В схемах на электронных лампах охотно прибегают к обратной связи с целью уменьшить искажения и ослабить влияние колебаний напряжения питания. В схемах на транзисторах обратная связь может принести такую же пользу, а кроме того, она в известной мере может нейтрализовать воздействие изменений температуры, к которым полупроводниковые приборы, как известно, очень чувствительны.
Рассматривая эти различные применения обратной связи, наши друзья установят, что транзистор по своей природе имеет некоторую внутреннюю обратную связь. Это больше, чем что бы то ни было, доказывает, что у этого полупроводникового прибора все зависит от всего…
Содержание: Преимущества схем с обратной связью. Обратная связь по току и по напряжению. Схемы на лампах и на транзисторах. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления. Фазовые искажения, вносимые транзисторами. Внутренняя обратная связь. Появление искажений при повышении температуры и их ослабление с помощью обратной связи. Применение терморезисторов.
Действительность превосходит вымысел
Любознайкин. — Что я вижу, Незнайкин? Ты сжигаешь целую кучу книг! Что означает это сожжение?
Незнайкин. — Я предаю огню свою библиотеку научно-фантастической литературы. Зачем хранить эти фантастические романы о будущем, если действительность далеко превзошла воображение их авторов? И в связи с этим я хотел задать тебе вопрос относительно этих колоссальных шаров-спутников, которые должны на высоте 35 000 км вращаться вокруг Земли, делая один оборот за 24 ч, в результате они всегда будут оставаться над одной и той же точкой земного шара.
Л. — Ты прекрасно знаешь, что они позволяют установить дальнюю связь, так как радиоволны будут отражаться от их металлизированной оболочки. С помощью этих шаров можно осуществлять обмен телевизионными передачами на очень больших расстояниях.
Н. — Это я знал, по в этой истории с искусственными спутниками меня заинтересовало то, что шары надуваются уже после их выхода на орбиту, что, как мне кажется, сильно усложняет дело.
Л. — Что ты, Незнайкин! Разве ты не понимаешь, что шары такого диаметра в надутом состоянии абсолютно не способны пролететь через земную атмосферу со скоростью 8 км/с. Напротив, в пустоте, которая царит на высоте, где они находятся, ничто не препятствует их движению.
Н. — Мне стыдно, что я до этого не додумался. И тем не менее я знаю добрый старый закон Ньютона, гласящий, что каждое действие встречает равное ему противодействие, направленное в противоположную сторону. Очевидно, это то противодействие, которое некогда изучали в радиотехнике под названием обратной связи.
Вопросы коррекции
Л. — Не совсем так, мой дорогой друг. Конечно, обратная связь предполагает направленное в обратную сторону действие, которое оказывается противоположным первоначальному действию. Но не следует забывать, что в том виде, как мы ее рассматриваем, она осуществляется путем ввода на вход усилителя части энергии, взятой с его выхода. Следовательно…
Н. — …это своего рода удар в обратную сторону. Нечто похожее происходит со мной, когда я, совершив ошибку, хочу ударить себя ногой по затылку…
Л. — Слово «исправить» в этом случае как нельзя более к месту. Действительно, позволь напомнить тебе, что обратная связь своего рода утешительное средство от всех бед: она уменьшает все искажения — частотные, нелинейные и, наконец, фазовые.
Н. — Да, я вспоминаю. Все, что ты назвал, ослабляется благодаря тому, что напряжение, повторно вводимое на вход, содержит в противофазе все эти искажения. Поступая в обратном направлении, они компенсируют возникающие в самом усилителе искажения.
Л. — Браво, Незнайкин! Ты ничего не забыл. А знаешь ли ты, что, кроме того, обратная связь уменьшает искажения, которые могут возникать из-за колебаний напряжения питания?
Н. — Это очень ценно. Мне следует, пожалуй, прибавить цепи обратной связи ко всем каскадам телевизора, что стоит в нашем загородном домике. Напряжение электросети там очень нестабильно. И изображение весьма любопытно искажается: то оно слишком темное, то слишком яркое. Да и его размеры изменяются, и я нередко вижу, как головы действующих лиц то расширяются, то сжимаются… Это очень забавно.
Л. — Для таких случаев обратная связь хорошее средство, так как все появляющиеся на выходе искажения исправляются путем частичного возвращения на вход искаженного сигнала. Однако в твоем случае целесообразнее поставить между розеткой электросети и телевизором стабилизатор напряжения.
Н. — Почему? Ведь обратная связь имеет только положительные качества?
