5.1. Общие принципы усиления
5.2. Усилительные элементы. Радиолампа
5.3. Усилительные элементы. Транзистор
5.4 Транзисторные усилителя напряжения и тока
5.5 Усилитель с жесткой температурной стабилизацией
5.1. Общие принципы усиления
В современной радиотехнике и автоматике очень широко используются усилители сигналов. Чтобы подвести слабенький звуковой сигнал от микрофона или звукоснимателя к громкоговорителю или акустической системе, его нужно усилить. Прежде чем продетектировать высокочастотный сигнал дальней радиостанции, принятый на небольшую антенну, его также надо усилить… Подобные примеры можно приводить долго. Откуда же берется большая энергия усиленного сигнала? По закону сохранения энергии она не может появиться сама собой, нужен источник энергии, или источник питания усилителя.
Думали ли вы когда-нибудь, что, открывая водопроводный кран, наглядно демонстрируете принцип усиления сигналов? Ведь энергия, затраченная на поворот ручки крана. несравненно меньше энергии струи воды. А представьте, что вы открываете шлюз плотины электростанции! Затратив совсем немного энергии, вы позволяете турбинам выработать тысячи киловатт-часов. Источник — водопроводная сеть или водохранилище, а управляющий элемент — кран или шлюз.
На выходе усилителя (см структурную схему на рис. 25) включена нагрузка, потребляющая выработанную энергию. Это может быть громкоговоритель, электродвигатель, кинескоп или отклоняющая система телевизора. Источником питания чаще всего служит источник постоянного тока, хотя некоторые усилители (параметрические, магнитные) работают на переменном токе.
Простейшим усилителем можно считать реле К1 (рис. 26). Такие усилители широко использовались на линиях телеграфной связи еще в прошлом веке. Управляющим был слабый телеграфный сигнал, прошедший многокилометровую линию. Его мощности хватало только на то, чтобы притянуть якорь чувствительного реле. Контакты же реле К1.1 могли коммутировать гораздо большую мощность. Она поступала от батареи GB1. Усиленные телеграфные сигналы (есть ток — посылка, нет — пауза), точки и тире азбуки Морзе поступали либо в следующий пролет линии, либо приводили в действие печатающий аппарат.
Релейный усилитель мог иметь огромный “коэффициент усиления” мощности, обеспечивал гальваническую развязку входа и выхода, но… у него было ограниченное быстродействие и он не мог усиливать аналоговые, т. е. плавно изменяющиеся сигналы. А ведь именно таковы звуковые, телефонные сигналы Для их усиления нужны были другие регуляторы, или управляющие элементы. К рассказу о них мы и переходим.
5.2. Усилительные элементы. Радиолампа
Первый такой элемент — трехэлектродную радиолампу или триод — изобрел в начале нашего века американец Ли де-Форест. Сначала она использовалась для усиления сигналов на длинных междугородных телефонных линиях, затем десятки лет вся радиотехника была ламповой. Любопытно, что в английском языке радиолампа до сих пор иногда называется Electronic Valve, причем слово Valve переводится как кран, вентиль или клапан.
По конструкции первые триоды были похожи на обычные осветительные лампы накаливания, но кроме нити накала — катода, в вакуумном баллоне находилась металлическая или графитовая пластинка — анод, а между нитью и анодом располагалась металлическая сетка, которая до сих пор так и называется. Накаленная нить испускает электроны, происходит термоэлектронная эмиссия. Ток накала поступает от накальной батареи низкого напряжения (1 …2 В) GB1, как показано на рис. 27,а. Анод имеет положительное напряжение, достигающее десятков и сотен вольт, поэтому он притягивает отрицательные электроны, в результате чего возникает анодный ток.
Анодный ток можно регулировать напряжением на сетке, подобно тому, как водопроводным краном регулируют поток воды. Если сетка имеет нулевое напряжение относительно катода, электроны пролетают сквозь нее свободно. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, электронный поток уменьшается из-за того, что сетка отталкивает электроны, мешая им пролетать к аноду. При достаточном отрицательном напряжении на сетке Uзап анодный ток совсем прекращается. Зависимость анодного тока от напряжения на сетке — характеристика лампы — показана на рис. 27,г.
