Разобравшись с каскодными усилителями и опробовав их в деле, я вспомнил о другом типе усилителей - с динамической нагрузкой, которые тоже нередко применялись в радиоприемниках. А вспомнив о них, я вспомнил и об интереснейшем советском радиоконструкторе "Колос", который мне довелось собирать с ребятами в середине 80-х в радиокружке.
Не буду углубляться в дебри теории, но динамическая нагрузка по постоянному току является источником стабильного тока, а по переменному - имеет высокое сопротивление, что и обеспечивает высокий коэффициент усиления.
По схемотехнике каскад с динамической нагрузкой очень похож на каскод, но отличается тем, что каскод может работать с резонансной нагрузкой, а динамическая нагрузка - апериодична (это я так думаю). Кроме того, выходное сопротивление каскода высокое, а каскада с динамической нагрузкой - низкое. Но в моделях, чтобы выровнять исходные условия, я на выходе обоего типа усилителей использовал эмиттерный повторитель.
Давайте сравним каскод и каскад с динамической нагрузкой.
На рис. 1 - каскод, на рис. 2 - каскад с ОЭ с динамической нагрузкой. Схемы практически похожи, только вот резистор R5 стоит в разных позициях и имеет разный номинал, конденсатор С3 соединен не с общим проводом, а с коллектором Q1. Соответственно и усиленный сигнал снимается на вход эмиттерного повторителя с разных точек.
АЧХ этих усилителей тоже похожи, но каскад с динамической нагрузкой имеет бОльшее усиление, но и несколько бОльший завал на высоких частотах.
Можно также сказать, что каскад с динамической нагрузкой - это каскад с ОЭ, нагрузкой которого является эмиттерный повторитель. Интересным является тот факт, что в интернете можно встретить схемы, где усиленный сигнал снимается не с эмиттера транзистора динамической нагрузки, а с коллектора транзистора с ОЭ. Попробовал смоделировать такой вариант.
Оказалось, что никакой разницы нет, - это и неудивительно, так как к высокому сопротивлению Q2 добавляется небольшое сопротивление R5.
Если каскодное включение пришло из ламповой техники, то может быть и каскады с динамической нагрузкой пришли оттуда же. Но на мои запросы интернет сообщил, что ламповый каскад с динамической нагрузкой был разработан американцем Алланом Киммелом, о чем он сообщил в статье «The Mu Stage» в журнале «Glass Audio» (1993, №2). Теперь этот каскад широко применяется в ламповых УНЧ.
Но оказалось, что ламповый каскад с динамической нагрузкой все-таки изобрели в 50-х годах прошлого века и использовали в телевизионных передатчиках.
А вот о транзисторном каскаде с динамической нагрузкой я узнал из статьи "Усилители с динамической нагрузкой" В.Н. Носова в журнале Радио №12 за 1967 год.
В ноябрьском номере Радио за 1971 год появилась еще одна статья на эту тему: Л. Машкинов "Еще раз об усилителе НЧ с динамической нагрузкой" . Там появилась схема каскада на комплементарных парах транзисторов, имеющая усиление порядка 60 дБ, но обладающая высоким выходным сопротивлением.
Аналогичная схема была приведена в статье из раздела "За рубежом" в журнале Радио №9 за 1976 год.
Но это на низких частотах, а как поведет себя эта схема на высоких частотах. Обратимся к модели.
Конечно, из-за высокого выходного сопротивления пришлось установить эмиттерный повторитель. И даже с не очень высокочастотными транзисторами (граничная частота 300 МГц, почти как наши КТ315Б и КТ361Б, только h21э побольше), на частоте 1 МГц - более 60 дБ, на частоте 7 МГц - около 50 дБ. Т.е. в качестве УПЧ - самое то.
Но стоит вернуться к статье В.Н. Носова. В ней описывался УНЧ, а вот в другой статье инженера В.Н. Носова "Преобразователи частоты с динамической нагрузкой" в журнале Радио №9 за 1969 год. И не только преобразователь.
Базовый ток транзистора Т1 стабилизирован стабилитроном Д1 и колебания питающего напряжения (в разумных пределах) не оказывают влияния на режим его работы. Так как выходное сопротивление каскада невелико, то связь с контуром ПЧ осуществляется через катушку связи.
По словам автора, коэффициент передачи такого смесителя достигает около 40 дБ, а его шумовые характеристики на 10 дБ лучше. чем у простого каскада с ОЭ. Также отмечается, что этот каскад можно охватить системой АРУ.