Возвращение к лампам
Л. — Мой друг, ты еще слишком молод и не знаешь, что за все приходится платить: если обратная связь уменьшает искажения, то она также снижает коэффициент усиления усилителя. Вот почему ее применение возможно лишь в том случае, если имеется запас усиления… Если уж мы начали об этом говорить, то не мог бы ты, Незнайкин, начертить основные схемы обратной связи, используемые в усилителях на лампах?
Н. — Обратную связь можно создать, включив между катодом и отрицательным полюсом источника анодного напряжения резистор R o.c без блокировочного конденсатора (рис. 60, а).
Pиc. 60. Обратная связь в ламповом каскаде.
а — обратная связь по току (обусловлена общим для цепей сетки и анода резистором R о. с );
За исключением этой детали, схема совпадает с нарисованной мною в прошлый раз схемой сеточного смещения на резисторе в цепи катода (рис. 57). Но эта «небольшая деталь» все изменяет. Теперь, если под действием усиливаемого сигнала сетка становится более положительной, анодный ток возрастает и, проходя через резистор R o.c , увеличивает на нем падение напряжения, что в свою очередь делает сетку более отрицательной. Таким образом, анодный ток пытается оказать противодействие влиянию первичного сигнала.
Л. — Прекрасно, Незнайкин, ты начинаешь изъясняться так же ясно, как мой дядюшка Радиоль, который некогда вбил мне в голову элементарные принципы радиотехники… Твоя схема создает обратную связь под воздействием анодного тока, и она называется последовательной обратной связью или обратной связью по току.
Н. — Если это так, то параллельную обратную связь или обратную связь по напряжению можно создать при помощи второй моей схемы (рис. 60, б), так как здесь я ввожу на сетку переменное напряжение, создаваемое на выходном резисторе R а . Я осуществляю это с помощью резистора Roc и, разумеется, отделяю постоянное напряжение конденсатором С2.
Pиc. 60, б — обратная связь по напряжению (достигается подачей на сетку части переменного напряжения с резистора R а при помощи делителя напряжения R о. с R с через конденсатор С 2 ).
Л. — Правильно. Подаешь ли ты на сетку все входное напряжение?
Н. — О нет, этого было бы слишком много. Резисторы Roc и R c образуют делитель напряжения, позволяющий подавать на сетку только остающуюся на резисторе R c часть выходного напряжения, и так как величина R o.c подбирается значительно большей, чем величина R c , сетка получает лишь небольшую часть выходного напряжения.
Переход к транзистору
Л. — Своими блестящими объяснениями ты значительно облегчил мою задачу, потому что я как раз собирался рассказать тебе об обратной связи в транзисторных схемах. Вот относящиеся к транзисторам схемы обратной связи по току и по напряжению (рис. 61). Различают также последовательную и параллельную обратную связь.
Н. — Позволь мне разобраться в них самому. На твоей первой схеме (рис. 61, а) резистор Ro.c — общий для цепей базы и коллектора подобно тому, как на моей ламповой схеме (рис. 60, а) тот же резистор — общий для цепей сетки и анода. Следовательно, действия этих резисторов аналогичны. Если ты позволишь, я воспользуюсь нашим испытанным методом полярностей.
Л. — Пожалуйста, я даже прошу тебя об этом.
Н. — Допустим, что один полупериод сигнала на входе увеличит отрицательное напряжение на базе. Ток коллектора возрастает, и в результате падения напряжения на резисторе Roc эмиттер тоже станет более отрицательным. Но это значит, что напряжение базы относительно эмиттера изменится в направлении, обратном первоначальному. Из сказанного следует, что в этом случае мы имеем отрицательную обратную связь, так как ответный удар противоположен первому.
Л. — Ты прекрасно проанализировал создавшееся положение. Перейдем теперь ко второй схеме (рис. 61, б).
Рис. 61. Применение к транзисторам обоих методов создания обратной связи, показанных на рис. 60.
а — обратная связь по току (последовательная); б — обратная связь по напряжению (параллельная).
Н. — Там тоже бросается в глаза аналогия со схемой на лампе (рис. 60, б). Ты ловко использовал резистор смещения базы R см , чтобы вместе с резистором R o.c создать делитель для отвода напряжения с выхода на вход. Здесь часть выходного напряжения u к прикладывается между базой и эмиттером и, разумеется, в противофазе. Кроме того, конденсатор С, свободно пропуская переменные напряжения, отделяет постоянные; поэтому постоянный потенциал базы не зависит от резистора R o.c .
