Картонный усилитель сегодня

     Чтобы лучше понять работу этой схемы, рекомендую вначале прочитать о том, с чего всё начиналось.

Анализ недостатков легендарного картонного усилителя

Усилитель, о котором рассказывалось в предыдущем разделе, служил в студии очень долго. Потом был долгий перерыв в вещании, и усилитель был сложен на верхнюю полку на кухне. Там он ежедневно подвергался суровым климатическим испытаниям, поскольку располагался одинаково близко как к стояку батареи отопления, так и к открывающейся изредка фортке. Кроме того, на нем конденсировались различные ядовитые испарения, исходящие из кухонной плиты. Нельзя сказать, что всё это как-то повлияло на работоспособность усилителя: в тот момент, когда вещание решено было возобновить, усилитель был снят с полки и запущен. Однако картон под действием погодных условий начал сгибаться в трубу, в результате чего усилитель стал очень неустойчивым и не раз падал со стола (и такое случалось даже во время эфира).
В общем, стало очевидно, что усилитель нуждается в модернизации. В первую очередь к картону был привинчен металлический уголок, не позволяющий усилителю сворачиваться. А заодно была изрядно пересмотрена вся схема усилителя, для чего был проведён ряд экспериментов.
Поскольку в качестве одного из источников сигнала предполагалось использовать компьютер, необходимо было ввести в усилитель трансформаторную развязку. Правильнее всего было бы сделать её прямо на выходе усилителя, но при этом потребовался бы мощный трансформатор, упал бы КПД усилителя, а при отключенной нагрузке транзисторы выходного каскада оказались бы нагружены на значительную индуктивность первичной обмотки этого трансформатора, что им явно не полезно. Поэтому трансформатор был поставлен на входе картонного усилителя.
Конечно, тут же возник вопрос, должен ли в таком случае усилитель иметь коэффициент усиления больше единицы, или можно обойтись повторителем, а на входе установить повышающий трансформатор. Усилитель был подключен по традиционной схеме двухтактного эмиттерного повторителя, и качество его работы на слух было оценено, как весьма высокое. Однако потом оказалось, что усилитель иногда сам по себе начинал генерировать колебания на ультразвуковой частоте (чего на слух заметно не было), отчего все транзисторы изрядно грелись (была реальная опасность потерять драгоценные ГТ402 и ГТ404). Поэтому от повышающего трансформатора на входе пришлось отказаться.
Параллельно с этим экспериментом был проведён анализ работы описанного ранее усилителя с цепями вольтодобавки и без них. Результат был получен неожиданный: при работе усилителя на холостом ходу подключение цепей вольтодобавки почти не увеличивает выходной сигнал, но ощутимо поднимает верхние частоты звукового спектра. При работе усилителя на эквивалент нагрузки цепи вольтодобавки вообще ни на что не влияют. Введение же цепей вольтодобавки в повторитель с повышающим трансформатором на входе дополнительно увеличивало вероятность перехода к генерации.
Тут надо сделать небольшое отступление. Оказалось, что разработка подобных простых усилителей очень полезна для понимания принципов построения усилителей и сущности происходящих в них явлений. В частности, был осмыслен довольно редко упоминаемый тезис о том, что эмиттерный повторитель, охваченный цепью неглубокой положительной обратной связи (ПОС) - это то же самое, что усилитель, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и охваченный глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Попытавшись охватить каскад с общим эмиттером стопроцентной ООС, можно получить самый обычный эмиттерный повторитель.
Если теперь с этой точки зрения посмотреть на четырёхтранзисторный картонный усилитель, то многое становится ясно. Усилитель можно рассматривать, как однокаскадный: каждая пара из маломощного и мощного транзисторов образует один составной транзистор, а два получившихся составных транзистора по переменному току работают параллельно на общую нагрузку. Таким образом, на этот усилитель также можно смотреть с двух сторон: как на повторитель, охваченный ПОС, или как на усилитель по схеме с ОЭ, охваченный ООС. Таким образом, если традиционный двухтактный эмиттерный повторитель, работющий с небольшим током покоя и имеющий при этом некоторый (сравнительно небольшой) коэффициент нелинейных искажений, не изменяя ток покоя переключить в состояние усилителя с ОЭ, то эти искажения тут же возрастут (за счёт ПОС). Кроме того, например, из теории операционных усилителей известно, что, чем больше усиление усилителя на ОУ, охваченном ООС, тем меньше его верхняя граничная частота. Эти два факта и объясняют столь большие искажения и столь узкий диапазон воспроизводимых частот, которые были свойственны картонноми усилителю, построенному на очень низкочастотных германиевых транзисторах, включенных по схеме с ОЭ.
Был сделан макет, в котором обратную связь можно было плавно регулировать, перестраивая каскад из схемы с ОК в схему с ОЭ. Оказалось, что (по субъективным оценкам) скорость падения качества звучания при таком плавном переходе гораздо выше скорости роста коэффициента усиления. Имненно поэтому в тех схемах, где выходные транзисторы включены по схеме с ОЭ, применяются кремниевые высокочастотные транзисторы (обычно комплементарные), а весь усилитель охватывается довольно глубокой ООС. [1] В данном же случае транзисторы были низкочастотными, а весь усилитель - однокаскадным, и глубокая ООС в нём невозможна.
Обычно считают, что цепь вольтодобавки - параллельная положительная ОС по напряжению, охватывающая выходной эмиттерный повторитель. Однако, если выходные транзисторы включены по схеме с ОЭ (как в легендарном картонном усилителе), то цепь вольтодобавки перестаёт быть положительной обратной связью, а становится цепью блокирования небольшой ООС, осуществляемой через резисторы смещения. При этом, поскольку конденсаторы вольтодобавки имеют небольшую ёмкость, ООС блокируется только на высоких частотах звукового спектра, что и ощущается, как подъём ВЧ ненагруженного усилителя. В усилителе, работающем на эквивалент нагрузки, коэффициент усиления значительно меньше, соответственно меньше становится и обратная связь, а потому и эффект её блокирования незаметен.
Таким образом, "загадочное" поведение усилителя в экспериментах удалось объяснить.