Приращение тока при изменении напряжения сетки на 1 В называется крутизной характеристики S и составляет обычно 1… 10 мА/В. От батареи GB2 на сетку подают небольшое (несколько вольт) напряжение смещения Uсм, чтобы вывести лампу на рабочий участок характеристики, а вместе с ним и усиливаемый сигнал.
Анодный ток Iа будет изменяться в такт с колебаниями входного сигнала (рис. 27,6). Источником энергии служит анодная батарея GB3. последовательно с которой включена нагрузка Rн. Изменяющийся ток создает на нагрузке изменяющееся падение напряжения (рис. 27,в), которое и является усиленным сигналом, практически точно воспроизводящим входной сигнал. Кроме переменного выходного напряжения, имеется и постоянная составляющая, которая в дальнейшем не используется. Коэффициент усиления по переменному напряжению K=Uвых/Uвх в первом приближении составляет SRн и может достигать десятков и даже сотен. Коэффициент же усиления по мощности неизмеримо больше, поскольку сетка всегда заряжена отрицательно, электроны на нее не попадают, тока в цепи сетки нет и мощность от источника сигнала практически не потребляется. Лишь при заходе в область положительных напряжений на сетке появляется небольшой сеточный ток, но такие режимы используют редко, и только в мощных усилителях.
Конструкция современных радиоламп проще и компактнее. Лишь в батарейных лампах, практически полностью вышедших из употребления, применялся прямой накал — описанная нить. В сетевых лампах катод представляет собой тонкую трубочку, покрытую составом, хорошо излучающим электроны при нагреве. Внутри катода и находится изолированная от него нить накала, служащая только для подогрева катода. Благодаря большой тепловой инерции нить подогревного катода можно питать и переменным током от понижающей обмотки сетевого трансформатора. Подобным же образом устроены и катоды кинескопов.
Сетки представляют собой проволочные спирали, навитые вокруг катода на некотором расстоянии от него, а анод — металлический цилиндр, в который и помещена вся конструкция. Дополнительные сетки — экранирующая и антидинатронная — помещаются между управляющей сеткой и анодом, улучшая характеристики лампы, в том числе и на высоких частотах. Наибольшее распространение получила лампа с тремя сетками и, следовательно, пятью электродами пентод. Пентоды и триоды до сих пор применяются в ламповых усилителях звуковой частоты, в самом высококачественном звуковоспроизводящей аппаратуре класса High End, а также в усилителях мощности радиопередатчиков.
Лишь в маломощных предварительных усилителях напряжения нагрузкой служит обыкновенный резистор. Недостаток его в том, что постоянная составляющая анодного тока вызывает на нем потерю мощности. В УМЗЧ нагрузкой служит первичная обмотка выходного трансформатора, к вторичной обмотке которого подключена динамическая головка (или громкоговоритель). Трансформатор понижающий, он рассчитывается так, чтобы сопротивление головки, пересчитанное в первичную обмотку, было оптимальным для данной лампы — обычно оно составляет несколько килоом. Нагрузкой мощных усилителей радиочастотных колебаний (в передатчиках) чаще всего служит колебательным контур.
5.3. Усилительные элементы. Транзистор
Транзистор изобретен на полвека позже радиолампы и к настоящему времени почти полностью вытеснил ее в большинстве областей радиотехники и электроники благодаря малым размерам, экономичности, огромному сроку службы и удобству использования. Это уже не вакуумный прибор — его действие основано на физике полупроводников.
Полупроводники — это вещества, занимающие промежуточное положение по электропроводности между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся германий, кремний, селен и многие другие элементы и их химические соединения, например, арсенид галлия. Чистый полупроводник, как правило, довольно плохо проводит электрический ток, но его проводимость может быть улучшена введением примеси.
Широко применяемый в практике полупроводник кремний — четырехвалентный элемент, т.е. на внешней электронной оболочке его атомов находятся по четыре электрона. Каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентными связями. Все они оказываются занятыми, и при низких температурах кремний почти не проводит электрический ток. При нагреве часть ковалентных связей разрывается и освободившиеся электроны становятся свободными — проводимость кристалла увеличивается, а его сопротивление падает. Такая температурная зависимость резко отличает полупроводники от металлов — сопротивление последних при нагреве растет.