Л. — Прекрасно, попутно обрати внимание, что если конденсатор С имеет недостаточную емкость, то он хуже будет пропускать низкие частоты, которые поэтому в меньшей степени, чем высокие, будут подвергаться воздействию обратной связи.
Н. — Иначе говоря, усиление низких частот будет понижаться в меньшей мере. Это явление используется в одном из способов регулировки тембра, правда, на мой взгляд, не особенно удачном, так как при этом не все искажения нейтрализуются одинаково. Но такая регулировка тембра должна быть весьма полезной для портативных приемников; она сделает их менее крикливыми.
Л. — Я вижу, что аккумуляторы твоего мозга хорошо заряжены фосфором. Поэтому я без колебаний прошу тебя сделать небольшое усилие и сказать мне, что станет с входным и выходным сопротивлениями транзистора при использовании последовательной обратной связи.
Еще немного о «дельтах»
Н. — Вспомним, что входное сопротивление представляет собой отношение малых изменений напряжения базы к вызываемым ими малым изменениям тока базы. Здесь в связи с обратной связью прежние изменения напряжения на входе будут оказывать меньшее влияние на ток базы. Иначе говоря, для того же значения ΔU б мы получим меньшую величину ΔI б . Следовательно, их отношение, являющееся входным сопротивлением, повысится.
Л. — Ты хорошо рассудил, Незнайкин. Я не хотел бы полностью разряжать твои умственные аккумуляторы и потому сразу скажу, что если бы ты таким же образом проанализировал поведение выходного сопротивления, то увидел бы, что от обратной связи оно также увеличивается. Что же касается параллельной обратной связи, то она вызывает снижение как входного, так и выходного сопротивления.
Н. — Меня все больше и больше приводит в смущение сходство транзистора со знакомой с детства кухонной батареей из связанных кастрюль. Стоит прикоснуться к чему-нибудь, как все приходит в движение. Действительно, стоит ли применять обратную связь, чтобы еще больше запутывать дело?
Л. — Уж не думаешь ли ты, Незнайкин, что ее применяют лишь для того, чтобы отравить тебе жизнь? Обратная связь снижает искажения, которые у транзисторов столь же опасны, как и у электронных ламп, и дает те же преимущества относительно фазовых искажений, так как у транзисторов, используемых для усиления на низких частотах, емкости между эмиттером, базой и коллектором имеют относительно большую величину, отчего страдает фаза усиливаемых сигналов. Кроме того, когда начинает падать напряжение батарей, обратная связь благодаря своему регулирующему эффекту еще в течение некоторого времени поддерживает работоспособность транзисторной аппаратуры.
Еще одна обратная связь
Н. — Такое поведение обратной связи, очевидно, очень ценно, так как служит прекрасным средством экономии.
Л. — Я вижу, что возможность снижения денежных расходов помирила тебя с обратной связью. Заметь попутно, что даже если ты и не захочешь ею пользоваться, ты все равно обязан смириться с ее невидимым присутствием.
Н. — Что это за таинственность?
Л. — Транзистору присуща внутренняя обратная связь, которая почти полностью отсутствует у ламп. Своим существованием она обязана сопротивлению коллекторного перехода, которое составляет несколько сотен килоом и оказывается включенным непосредственно между коллектором и базой.
Н. — Как проявляет себя эта внутренняя обратная связь?
Л. — Так же как только что рассмотренная параллельная обратная связь в схеме на рис. 61,б. Ее даже можно измерить; для этого нужно изменять напряжение коллектора и измерять возникающие изменения напряжения базы. Практически изменение напряжения u б в несколько тысяч раз меньше вызывающего его изменения напряжения u к . Иначе говоря, коэффициент внутренней обратной связи имеет в среднем величину 0,05 %. Его обозначают греческой буквой μ (ми) или чаще символом h 12 .
Н. — Я благодарен тебе за то, что ты оставил мне возможность дать определение коэффициента внутренней обратной связи: μ = Δu б /Δu к . Но так как величина μ очень мала, то влиянием внутренней обратной связи, наверно, можно пренебречь.
Л. — Да, при условии, что сопротивление нагрузки мало по сравнению с выходным сопротивлением, что на практике часто и бывает.
Вопрос о фазе
Н. — Ты, очевидно, догадываешься, Любознайкин, что я горю желанием перейти к изучению практических схем. Я обещал своему дяде Жюлю собрать усовершенствованный транзисторный приемник, который он мог бы взять с собой в Африку, где он хочет полечить свой ревматизм. Я намереваюсь сделать двухкаскадный усилитель низкой частоты. Могу ли я сделать общую обратную связь на оба каскада, подав напряжение с выхода на вход?
