приложения). Монтажными стойками служат кусочки медной проволоки (гвоздики) толщиной 1 мм, вставленные в отверстия платы, залитые на рисунке черной краской.
Данные деталей берутся из электрической схемы. Резистор R5 пока не ставить. Сделать это при налаживании схемы.