ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 24 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 35Следующая ⇒

Иногда согласующий трансформатор применяют и для межкаскадной связи – он позволяет идеально согласовать малое входное сопротивление транзисторного усилителя с большим выходным сопротивлением предыдущего каскада. А то> что во многих случаях конструкторы отказываются от межкаскадного согласующего трансформатора, часто связано лишь с его сравнительно высокой стоимостью. Поэтому оказывается выгодней применить вместо трансформатора пару резисторов и конденсатор, отказавшись от оптимального согласования.

Трансформаторная связь применяется для согласования низкоомного входного сопротивления транзистора с другим высокоомным генератором, колебательным контуром (рис. 84).

Рис. 84. Для того чтобы низкое входное сопротивление транзистора не шунтировало контур, приходится ослаблять связь между ними.

В радиоприемнике колебательный контур получает энергию непосредственно из антенны или из коллекторной цепи усилителя высокой частоты. Не задумываясь над тем, что происходит до контура, его можно считать генератором, который, как обычно, передает энергию потребителю – детектору или входной цепи следующего каскада. Давайте посмотрим, как в этом последнем случае осуществляется согласование генератора с нагрузкой.

Внутреннее сопротивление контура‑генератора зависит от того, как к нему подключить нагрузку. Если подключить R_н параллельно контуру, то он ведет себя как генератор с очень большим эквивалентным сопротивлением – десятки, а иногда сотни ком (верхний листок). Если включить нагрузку в контур последовательно, то он уже представляется генератором с очень небольшим (буквально несколько ом) внутренним сопротивлением (нижний листок). Оба варианта для нас невыгодны – при параллельном подключении к контуру его сопротивление слишком велико, а при последовательном – слишком мало (Воспоминание № 19). А поскольку именно с этим сопротивлением нужно согласовывать нагрузку и поскольку такой нагрузкой является транзистор, можно сказать, что последовательно в контур можно включать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень мало, а параллельно контуру можно подключать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень велико.

Сравнение разных возможностей согласования входной цепи транзистора с колебательным контуром показало, что лучше всего подключать к нему параллельно усилитель по схеме ОЭ, входное сопротивление которого обычно составляет несколько килоом. Однако подключить такое сопротивление непосредственно к контуру нельзя, так как при этом мы не получим никакого согласования. Контур, имеющий эквивалентное сопротивление десятки килоом, отдаст транзистору намного, меньше энергии, чем мог бы. Но это, пожалуй, еще не самое страшное – потери энергии можно как‑нибудь восполнить, например, включив в усилитель еще один каскад.

Шунтирование контура малым входным сопротивлением транзистора влечет за собой еще одну неприятность, последствия которой устранить уже не так просто. При шунтировании контура ухудшается его добротность Q (Воспоминание № 19). А в результате уменьшения Q притупляется резонансная кривая, и контур почти совсем перестает выполнять свою основную работу – перестает выделять сигнал принимаемой станции. Иными словами, шунтируя колебательный контур, мы ухудшаем его избирательность.

Согласование колебательного контура с входной цепью транзистора чаще всего осуществляется с помощью понижающего трансформатора. При этом сопротивление R_н‑вн , как мы уже знаем, оказывается больше, чем сопротивление R_н , и контур шунтируется в меньшей степени, чем это было бы при непосредственном его подключении к. транзистору.

Роль первичной обмотки согласующего трансформатора прекрасно выполняет сама контурная катушка L_к . Рядом с ней располагают катушку связи L_св , которая представляет собой не что иное, как вторичную обмотку трансформатора. Чем меньше витков у катушки связи, тем больше коэффициент трансформации, тем больше сопротивление R_н‑вн , шунтирующее контур, тем, следовательно, выше его добротность. Но, с другой стороны, уменьшая число витков катушки L_св , мы понижаем и напряжение на ней, то есть понижаем напряжение сигнала U_сиг на входе транзистора.

В отличие от трансформатора, на стальном сердечнике в высокочастотном согласующем трансформаторе можно менять вносимое сопротивление еще одним способом – сближая либо раздвигая катушки L_к и L_св . Именно таким способом, как правило, окончательно подбирают наивыгоднейшую, оптимальную связь. Раздвигание катушек равносильно увеличению коэффициента трансформации: если раздвигать катушки L_к и L_св , то напряжение U_сиг падает, а добротность контура Q растет. Что же касается мощности, поступающей от генератора к нагрузке, то есть от контура к транзистору, то при раздвигании катушек эта мощность сначала растет, а затем, после того как вы пройдете точку оптимальной связи, уменьшается.

