Взаимодействие входа и выхода в транзисторах с биполярным переходом (ТБП)[1]
Чтобы преодолеть проблему создания необходимого напряжения смещения постоянного тока для входного сигнала усилителя, не прибегая к установке батареи последовательно с источником сигнала переменного тока, раннее мы использовали делитель напряжения, подключённый к источнику питания постоянного тока. Чтобы это работало вместе с входным сигналом переменного тока, мы «связали» источник сигнала с делителем через конденсатор, который действовал как фильтр верхних частот. При такой фильтрации низкое сопротивление источника сигнала переменного тока не могло «закоротить» падение постоянного напряжения на нижнем резисторе делителя напряжения. Решение простое, но не без изъянов.
Наиболее очевидным является тот факт, что использование конденсатора в качестве фильтра верхних частот для подключения источника сигнала к усилителю означает, что усилитель может только усиливать сигналы переменного тока. Неизменяемое постоянное напряжение, подаваемое на вход, блокируется разделительным конденсатором так же, как напряжение смещения делителя напряжения блокируется от входного источника. Кроме того, поскольку ёмкостное реактивное сопротивление зависит от частоты, низкочастотные сигналы переменного тока не будут усилены так сильно, как высокочастотные сигналы. Несинусоидальные сигналы склонны искажаться, поскольку конденсатор по-разному реагирует на каждую из гармоник, входящую в сигнал.
Ярким примером вышесказанного может быть низкочастотный прямоугольный сигнал:
Рис. 1. Низкочастотный прямоугольный сигнал с ёмкостной «связью» демонстрирует искажения.
Кстати, та же проблема возникает, когда входы осциллографа установлены в режим «Связь по переменному току», как показано на рисунке 2 ниже.
В этом режиме конденсатор связи расположен последовательно с измеряемым сигналом напряжения, дабы устранить любое вертикальное смещение отображаемой формы волны из-за постоянного напряжения, объединённого с сигналом. Это нормально работает, когда переменная составляющая измеряемого сигнала имеет довольно высокую частоту, а конденсатор имеет небольшой импеданс для сигнала. Однако, если сигнал имеет низкую частоту или содержит значительные уровни гармоник в широком диапазоне частот, отображение формы сигнала осциллографом не будет точным.
Низкочастотные сигналы можно просмотреть, установив осциллограф в режим «Связь по постоянному току»:
Рис. 2. При подключении по постоянному току осциллограф правильно показывает форму прямоугольной волны, исходящей от генератора сигналов.Рис. 3. Низкая частота: при подключении по переменному току фильтрация верхних частот разделительного конденсатора искажает форму прямоугольной волны, так что то, что видно на экране осциллографа, не является точным представлением реального сигнала.
Прямая «связь»
В приложениях, где ограничения ёмкостной «связи» (с учётом рисунков выше) были бы недопустимыми, можно использовать другое решение: прямая «связь». Прямая «связь» позволяет избежать использования конденсаторов или любых других частотно-зависимых компонентов связи в пользу резисторов:
Рис. 4. Усилитель с прямой «связью»: прямое подключение к динамику.
Без конденсатора для фильтрации входного сигнала эта форма «связи» не имеет частотной зависимости. Сигналы постоянного и переменного тока одинаково усиливаются транзистором с одинаковым коэффициентом усиления (сам транзистор может усиливать одни частоты лучше, чем другие, но это совершенно другая тема!).
Если прямая «связь» работает как для сигналов постоянного, так и переменного тока, тогда зачем вообще использовать ёмкостную «связь» для чего-либо? Одна из причин может заключаться в том, чтобы избежать любого нежелательного напряжения смещения постоянного тока, естественным образом присутствующего в усиливаемом сигнале. Некоторые сигналы переменного тока могут накладываться на неконтролируемое напряжение постоянного тока прямо от источника, а неконтролируемое напряжение постоянного тока сделает надёжное смещение транзистора невозможным. Здесь хорошо работает фильтрация верхних частот, обеспечиваемая разделительным конденсатором, чтобы избежать проблем смещения.