Удивляет и график зависимости коэффициента передачи смесителя от частоты.
Красная линия показывает эту зависимость для обычного транзисторного преобразователя по схеме с ОЭ, а черная - для преобразователя с динамической нагрузкой. Это прямо-таки находка для приемника с КВ диапазоном и магнитной антенной. Жаль только, что динамические характеристики такого смесителя весьма посредственные.
Больше меня удивила в свое время другая схема из этой статьи.
Смеситель с динамической нагрузкой с отдельным гетеродином и каскад УПЧ с динамической нагрузкой охвачены системой АРУ и имеет общее усиление около 70 дБ. И ни одной катушки, так как в качестве избирательного элемента используется пьезокерамический фильтр, который обеспечивает хорошую избирательность по соседнему каналу.
Приведена и полная схема приемника с КВ- диапазонами.
В этом варианте схемы вместо редкого в то время пьзокерамический фильтр были редкостью и вместо него использованы целых 6 контуров, но это позволило получить избирательность лучше, чем с ПФ1П.
Эти конструкции я не повторял, а вот описанные в статье к.т.н. В.Н. Носова "Усовершенствование преобразователей с динамической нагрузкой", опубликованной в журнале Радио №8 за 1975 год, собирал.
Изюминкой здесь является параллельное включение транзисторов смесителя, что позволяет снизить уровень его собственного шума. Причем уровень шума снижается пропорционально корню квадратному из числа параллельно включенных транзисторов. Т.е., если включить параллельно 4 транзистора, то шум уменьшится вдвое.
У меня в то время как раз оказался десяток транзисторов ГТ310Б, и, отобрав четыре транзистора с одинаковым h21э, собрал эту схему. Действительно, уровень шумов был очень низок.
С усилителями с динамической нагрузкой мне пришлось столкнуться в 1983 году, когда я приобрел для школьного радиокружка радиоконструктор "Колос". Выпускался он с 1976 года и из-за довольно высокой цены - 41 руб спрос на него был небольшой. Это я понял по своему конструктору, который был и произведен в 1976 году и пролежал почти целых семь лет на полке магазина.
В то время уже появился набор "Электроника Контур-80" за 60 руб, но я его смог купить только в 1987 году в магазине "Электрон" в Люберцах. А "Колос" позволял принимать телеграф, SSB и АМ на пяти растянутых диапазонах: 21,0...21,45 Мгц (15 м), 14,0...14,35 Мгц (20 м), 11,8...12,1 Мгц (25 м), 9,4...9,9 Мгц (31 м), 7,0...7,1 Мгц (40 м).
Обратите внимание на катушки: их мотали посеребренным проводом (!), но остальные детали были из начала 70-х: конденсаторы МБМ 0,1 мкФ, германиевые транзисторы, электролиты.
Это чисто коротковолновый супергетеродин с двумя преобразованием частоты и УПЧ с динамической нагрузкой.
Первая ПЧ - 1710 кГц, вторая - стандартная, 465 кГц. Интересно, что в УПЧ1 работает среднечастотный малошумящий транзистор П28, в опорном генераторе 465 кГц - П29. УПЧ2 имеет два каскада на П401 собранных по схеме В.Н. Носова. Система АРУ охватывает каскад УПЧ1 и первый каскад УПЧ2. В качестве фильтра использовался ПФ1П-1М. Напряжение питания первого преобразователя и ГПД стабилизировано параметрическим транзисторным стабилизатором, поэтому его частота была стабильна. Особенностью приемника является настройка не с помощью КПЕ, а с помощью ферровариометров: внутри катушки входного контура и катушки ГПД синхронно перемещались ферритовые сердечники.
Чувствительность приемника в режиме АМ была около 50 мкВ, а в телеграфном режиме - в два раза меньше. Я в первом преобразователе вместо П416 поставил сборку из 4-х параллельно включенных ГТ310 - работал отлично. Вот только наладить такой приемник без измерительных приборов человеку было бы затруднительно, но у нас в кружке они, к счастью, были.
Ну и в конце хочу сказать, что и в современных УНЧ применяются каскады с динамической нагрузкой, например схема, разработанная И. Семыниным:
Он же разработал схему, где динамической нагрузкой лампы является полевой транзистор.
Да и схемы каскадов с динамической нагрузкой, выполненные на полевых транзисторах например в книге Б.И. Горшкова "Радиоэлектронные устройства"
Вот кое-что об усилителях с динамической нагрузкой.
Всем успехов и здоровья!