Новая схема

Таким образом, стало ясно, что нужно отказываться от использования в выходном каскаде низкочастотных германиевых транзисторов, включенных по схеме ОЭ. Поскольку отказываться от использования этих транзисторов не хотелось, было решено включить выходные составные транзисторы по традиционной схеме - двухтактным эмиттерным повторителем. Конечно, для усиления напряжения в этом случае требовался ещё хотя бы один дополнительный каскад. Обычно в таком случае применяют одну из двух схем: усилитель на двух транзисторах разной структуры с непосредственной связью между каскадами или входной дифференциальный усилитель, за которым следует каскад усиления напряжения (а это уже три транзистора). Но схемы эти настолько избитые, что повторять их лишний раз не хотелось, к тому же в этом случае схема усилителя потеряла бы главное качество - простоту. В 60-е годы была распространена схема, в которой перед двухтактным эмиттерным повторителем установлен каскад по схеме с ОЭ на одном транзисторе, напряжение смещения на базу которого поступает через резистор с выхода усилителя. Очевидно, что постоянное напряжение на выходе в такой схеме нестабильно, а для установки нулевого значения этого напряжения требуется подбор указанного резистора. В 1966 году было предложено два способа стабилизации постоянного напряжения на выходе усилителя, собранного по такой схеме, но обнаружена эта работа была уже в процессе написания данной статьи. К тому же для этих схем требуется ещё один дополнительный транзистор. [2]
Для постройки усилителя было выбрано другое решение, описанное сравнительно недавно. [3] Использована всё та же особенность эмиттерного повторителя "превращаться" в каскад с ОЭ под действием ПОС. В качестве усилителя напряжения в схему был добавлен входной однотактный каскад на одном транзисторе по схеме с ОК. Для снижения искажений ПОС был охвачен не весь усилитель (как раньше), а только этот однотактный каскад. По постоянному току вся схема работает, как повторитель, поэтому установка нулевого постоянного напряжения на выходе усилителя, казалось бы, не составляет никакого труда. В действительности из-за немалых обратных токов германиевых транзисторов проблема установки и стабилизации этого напряжения всё же имеется, но она не так существенна, как в каскаде по схеме с ОЭ.

Новая схема картонного усилителя

Получившаяся схема изображена на рисунке. Входной трансформатор имеет коэффициент трансформации, близкий к 1. Он служит для гальванической развязки источника сигнала и радиосети. Благодаря этому трансформатору выход усилителя можно подключать к абонентской линии непосредственно (соединять общий провод усилителя с заземлением или нулевым проводом нельзя). Резисторы R1 и R2 предотвращают самовозбуждение усилителя, R4 и R5 задают смещение на базе VT1 (что определяет постоянное напряжение на выходе всей схемы), они же совместно с R3 и C1 образуют цепь положительной обратной связи, определяющей усиление по напряжению первого каскада. R8, R9 и C2 образуют традиционную вольтодобавку. (Кстати, заметим, что смысл этой цепи в подобных двухтактных выходных каскадах немного не соответствует её названию. Основное её назначение - стабилизация мгновенного значения тока через резисторы базового смещения выходных транзисторов, в данном случае, R6 и R7 и, соответственно, падения напряжения на них при работе усилителя. Без этой цепи в одни полупериоды выходного напряжения сквозной ток через выходные транзисторы увеличивался бы, а в другие - уменьшался. Этому обстоятельству, к сожалению, редко уделяют внимание.) Цепь R11VD1 введена для улучшения симметрии входных сопротивлений выходного каскада для положительных и отрицательных полупериодов. Она появилась ещё в экспериментах со старым вариантом усилителя (где выходные транзисторы усиливали напряжение) и там была гораздо актуальнее, но и в повторителе не мешает.

Литература

1. М. Дорофеев. Режим B в усилителях мощности ЗЧ // Радио, 1991, №3, стр. 53.
2. А. Синельников. Термостабилизация транзисторных усилителей мощности // Радио, 1966, №6, стр 28.
3. М. Чумаков. Транзисторный УМЗЧ с многопетлевой ООС // Радио, 2005, №7, стр. 20

НА СТРАНИЦУ
"БОРОДАТЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК"		 НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