Ещё одна причина использовать ёмкостную «связь», а не прямую – это относительное отсутствие затухания сигнала. Непосредственная «связь» через резистор имеет недостаток, заключающийся в ослаблении входного сигнала, так что только часть его достигает базы транзистора. Во многих приложениях в любом случае необходимо некоторое затухание, чтобы предотвратить «перегрузку» уровня сигнала транзистора до отсечки и насыщения, поэтому любое затухание, присущее цепи со «связью», в любом случае полезно. Тем не менее, некоторые приложения требуют, чтобы не были потерь сигнала от входного подключения к базе транзистора для максимального усиления напряжения и прямой схемы со «связью» с делителем напряжения для смещения просто не хватает.
До сих пор мы обсуждали несколько методов подключения входного сигнала к усилителю, но не рассмотрели вопрос подключения выхода усилителя к нагрузке. Пример схемы, используемый для иллюстрации входной «связи», будет хорошо служить для иллюстрации проблем, связанных с выходной «связью».
В нашей примерной схеме нагрузкой является динамик. Большинство динамиков имеют электромагнитную конструкцию: то есть они используют силу, создаваемую легкой катушкой электромагнита, подвешенной в сильном поле постоянного магнита, для перемещения тонкого бумажного или пластикового конуса, создавая колебания в воздухе, которые наши уши интерпретируют как звук. Приложенное напряжение одной полярности перемещает конус наружу, а напряжение противоположной полярности перемещает конус внутрь. Чтобы использовать полную свободу движения диффузора, динамик должен получать истинное (несмещённое) переменное напряжение. Смещение постоянного тока, приложенное к катушке динамика, смещает конус от его естественного центрального положения, и это ограничивает возвратно-поступательное движение, которое он может выдерживать из-за приложенного напряжения переменного тока без чрезмерного перемещения. Однако в нашей примерной схеме к динамику применяется переменное напряжение только одной полярности, потому что динамик подключён последовательно с транзистором, который может проводить ток только в одном направлении. Это неприемлемо для любого мощного аудиоусилителя.
Как-то нам нужно изолировать динамик от постоянного тока смещения коллектора, чтобы он получал только переменное напряжение. Одним из способов достижения этой цели является соединение цепи коллектора транзистора с динамиком через трансформатор:
Рис. 5. Трансформаторная муфта изолирует постоянный ток от нагрузки (динамика).
Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке (на стороне динамика) трансформатора, будет строго обусловлено изменениями тока коллектора, поскольку взаимная индуктивность трансформатора влияет только на изменения тока обмотки. Другими словами, только часть переменного тока сигнала тока коллектора будет подключена к вторичной обмотке для питания динамика. Громкоговоритель будет «видеть» истинный переменный ток на своих выводах без какого-либо смещения постоянного тока.
«Связь» на выходе трансформатора работает и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в возможности обеспечить согласование импеданса между схемой транзистора и катушкой динамика с настраиваемыми соотношениями обмоток. Однако трансформаторы обычно бывают большими и тяжёлыми, особенно для мощных приложений. Кроме того, сложно спроектировать трансформатор для обработки сигналов в широком диапазоне частот, что почти всегда требуется для аудиоприложений. Что ещё хуже, постоянный ток через первичную обмотку увеличивает намагничивание сердечника только при одной полярности, что приводит к более легкому насыщению сердечника трансформатора в одном цикле полярности переменного тока, чем в другом. Эта проблема напоминает прямое последовательное соединение динамика с транзистором: постоянный ток смещения ограничивает амплитуду выходного сигнала, с которой система может справиться без искажений. Однако, как правило, трансформатор может быть спроектирован так, чтобы выдерживать без проблем гораздо больший постоянный ток смещения, чем динамик, поэтому в большинстве случаев трансформаторное соединение по-прежнему является жизнеспособным решением. См. раздел «Трансформатор связи» между Q4 и динамиком, в главе 9 как пример трансформаторной «связи».