Л. — Да, однако в транзисторных схемах не следует делать обратную связь больше чем на два каскада, так как из-за внутренних емкостей, о которых я тебе только что говорил, в каждом каскаде происходит дополнительный сдвиг фазы. И если сделать обратную связь больше чем на два каскада, то дополнительный сдвиг может оказаться настолько большим, что заранее не узнаешь, какую фазу в результате получишь.
Н. — Иначе говоря, появится риск получить вместо отрицательной обратной связи положительную.
Л. — И в этом нет ничего удивительного… Но вот схема, которая должна тебе понравиться (рис. 62). В ней как раз два низкочастотных каскада с резистивно-емкостной связью. С выхода через конденсатор С мы снимаем с помощью резисторов R 1 и R 2 часть напряжения, чтобы подать его на эмиттер первого транзистора.
Рис. 62. Смешанная (последовательно-параллельная) схема обратной связи, охватывающей два каскада усилителя низкой частоты.
Н. — Ну и что дальше? Почему не на базу, как мы делали это в схеме с одним каскадом?
Л. — Потому что каждый каскад переворачивает фазу. Поэтому после двух каскадов сигнал должен совпадать по фазе с напряжением, приложенным ко входу. Значит, не может быть и речи о подаче выходного напряжения на базу (вместо отрицательной обратной связи мы получили бы ужасное самовозбуждение). Подавая же напряжение с выхода на эмиттер, мы создадим благоприятную отрицательную обратную связь. А кроме того, резистор R 2 сам создаст в первом каскаде эффект последовательной обратной связи.
Н. — Чудесно! Вот схема, которая сделает моего дядю счастливым!
Каверзы южного солнца
Л. — Боюсь, что нет, так как насколько лучи тропического солнца будут благотворны для дяди, настолько они будут вредны для радиоприемника.
Н. — Ах, да! Я забыл о неприятностях, которые влечет нагрев полупроводниковых приборов. Может быть, следовало бы положить пузырь со льдом на приемник? А для начала скажи мне, как сказывается на работе радиоприемника увеличение тока транзисторов, вызываемое повышением температуры.
Л. — Я дал себе слово не говорить сегодня о характеристиках, которыми ты, кажется, изрядно насыщен. Просто представь себе, Незнайкин, что начальный ток коллектора удваивается при каждом повышении температуры на 8 °C, следовательно, при повышении температуры от нуля до +40 °C ток может увеличиться в 32 раза. Эго значит, что все выходные характеристики резко сместятся вверх. В результате рабочая точка (которая, позволь тебе напомнить, лежит при пересечении нагрузочной прямой с одной из коллекторных характеристик), влекомая общим передвижением характеристик вверх, переместится влево, вместо того чтобы находиться посередине нагрузочной прямой. Прощай тогда наша красивая симметрия! Прощай исключительная линейность усиления…
Н. — Какое бедствие! Ты меня сразил…, но не слишком, ибо я знаю твой метод: ты повергаешь меня в самую глубокую скорбь, а затем, как фокусник, вытаскивающий из цилиндра кролика, предлагаешь мне средство, которое спасает положение. Ну, так вытаскивай своего кролика!
Л. — Ты уже знаком с ним: нас еще раз спасет обратная связь. Являясь эффективным средством борьбы с искажениями, она поможет нам и в предотвращении медленных изменений режима питания, вызываемых влиянием температуры.
Н. — Значит, рассмотренные нами схемы обратной связи одновременно служат и для компенсации влияний температуры.
Л. — В известной мере да, когда они создают обратную связь и по постоянному току (схемы, показанные на рис. 61, б и 62, к этому случаю не относятся). Но в принципе для этой цели нужна более глубокая обратная связь.
Н. — Но тогда она будет слишком сильной для наших усиливаемых сигналов и чрезмерно снизит их усиление. Какой выход можешь ты предложить из этой «пиковой» ситуации?
Л. — Оставим в стороне сопротивления обратной связи, корректирующие усиливаемые сигналы, и займемся сопротивлениями, компенсирующими влияние температуры. В этом случае можно воспользоваться последовательной обратной связью, выполненной вот по такой схеме (рис. 63).
Рис. 63. Схема температурной стабилизации рабочей точки за счет последовательной обратной связи по постоянному току.
«Маленькая деталь»
Н. — Но я не замечаю существенного отличия от прежней схемы последовательной обратной связи для переменной составляющей напряжения: ты добавил только один конденсатор С.