Если в кремний добавить примесь — пятивалентный мышьяк или фосфор, то в кристаллическую решетку он “впишется” лишь четырьмя электронами внешней электронной оболочки, а пятый окажется свободным. Проводимость кристалла возрастет, а поскольку носителями тока служат отрицательно заряженные электроны, то такая проводимость называется n-типа (n — negative). Такой же тип проводимости и у металлов.
Если примесью служат атомы трехвалентного бора, то в кристаллической решетке атом бора осуществляет связь только тремя электронами, а вместо четвертого образуется “вакантное место” или “дырка», по свойствам полностью эквивалентная положительному заряду. Дырки могут перемещаться в толще полупроводника, создавая ток положительных зарядов. Это — проводимость p-типа (р — positive).
Основой полупроводниковых приборов служит р-n переход, контакт двух полупроводников с разными типами проводимости или иногда контакт металла с полупроводником p-типа. Переход обладает очень интересными свойствами: он пропускает электрический ток только в одном направлении.
Посмотрим, как это получается. В p-области имеется избыток дырок, они диффундируют в n-область и создают там положительный заряд. То же происходит и с электронами — переходя в p-область, они создают в ней отрицательный заряд. На этом диффузия кончав гея, поскольку возникшая контактная разность потенциалов (около 0,3 В для германия и 0,7 В для кремния) препятствует дальнейшему движению дырок и электронов (рис. 28,а). Вблизи контакта из-за рекомбинации электронов и дырок возникает обедненный зарядами слой.
Если к переходу приложить внешнее напряжение плюсом к n-области, а минусом к p-области, то оно сложится с контактной разностью потенциалов и увеличит потенциальный барьер. Ток через переход почти совсем прекратится — переход окажется закрытым. Если же плюс внешнего напряжения приложен к p-области, потенциальный барьер уменьшается и через переход проходит электрический ток. На рис. 28,б показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода — устройства, содержащего только р-n переход и выводы от него. Видно, что обратный ток диода очень мал и почти не зависит от обратного напряжения, а в прямом направлении ток возрастает при увеличении напряжения весьма быстро.
Промышленность выпускает сейчас множество разнообразных диодов, от маломощных на токи в несколько десятков миллиампер до мощных силовых, способных выпрямлять переменный ток в десятки и сотни ампер. Специальные диоды с очень малой емкостью перехода работают на сверхвысоких частотах (СВЧ).
Раз уж мы сказали о ёмкости, то нельзя не упомянуть о варикапах — диодах, работающих при закрывающем напряжении и обладающих ёмкостью до сотен пикофарад. Ёмкость меняется при изменениях напряжения, поскольку изменяется толщина обедненного слоя. Благодаря возможности изменения ёмкости варикапы служат для электронной настройки колебательных контуров.
Но перейдем наконец к транзистору. Он содержит два р-n перехода — эмиттерный и коллекторный, имеющие общую область — базу. В зависимости от типа проводимости областей различают р-n-р и n-р-n транзисторы. Их структура и условные обозначения показаны на рис. 29. При включении транзистора эмиттерный переход открывают током Iэ, а на коллекторный переход подают значительное закрывающее напряжение. Но это не значит, что коллекторный ток Iк будет отсутствовать — ведь коллекторный переход расположен очень близко к эмиттерному. Сильное поле коллектора захватывает носители тока, инжектируемые эмиттером в базу. У хороших транзисторов коллекторный ток составляет до 99 % и более от тока эмиттера. На долю же тока базы остается порядка 1 % от тока эмиттера. Отношение коллекторного тока к току базы называют статическим коэффициентом передачи тока (
) в схеме с общим эмиттером. Для широко распространенных транзисторов его значение составляет от нескольких десятков до нескольких сотен.
5.4 Транзисторные усилителя напряжения и тока
В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают схемы включения с обшей базой, общим эмиттером и общим коллектором.