Что же лучше потерять – добротность контура или уровень управляющего напряжения? Здесь все зависит от того, в чем вы больше нуждаетесь. Так, например, если в приемнике всего один контур, то, может быть, и стоит несколько поднять его избирательность, ослабив связь между катушками и смирившись с потерей, получаемой от контура мощности (это в итоге скажется на громкости приема). Однако, как правило, связь между катушками L_к и L_св подбирают так, чтобы получить оптимальное согласование генератора с нагрузкой, то есть передать из контура на вход транзистора наибольшую мощность. При этом, кстати, и добротность получается достаточно высокой. Во всяком случае, если, добившись оптимальной связи, вы будете и дальше раздвигать катушки, то добротность повысится уже незначительно, в то время как мощность, поступающая на вход транзистора (а в итоге и громкость приема), резко уменьшится.

Наряду с согласующим трансформатором иногда применяют еще и автотрансформатор, сделав, например, отвод у контурной катушки (рис. 43). При этом уменьшение числа витков, к которым подключена нагрузка, равносильно раздвиганию катушек согласующего трансформатора.

В транзисторных усилителях проблема согласования – это, по сути дела, проблема межкаскадной связи, проблема передачи энергии от «начала» к «концу» усилителя, от предыдущего каскада к последующему. Но помимо этой прямой, нормальной связи в усилителях, в том числе и в транзисторных, может быть еще и обратная связь – передача энергии от «конца» усилителя к его «началу». Именно об этой обратной связи сейчас пойдет речь.

ФОКУСЫ С ФАЗАМИ

Обратная связь – сокращенно ОС – в транзисторных усилителях возникает тогда, когда часть мощности выходного сигнала по каким‑то путям попадает во входную цепь. Из‑за этой самой ОС во входной цепи уже действуют два сигнала, два управляющих напряжения – истинный сигнал U_сиг , поступивший, например, из предыдущего каскада, и собственный сигнал U_ос , поступивший из собственной коллекторной цепи транзистора.

Хотим мы этого или не хотим, но обратная связь существует в любом транзисторном усилителе. Она возникает, например, и из‑за того, что входная и выходная цепи имеют некоторые общие участки в самом транзисторе. Так, в схеме ОЭ (рис. 67) коллекторный ток проходит по участку эмиттер – база, а этот участок, естественно, входит и во входную цепь. В итоге любое изменение коллекторного тока приводит к некоторому изменению управляющего напряжения, а это не что иное, как обратная связь.

Обратная связь может возникать и вне транзистора. Так, например, если в усилительном каскаде имеются два колебательных контура – во входной и в выходной цепи – то совсем не исключено, что катушка выходного контура своим электромагнитным полем наведет напряжение в катушке входного контура. И это тоже будет обратная связь, обратное влияние выходной цепи на входную.

Если напряжение U_ос обратной связи, попавшее во входную цепь, действует согласованно с ее основным жителем – напряжением сигнала U_сиг , иными словами, если U_сиг и U_ос совпадают по фазе, то обратная связь называется положительной (рис. 85).

Рис. 85. Положительная обратная связь увеличивает управляющее напряжение, отрицательная обратная связь уменьшает его.

Если же напряжение обратной связи приходит во входную цепь, чтобы мешать ее основному сигналу, если напряжения U_сиг и U_ос действуют в противофазе, то обратная связь называется отрицательной.

Не нужно долгих рассуждений, чтобы прийти к выводу, что положительная обратная связь, по сути дела, повышает усиление каскада: напряжения U_сиг и U_ос складываются, общее управляющее напряжение становится больше, увеличиваются переменные составляющие эмиттерного и коллекторного токов, и в итоге растет напряжение на нагрузке. А от источника сигнала мы при этом никакой дополнительной помощи не просим. Выходной сигнал, а вместе с ним и усиление каскада увеличиваются «бесплатно», только за счет внутренних ресурсов, за счет положительной ОС.

При введении отрицательной обратной связи все происходит наоборот: напряжения U_сиг и U_ос действуют в противофазе, общее управляющее напряжение с введением отрицательной ОС становится меньше, а в итоге становится меньше и выходной сигнал. Иными словами, отрицательная обратная связь в итоге уменьшает усиление каскада.