Другой способ изолировать динамик от смещения постоянного тока в выходном сигнале – немного изменить саму схему и использовать разделительный конденсатор аналогично подключению входного сигнала к усилителю:
Рис. 6. Конденсаторная муфта изолирует постоянный ток от нагрузки.
Эта схема на рисунке выше напоминает более традиционную форму усилителя с общим эмиттером, в котором коллектор транзистора подключён к батарее через резистор. Конденсатор действует как фильтр верхних частот, пропуская бо́льшую часть переменного напряжения в динамик, блокируя все постоянное напряжение. Опять же, номинал этого разделительного конденсатора выбирается так, чтобы его полное сопротивление на ожидаемой частоте сигнала было произвольно низким.
Блокировка постоянного напряжения на выходе усилителя, будь то через трансформатор или конденсатор, полезна не только для подключения усилителя к нагрузке, но также для подключения одного усилителя к другому усилителю. «Ступенчатые» усилители часто используются для достижения более высокого усиления мощности, чем то, что было бы возможно при использовании одного транзистора:
Рис. 7. Трехкаскадный усилитель с общим эмиттером с конденсаторной «связью».
Хотя можно напрямую соединить каждый каскад со следующим (через резистор, а не конденсатор), это делает весь усилитель очень чувствительным к изменениям напряжения смещения постоянного тока первого каскада, поскольку это напряжение постоянного тока будет усиливаться вместе с сигналом переменного тока до последней ступени. Другими словами, смещение первой ступени повлияет на смещение второй ступени и так далее. Однако, если каскады имеют ёмкостную «связь», показанную на приведённом выше рисунке 7, смещение одного каскада не влияет на смещение следующего, потому что постоянное напряжение не может передаваться на следующий каскад.
Трансформаторная «связь» между каскадами усилителя также возможна, но встречается реже из-за некоторых проблем, присущих трансформаторам, о чём упоминалось выше. Одно заметное исключение из этого правила – усилители радиочастоты (рисунок 8 ниже) с небольшими трансформаторами связи, имеющими воздушные сердечники (что делает их невосприимчивыми к эффектам насыщения), которые являются частью резонансного контура, блокирующего передачу нежелательных гармонических частот на последующие этапы. Использование резонансных схем предполагает, что частота сигнала остаётся постоянной, что типично для радиосхем. Кроме того, эффект «маховика» в колебательных LC-контурах обеспечивает работу класса C с высокой эффективностью.
Обратите внимание на трансформаторную «связь» между транзисторами Q1, Q2, Q3 и Q4 в схеме Regency TR1 из главы 9. Три трансформатора промежуточной частоты (ПЧ) в пунктирных прямоугольниках передают сигнал ПЧ от коллектора к базе следующих транзисторных усилителей ПЧ. Усилители промежуточной частоты – радиочастотные, хотя это уже будут другие частоты, чем РЧ на входе антенны.
С учётом вышесказанного, необходимо отметить, что можно использовать прямую «связь» внутри транзистора в схемах многоступенчатых усилителей. В случаях, когда ожидается, что усилитель будет обрабатывать сигналы постоянного тока, другой альтернативы нет.
Тенденция современной электроники к более широкому использованию интегральных схем (ИС) стимулирует использование прямой «связи» вместо трансформаторной или конденсаторной. Единственный простой в изготовлении компонент интегральной схемы – это транзистор. Также могут изготавливаться резисторы среднего качества. Хотя предпочтение отдаётся транзисторам. Возможно также использование встроенных конденсаторов до нескольких десятков пФ. Конденсаторы большой ёмкости не интегрируются. При необходимости это могут быть разве что внешние компоненты. То же самое и с трансформаторами. Поскольку интегрированные транзисторы недороги, как можно больше транзисторов заменяют неисправные конденсаторы и трансформаторы. В ИС между внешними компонентами связи заложено максимально возможное усиление с прямой «связью». Хотя используются внешние конденсаторы и трансформаторы, они даже проектируются, если это возможно. В результате современное IC радио (про него см. в главе 9) совсем не похоже на оригинальную 4-транзисторную магнитолу.