В схеме включения с общей базой (рис. 30) источник сигнала подключен через разделительный конденсатор Ср к эмиттеру транзистора и общему проводу, соединенному с базой. Эмиттерный переход открыт током, текущим от источника G1 через резистор Rэ. Коллекторный ток практически равен эмиттерному. Эти токи устанавливаются подбором резистора Rэ, но их можно и рассчитать, вычтя из напряжения источника примерно 0,6 В (напряжение база—эмиттер открытого кремниевою n-р-n транзистора) и поделив получившееся напряжение на Rэ.
Коллекторная цепь транзистора питается от батареи GB1 через резистор нагрузки Rэ. Его сопротивление выбирают таким, чтобы на нем «падало» около половины напряжения коллекторного питания — тогда на выходе можно получить наибольшую амплитуду усиленного сигнала.
Приведем простой числовой пример расчета режима этого каскада усиления на кремниевом маломощном транзисторе (например, серии КТ315), предположив, что напряжение источника G1 равно 1,5 В, a GB1 — 9 В. Зададимся током транзистора 0,5 мА. Тогда сопротивление эмиттерного резистора составит Rэ = (1,5 — 0.6) В/0,5 мА = 1,8 кОм, а сопротивление нагрузки Rн = 4.5 В/0.5 мА = 9 кОм.
Данный каскад не усиливает ток сигнала, поскольку коллекторный ток составляет около 0,99 эмиттерного. Но усиление по напряжению может быть значительным (порядка 100), поскольку в коллекторную цепь включено большее сопротивление. Таким же будет и усиление по мощности. Однако входное сопротивление каскада очень низкое и составляет всего десятки—сотни Ом — ведь вход усилителя нагружен на открытый эмиттерный переход, потребляющий значительный ток не только от источника питания G1, но и от источника сигнала.
По этой причине данную схему включения не применяют в усилителях низкой, например звуковой, частоты. Другой недостаток — необходимость двух источников питания. Однако у нее есть и достоинства — отличная температурная стабильность, полное использование частотных свойств транзистора. Тот же широко распространенный и дешевый транзистор серии КТ315, использованный в этой схеме включения, может усиливать сигналы частотой до 250 МГц (граничная частота транзистора). На высоких частотах в качестве нагрузки включают уже не резистор, а колебательный контур. Низкое же входное сопротивление хорошо согласуется со стандартными волновыми сопротивлениями коаксиальных кабелей 50 или 75 Ом.
Схема включения с общим эмиттером (рис. 31) наиболее распространена и дает наибольшее усиление. Здесь источник сигнала включен между базой и эмиттером транзистора через разделительный конденсатор Ср, а для того, чтобы вывести транзистор на рабочий режим, в базу поступает ток смещения от источника G1 через резистор Rб. Ток смещения равен напряжению источника, уменьшенному на 0,6 В и поделенному на сопротивление резистора Rб. Коллекторный ток (он в 
раз больше тока базы) поступает от батареи GB1 и проходит через резистор нагрузки Rн, на котором и выделяется усиленный сигнал. Сопротивление нагрузки выбирают так, чтобы напряжение на коллекторе составило примерно половину напряжения батареи.
Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером примерно в , т.е. в 30…200 раз больше, чем в предыдущей схеме, и составляет для маломощных транзисторов несколько килоом. Такой каскад будет усиливать как ток, так и напряжение. Если, например, сопротивление нагрузки равно входному сопротивлению транзистора, то оба коэффициента усиления, как по току, так и по напряжению, на низких частотах составят значение, практически равное . На высоких частотах модуль (абсолютная величина) коэффициента передачи тока уменьшается до величины, примерно равной отношению граничной частоты транзистора к частоте усиливаемого сигнала. Так, например, транзистор КТ315А с граничной частотой 250 МГц будет иметь на частоте сигнала 100 МГц модуль коэффициента передачи тока всего 2,5.