На основании сказанного так и хочется сделать вывод, что положительная обратная связь – это хорошо, а отрицательная – это плохо. Однако не стоит торопиться с выводами. Человек, как известно, «не хлебом единым жив», а от усилителя требуется не одно только большое усиление.

Положительная обратная связь действительно без дополнительных затрат повышает усиление. Этим достоинством положительной ОС пользуются, например, когда хотят как можно дешевле построить приемник с высокой чувствительностью (то есть без дополнительных транзисторов и практически без дополнительного расхода энергии батарей).

Если в погоне за усилением все больше и больше увеличивать обратную связь, то можно вообще потерять все на свете, подобно тому как это было с жадной старухой в «Сказке о рыбаке и рыбке». Но жизнь старухи после того, как она превысила некоторый порог жадности, скачком вернулась в исходное состояние, а в усилителе после того, как будет превышен некоторый допустимый порог положительной ОС, произойдет скачок совсем другого рода – усилитель вообще исчезнет. То есть все транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали останутся на месте, но усилителя не будет – он превратится в генератор. При слишком сильной положительной обратной связи возникает самовозбуждение – из выходной цепи во входную поступает напряжение настолько большое, что, преодолев все потери, оно управляет коллекторным током без всякой посторонней помощи, без сигнала U_сиг . В итоге такого самоуправления ток в коллекторной цепи меняется, на нагрузке действует переменное напряжение. Небольшая часть выходного напряжения возвращается во входную цепь, чтобы поддерживать этот непрекращающийся процесс.

О превращении усилителя в генератор мы еще поговорим (стр. 303). А пока лишь отметим, что самовозбуждение – это и есть главная неприятность, которую приносит с собой положительная обратная связь. И то, что в транзисторных усилителях не столько вводят положительную обратную связь, чтобы поднять усиление, сколько борются с паразитной, возникающей помимо нашего желания положительной ОС, которая делает работу усилителя неустойчивой, приводит к его самовозбуждению.

В то же время отрицательная обратная связь, которая неизбежно снижает усиление и от которой, казалось бы, ничего хорошего и ждать нечего, пользуется большой популярностью, потому что с помощью отрицательной ОС можно сделать много полезных дел, например – повысить входное сопротивление усилительного каскада и тем самым облегчить его согласование с предыдущим каскадом.

Увеличение входного сопротивления в этом случае объясняется довольно просто. Из‑за отрицательной ОС переменная составляющая тока во входной цепи уменьшается, хотя источник сигнала какое давал напряжение U_сиг , такое и дает. А то, что при неизменном напряжении уменьшается ток, равносильно повышению входного сопротивления (рис. 56).

Вооружившись этой простой истиной, мы можем теперь совсем по‑другому взглянуть на схему с общим коллектором (рис. 73). В этой схеме выходное напряжение полностью попадает во входную цепь – между базой и эмиттером действуют два напряжения U_вх и U_вых . Иными словами, усилитель с общим коллектором охвачен очень глубокой обратной связью. Эта обратная связь оказывается отрицательной: когда сигнал U_сиг увеличивает на базе «минус», выходное напряжение U_вых увеличивает «минус» на эмиттере. В результате такого противодействия со стороны U_вых уменьшается переменная составляющая тока во входной цепи (при неизменном U_сиг ), поэтому схема ОК обладает очень высоким входным сопротивлением. По этой же причине она не дает никакого усиления по напряжению.

Здесь, на самом интересном месте, мы прервем рассказ о достоинствах и недостатках обратной связи, о том, как сложно формируются понятия «хорошо» и «плохо», когда дело касается электронных схем. Мы прервем свой рассказ потому, что с некоторыми особенностями обратной связи удобней будет познакомиться в следующих главах, на примерах ее практического использования. А сейчас наступила очередь «последнего сказанья» об абстрактном усилителе, после чего мы сможем наконец перейти к конкретным усилительным схемам.

БРОСОК НА ЮГ

Даже не совершая длительных многодневных путешествий, можно почувствовать, как велики просторы нашей страны. Можно, например, подсчитать, что на ее территории разместится пятьдесят тысяч таких гигантов, как Москва, и население получившегося при этом «супергорода» составит примерно триста миллиардов человек – в сто раз больше, чем на всем земном шаре. А еще можно представить себе, как жители Бреста, прогуливаясь после трудового дня по улицам своего тихого зеленого города, любуются яркими красками заката и как в то же самое время солнце уже выплывает из‑за горизонта с другой стороны земного шара и начинает новый день во Владивостоке. Можно, наконец, просто послушать по радио сводку погоды и убедиться, что в начале марта, когда официально начинается весна, в Норильске еще стоят двадцатиградусные морозы, а в Сухуми уже двадцатиградусная жара.