Л. — Но это именно та «маленькая деталь», которая изменяет все. Этот конденсатор (обычно электролитический) имеет большую емкость и представляет для переменных токов значительно меньшее препятствие, чем резистор R o.c . Поэтому через резистор R o.c будет проходить только постоянная составляющая тока, и только она будет подвержена влиянию обратной связи.
Н. — Просто и остроумно, как яйцо Христофора Колумба. Но что делать, если мы одновременно пожелаем иметь обратную связь и по переменной составляющей?
Л. — Ничто не мешает нам включить в точке А последовательно с резистором R o.c другой резистор обратной связи, который мы не будем блокировать конденсатором.
Н. — Это очевидно. А можно ли для стабилизации рабочей точки применить параллельную обратную связь по напряжению?
Л. — Разумеется, но тогда убирают конденсатор, который мы раньше включали как раз для того, чтобы не пропустить постоянную составляющую. На базу подают одновременно часть переменного и постоянного напряжения коллектора (рис. 64).
Рис. 64. Схема температурной стабилизации рабочей точки за счет параллельной обратной связи.
Н. — Но я не вижу здесь второго плеча делителя напряжения, который должен использоваться для достижения этой цели.
Л. — И это не случайно. Его функции выполняет входное сопротивление транзистора (сопротивление промежутка база — эмиттер).
Если же ты хочешь создать параллельную обратную связь только по постоянному току, то и здесь можно с помощью конденсатора устранить обратную связь по переменной составляющей, если составить сопротивление R о. с из двух последовательно соединенных резисторов R о. с1 и R о. с 2 (рис. 65).
Рис. 65. Та же схема, что и на рис. 64, но с развязкой переменной составляющей.
Н. — Но вернемся к моему дяде; если я правильно понял, то можно скомпенсировать влияние температуры на схему усилителя (рис. 62), включив резисторы в точках А и Б.
Л. — Совершенно верно. При этом первое из них следует заблокировать конденсатором большой емкости, чтобы оно не усиливало чрезмерно обратную связь по переменному току…
Но я еще не рассказал тебе об одном очень остроумном методе устранения неблагоприятной реакции полупроводниковых приборов на изменения температуры. Метод заключается в использовании самого тепла для борьбы с его влиянием.
Использование недостатков
Н. — Ты это серьезно? Уж не хочешь ли ты стать гомеопатом, чтобы лечить одно зло другим?
Л. — Именно так и следует меня понимать. Если нагревание увеличивает ток через полупроводник, то это означает, что при повышении температуры его сопротивление понижается. Значит, из полупроводниковых материалов можно сделать резистор, сопротивление которого быстро падает при повышении температуры. Вот характеристика одного из таких резисторов, называемых терморезисторами (рис. 66). Ты видишь, что когда температура повышается, скажем, от 20 до 40 °C, то сопротивление термистора снижается примерно на 45 %.
Рис. 66. Изменение сопротивления терморезистора в зависимости от температуры.
Н. — Я спрашиваю тебя, как ты используешь плохо переносящий жару резистор для нейтрализации причиняемого жарой вреда.
Л. — Очень просто. Я включаю его в делитель напряжения, подающий смещение на базу (рис. 67). Верхнее плечо делителя образует обычный резистор R 1 . Другое плечо состоит из терморезистора, зашунтированного резистором R 3 и включенного последовательно с резистором R 2 . Что же происходит при повышении температуры?
Рис. 67. Компенсация влияния температуры с помощью терморезистора, управляющего потенциалом базы.
Н. — Сопротивление терморезистора уменьшается, и это вызывает снижение сопротивления всего нижнего плеча, состоящего из R 2 , R 3 и терморезистора. Поскольку сопротивление резистора R 1 верхнего плеча не уменьшается (а может быть, даже несколько увеличивается при повышении температуры), потенциал базы становится менее отрицательным. Это вызывает уменьшение тока коллектора. Вот здорово!
Л. — Как видишь, высшее искусство в жизни заключается в том, чтобы превратить недостатки вещей в положительные качества, что мы здесь и сделали.
Н. — Но зачем ты усложнил схему, введя в нее резисторы R 2 и R 3 ?
Л. — Это сделано для осуществления точной компенсации. Нужно, чтобы сопротивления резисторов были рассчитаны соответствующим образом. Иногда можно убрать то или иное из них, если характеристика терморезистора точно соответствует нашим задачам.
Н. — Я чувствую, что мое собственное сопротивление падает, так как мой мозг слишком перегрелся.
Л. — Ну, тогда оставим его в покое.