На практике нет нужды использовать отдельный источник смещения G1 — нижний по схеме вывод резистора Rб можно подключить к плюсовому выводу батареи GB1 — так делают в некоторых простейших конструкциях усилителей, предлагаемых начинающим радиолюбителям. Мы же собирать усилители по такой схеме не советуем, поскольку стабильность, в том числе и температурная, окажется низкой. Дело в том, что коэффициент передачи тока сильно зависит от режима транзистора и температуры. Если, например, возрастет, то при том же токе базы (а он задан резистором Rб) возрастет и коллекторный ток, что приведет к снижению коллекторного напряжения и искажениям сигнала — ограничению нижних полуволн. Таким образом, нужна температурная стабилизация тока коллектора.
В простейшем случае стабилизация режима транзистора достигается
подключением резистора смещения Rб между базой и коллектором, как показано на рис. 32. Поскольку коллекторное напряжение должно равняться половине напряжения питания, то таким же будет и падение напряжения на нагрузке Rн, вызванное током коллектора. Ток базы в раз меньше, следовательно, сопротивление резистора Rб должно быть во столько же раз больше сопротивления нагрузки.
Расчет этого усилительного каскада крайне прост: Iк = Uпит/2Rн; Rб = *Rн. Стабилизация режима происходит следующим образом. Предположим, что коллекторный ток по каким-то причинам возрос. В этом случае увеличится и падение напряжения на резисторе Rн, а коллекторное напряжение уменьшится. Соответственно, меньшим станет и ток базы, то же произойдет и с коллекторным током. Дестабилизирующее влияние будет частично скомпенсировано.
У схемы включения, показанной на рис. 32, очевидное достоинство — простота. Но есть и недостаток — через резистор Rб возникает отрицательная обратная связь (ООС), несколько снижающая входное сопротивление, а также усиление каскада. Однако ООС играет при этом и положительную роль, стабилизируя режим и уменьшая искажения усиливаемого сигнала.
Третья схема включения — с общим коллектором (рис. 33).
В ней батарея питания и резистор нагрузки как бы поменялись местами, и выходной сигнал снимается не с коллектора, а с эмиттера транзистора. Расчет режима каскада по постоянному току остается прежним (как для рис. 32), и его стабилизация осуществляется точно так же. Однако для переменного тока усиливаемого сигнала произошли существенные изменения: теперь между базой и эмиттером транзистора действует не только входное напряжение источника сигнала, но и выходное напряжение, выделяющееся на сопротивлении нагрузки! Иногда говорят, что в этой схеме достигается 100% ООС по напряжению. Разберем работу каскада подробнее.
Напряжение сигнала между базой и эмиттером Uбэ = Uвх — Uвых , но в то же время очевидно, что Uбэ = Uвых/K, где К — коэффициент усиления каскада с ОЭ (~ 100). Приравнивая два выражения, получаем Uвых = KUвх/(K + 1), т.е. выходное напряжение составляет около 0,99 входного. Практически оно его повторяет, поэтому и транзисторный каскад, включенный по схеме с общим коллектором, называют эмиттерным повторителем. Он имеет и другие интересные свойства. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, поскольку выходное напряжение повторяет входное и на нем мало сказываются изменения нагрузки. По этой причине змиттерные повторители очень часто используют в качестве оконечных усилителей, работающих на самые разные нагрузки: громкоговорители, телефоны, длинные линии и т.д.
В то же время входное сопротивление эмиттерного повторителя велико — оно примерно в раз больше сопротивления нагрузки. Действительно, посмотрев еще раз на рис. 33, можно убедиться, что входной ток, потребляемый от источника сигнала, — это ток базы, который в раз меньше эмиттерного тока, текущего в нагрузку. А входное и выходное напряжения сигнала примерно равны. Используя закон Ома, получаем Rвх=*Rн. Отсюда следует другое применение эмиттерного повторителя — его устанавливают на входе усилительных устройств при работе от высокоомного источника сигнала.
Итак, эмиттерный повторитель является усилителем тока: его коэффициент передачи напряжения близок к единице, а коэффициент передачи тока близок к . Желание увеличить последний привело к появлению схем составных транзисторов, наиболее известной из которых является схема Дарлингтона (рис. 34,а). В ней эмиттерный ток первого транзистора служит базовым током второго, в результате общий коэффициент передачи тока равен произведению обоих транзисторов. Он может достигать нескольких тысяч.