Даже дискретные транзисторы стоят недорого по сравнению с трансформаторами. Громоздкие преобразователи аудио можно заменить на транзисторы. Например, конфигурация с общим коллектором (эмиттерным повторителем) может соответствовать сопротивлению низкого выходного сопротивления, как у динамика. Также возможно заменить большие конденсаторы «связи» транзисторной схемой.
Мы по-прежнему любим иллюстрировать тексты с помощью усилителей звука с трансформаторной «связью». Эти схемы просты. Количество компонентов невелико. И это хорошие вводные схемы – их легко понять даже новичку.
Схема на рисунке 9.а ниже представляет собой упрощённый двухтактный аудиоусилитель с трансформаторной «связью». В двухтактном режиме пара транзисторов попеременно усиливает положительную и отрицательную части входного сигнала. Ни один из транзисторов не проводит ток при отсутствии входного сигнала. Положительный входной сигнал будет положительным в верхней части вторичной обмотки трансформатора, заставляя верхний транзистор проводить. Отрицательный вход будет давать положительный сигнал в нижней части вторичной обмотки, переводя нижний транзистор в состояние проводимости. Таким образом, транзисторы усиливают чередующиеся половины сигнала. Как показано, ни один из транзисторов на рисунке 9.а ниже не будет проводить для входного сигнала ниже 0,7 В (на пике). Практическая схема соединяет центральный отвод вторичной обмотки с резистивным делителем на 0,7 В (или больше) вместо «земли» для смещения обоих транзисторов класса B.
Рис. 9. (а) Двухтактный усилитель с трансформаторной «связью». (б) Усилитель на комплементарной паре с прямой «связью» заменяет трансформаторы на транзисторы.
Схема на рисунке 9.б выше является современной версией, в которой функции трансформатора выполняют транзисторы. Транзисторы Q1 и Q2 представляют собой усилители с общим эмиттером, инвертирующие сигнал с усилением от базы к коллектору. Транзисторы Q3 и Q4 известны как комплементарная пара. А всё потому, что эти NPN и PNP транзисторы усиливают чередующиеся половины (положительную и отрицательную соответственно) волны сигнала. Параллельное соединение оснований позволяет разделить фазы без входного трансформатора в точке (рис. 9.а). Динамик является эмиттерной нагрузкой для Q3 и Q4. Параллельное соединение эмиттеров NPN и PNP транзисторов устраняет необходимость в выходном трансформаторе с центральным отводом в точке (рис. 9.a). Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя служит для согласования низкого импеданса динамика 8 Ом с предыдущим каскадом с общим эмиттером. Таким образом, недорогие транзисторы заменяют трансформаторы. Полную схему см. в теме «Усилитель звука с прямой комплементарной симметрией мощностью 3 Вт», глава 9.
Итог
Ёмкостная «связь» действует как фильтр верхних частот на входе усилителя. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению усилителя при более низких частотах сигнала. Усилители с ёмкостной «связью» практически не реагируют на входные сигналы постоянного тока.
Прямая «связь» с последовательным резистором вместо последовательного конденсатора позволяет избежать проблемы частотно-зависимого усиления, но имеет недостаток, заключающийся в уменьшении усиления усилителя для всех частот сигнала за счёт ослабления входного сигнала.
Трансформаторы и конденсаторы могут использоваться для подключения выхода усилителя к нагрузке, чтобы исключить попадание постоянного напряжения на нагрузку.
Многокаскадные усилители часто используют ёмкостную «связь» между каскадами, чтобы устранить проблемы с смещением одного каскада, влияющим на смещение другого.