Если в такое время года вам понадобится пересечь страну с севера на юг, то наверняка придется положить в чемодан и теплую зимнюю шапку, и летние сандалии. А если захотите взять с собой в дорогу самодельный транзисторный приемник, то обязательно нужно будет принять меры, чтобы он без осложнений перенес столь резкое изменение климата. Потому что сами транзисторы очень чувствительны к изменению температуры, и если не принять мер, то приемник, сделанный и налаженный при средней комнатной температуре, может совсем не работать под жаркими лучами южного солнца.

Мы уже несколько раз говорили, что в полупроводнике при изменении температуры резко – примерно в два раза на каждые десять градусов – меняется число собственных (неосновных) зарядов. В диоде эти неосновные заряды создают обратный ток I_обр (рис. 17, 21), а в транзисторе из них образуется обратный ток коллектора I_ко (рис. 60).

При нагревании диода из‑за увеличения I_обр pn ‑переход достигает границы допустимой мощности при более низком напряжении, и поэтому столь важная характеристика, как допустимое обратное напряжение диода, заметно понижается. Эта же неприятность происходит и при нагреве транзисторов. Так, например, если при температуре 20 °C коллекторный переход транзистора спокойно выдерживает напряжение 50 в, то при температуре 60 °C он может оказаться пробитым уже при напряжении 20 в. Но это еще не все.

Нагрев транзистора может привести к еще одной и притом очень серьезной неприятности – к резкому изменению режима и параметров транзисторного усилителя. И это опять‑таки связано с ростом начального тока коллектора I_ко из‑за увеличения числа собственных (неосновных) зарядов.

Разные схемы усилителей по‑разному меняют свой режим под влиянием температуры, даже если в этих схемах работают одинаковые транзисторы, с одним и тем же начальным током. Так, в частности, схема ОБ свой режим меняет в очень малой степени. Обратный ток коллектора I_ко в этой схеме только и делает, что прибавляется к основному коллекторному току I_к . А поскольку I_к , как правило, значительно больше, чем I_ко , то, как бы ни менялся этот последний, он не может заметно повлиять на общий коллекторный ток.

Подтвердим это числовым примером. В реальном случае в усилительном каскаде с маломощным транзистором I_к составляет 2 ма, а обратный ток I_ко при комнатной температуре 20 °C у средних транзисторов равен 10 мка. Допустим, что транзистор нагреется до 70 °C и его обратный ток, увеличившись в 32 раза (при нагревании на 10 °C ток I_ко растет в два раза, а значит, при нагревании на 50° он увеличивается в 2⁵ = 32 раза), возрастет до 320 мка. При этом коллекторный ток увеличится до 2,32 ма (2 ма + 320 мка), то есть примерно на 16 %. Таким сравнительно небольшим изменением коллекторного тока, как правило, можно пренебречь. Но, повторяем, вся эта картина относится только к схеме ОБ, где I_ко только увеличивает коллекторный ток, и ничего больше.

Совсем по‑другому развиваются события в схемах ОЭ и ОК, где коллекторный ток проходит по эмиттерному рn ‑переходу и поэтому оказывает влияние на режим транзистора через главный командный пункт – через входную цепь. В итоге получается, что всякое изменение неуправляемого тока I_ко усиливается в β раз, то есть при нагревании изменение коллекторного тока оказывается в β раз больше, чем изменение самого I_ко .

Давайте прикинем, к чему приводит «усиление нестабильности» – усиление тока I_ко . Так же как и в предыдущем примере, предположим, что при комнатной температуре 20 °C ток I_ко = 10 мка, а при температуре 70 °C этот ток увеличивается до 320 мка. Кроме того, предположим, что коэффициент усиления по току у выбранного транзистора равен β = 50. Теперь подсчитаем: в схеме ОЭ начальный ток I_к‑н (строго говоря, этот ток нужно называть сквозным током в цепи эмиттер‑коллектор) будет равен при комнатной температуре I_к‑н(20) = β ·I_ко = 50·10 = 500 мка. При нагревании транзистора до 70° коллекторный ток I_к‑н , как и в предыдущем примере, увеличится в 32 раза (потому что в 32 раза возрастет I_ко ) и станет равным 16 ма.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 121; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 232425 26 27 28 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!