Составной транзистор включают точно так же, как и обычный. — его эмиттер, база и коллектор обозначены буквами на рисунке.
Недостаток схемы Дарлингтона в том, что пороговое напряжение открывания составляет уже не 0,6 В, как у обычного кремниевого транзистора, а вдвое больше — 1,2 В. Этот недостаток устранен в схеме составного транзистора, показанной на рис. 34,б. В ней используются транзисторы разной структуры, а для управления током второго транзистора (р-n-р) служит коллекторный ток первого. В остальном свойства этого транзистора такие же, как и у предыдущего.
5.5 Усилитель с жесткой температурной стабилизацией
Стабилизация режима транзистора с помощью только двух резисторов (рис. 32, 33) хотя и обеспечивает неплохую температурную стабильность, все же в ряде случаев оказывается недостаточной. Поэтому разработчики электронных устройств стараются улучшить режим стабилизации, или, как говорят, сделать его жестче.
Схема варианта усилителя, показанная на рис. 35, обеспечивает достаточно жесткую температурную стабилизацию режима при однополярном питании, т.е. при питании от одного источника напряжением Uп (минус источника соединяют с общим проводом — «землей”).
Как видите, база транзистора присоединена к делителю напряжения (R1R2), ток через который выбирают раз в десять больше тока базы, т.е. Uп/(R1 + R2)~10*Iб. При этом ток базы почти не влияет на напряжение базы, которое равно Uб = Uп*R2/(R1 + R2). Его выбирают от 0,1 до 0,5 Uп — чем больше, тем лучше температурная стабилизация. Напряжение на эмиттере кремниевого транзистора будет примерно на 0,6 В меньше, чем Uб, и оно также жестко стабилизировано: Uэ = Uб — 0,6 В (для германиевого транзистора — 0,2 В).
Ток через транзистор определяется сопротивлением резистора R4, включенного в эмиттерную цепь: Iк~Iэ = Uэ/R4. Он практически не зависит от температуры. Сопротивление резистора нагрузки R3 выбирают так, чтобы падения напряжения на нем и на участке коллектор—эмиттер транзистора были примерно одинаковыми — это обеспечит максимально возможную амплитуду усиленного переменного напряжения: R3 = (Uп — Uэ)/(2*Iк).
Описанный вариант стабилизации режима можно применять во всех схемах включения транзистора: с общей базой (ОБ), эмиттером (ОЭ) или коллектором (ОК). На рис.35 изображена схема усилителя с общим эмиттером: сигнал подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С1, а снимается — с коллектора. Конденсатор С2 соединяет по переменному току эмиттер транзистора с общим проводом. Если его не устанавливать, возникнет отрицательная обратная связь (ООС), резко снижающая коэффициент усиления до значения примерно R3/R4. Иногда ООС вводят намеренно, чтобы уменьшить искажения. Тогда резистор R4 составляют из двух, последовательно включенных, и лишь один из них шунтируют конденсатором.
Схему включения с общим коллектором легко получить, если сигнал снять с резистора R4, а коллектор соединить с источником питания, исключив резистор R3. Конденсатор С2 в этом случае отсоединяют от общего провода, и он может служить разделительным.
Для получения схемы с общей базой сигнал подают на нижний (по схеме) вывод конденсатора С2, отсоединив его от общего провода, а левый вывод конденсатора С1, напротив, соединяют с общим проводом. Режим транзистора по постоянному току рассчитывают описанным способом.
После расчета каскада необходимо проверить, не превышены ли допустимые для транзистора напряжения и токи. Важно, чтобы максимально допустимое напряжение коллектор—база (приводится в справочниках) в схеме ОБ либо коллектор—эмиттер в схеме ОЭ было больше напряжения питания. Рассеиваемую на транзисторе мощность можно найти, перемножив коллекторный ток и напряжение коллектор—эмиттер. Она также не должна превышать предельно допустимую для транзистора.
На практике коллекторный ток предварительных каскадов УЗЧ выбирают малым — не более нескольких миллиампер, а в ряде случаев даже менее миллиампера. Токи усилителей радиочастоты обычно несколько больше, чтобы полнее использовать частотные свойства транзистора, но они редко превосходят 10 мА.