Вот перед нами блок-схема будущего приемника.
Давайте определимся, какой приемник будем строить. Однодиапозонный, чтобы не мучится с переключением диапазонов. Какой диапазон выбрать? Конечно тот, который больше заполнен и меньше зависит от нестабильности прохождения. Такой диапазон - 20 м (14,0 - 14,35 МГц). Он хорош тем. что здесь можно услышать работу радиолюбителей всего мира: одни континенты лучше слышно утром, другие - днем, третьи - ночью, т.е. этот диапазон "живет" круглые сутки. В качестве узкополосного фильтра будем делать кварцевый, а слушать будем на наушники. Теперь о чувствительности. Давайте не будем "зарываться" и выберем чувствительность 10 мкВ. В современных условиях помех с антенной длиной 5-10 м этого вполне достаточно.
Рассчитаем общее усиление всего тракта приемника: для нормального уровня громкости наушников с сопротивлением 36 Ом достаточно звукового напряжения 0,1 В (мощность около 0,25 мВт). Таким образом. общее усиление будет: 0,1 В / 0,000 01 В = 10 000 раз (80 дБ)
С чего же начать? Логично начать с начала, с полосового диапазонного фильтра. Но логика - логикой, а проще начать с конца, т.е. с усилителя низкой частоты. В этом случае, добавляя к нему другие каскады, мы сможем услышать их работу.
Как я уже писал, УНЧ можно делать на отдельных транзисторах или на микросхеме. Но на отдельных транзисторах интереснее и познавательнее, поэтому такой и будем делать.
Я уже несколько лет пользуюсь для моделирования схем программой LTspice и очень благодарен сыну за то, что он меня на нее натолкнул. Есть, конечно, программы и круче, но мне этой вполне хватает. Смоделированные в этой программе узлы очень хорошо повторяются на практике - от контуров до усилителей. Поэтому я и вам ее рекомендую, если вы не пользуетесь другими.
Для начала немного теории. Чаще всего в УНЧ используют включение транзисторов по схемам с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором.
В каскаде с ОЭ сигнал подается в цепь базы, а снимается с коллектора транзистора. Резисторы R1,R2 образуют делитель напряжения, который задает ток базы транзистора. Во всех схемах включения транзистора соблюдается соотношение Iэ = Iб + Iк. Усилительные свойства транзистора в схеме с ОЭ определяются параметром h21э который примерно равен отношению тока коллектора к току базы.
Посмотрим это в модели.
В этой схеме Iб = 7 мкА, а Iк = 1,4 мА. В этом случае: h21э = 1,4 мА / 0,007 мА = 200. Следует отметить, что ток через резистор R2 должен быть по крайней мере в 10 раз больше, чем ток база. В этом случае повышается стабильность каскада. Теперь посмотрим, как каскад работает при усилении звукового сигнала.
Амплитуда сигнала с частотой 1 кГц на базе транзистора 10 мВ, а на нагрузке - уже 300 мВ, т.е. Кус = 300/10 = 30. Как видите, усиление транзистора по постоянному току совсем не совпадает с усилением по постоянному току, хотя и ток базы и коллектора практически не изменились. Но Кус можно повысить, увеличив сопротивление нагрузки. Так, при R3 = 3.3 кОм Кус = 55, но повышением сопротивления R3 добиться не удастся. Да и не очень-то это нужно: каскады с большим Кус очень склонны к самовозбуждению (т.е. они превращаются в генератор).
Думаю, вы заметили, что когда сигнал на входе увеличивается, то на выходе он уменьшается, максимуму на входе соответствует минимум на выходе. Это соответствует изменению фазы сигнала на выходе на 180 градусов, т.е. сигнал на выходе противофазен сигналу на входе.
При подаче на вход слишком большого сигнала происходит его ограничение.
Вот, что происходит при увеличении входного сигнала до 100 мВ. На выходе уже не синусоида, а почти прямоугольные импульсы.
Конденсаторы С1 и С2 - разделительные, они отделяют каскад от других по постоянному току.
Чем же хорош каскад с ОЭ? Он имеет высокое усиление сигнала по напряжению и по мощности. Но есть и недостатки: относительно не высокое входное сопротивление (единицы - десятки кОм) зависимость режима по постоянному току от изменения напряжения питания.
Вот как меняется Кус каскада на рис 5 (R3=2.2 k, Uвх = 10 мВ): Uпит = 6 В Кус = 1, Uпит = 9 В Кус = 180, Uпит = 12 В Кус > 300 при этом сигнал сильно ограничивается.
Есть ли возможность стабилизировать режим и усиление? Есть, для этого нужно ввести отрицательную обратную связь по по постоянному току.
Элементом ООС является резистор R5. Для устранения ООС по переменному току этот резистор зашунтирован конденсатором С3, сопротивление которого для токов звуковой частоты малО.
Как работает ООС? При увеличении напряжения питания увеличивается напряжение на базе транзистора. что приводит к увеличению базового тока. При этом ток коллектора, который примерно равен току эмиттера (малым током базы можно пренебречь) увеличивается в h21э раз больше тока базы. При росте тока эмиттера растет падение напряжения на резисторе R5 (Iэ х R5) и возрастает напряжение на эмиттере. За счет этого уменьшается разница потенциалов базы и эмиттера, что влечет уменьшение тока базы и тока коллектора, который возвращается к исходной величине.
Похожие процессы происходят и при изменении температуры (при ее увеличении увеличивается ток базы), и при замене транзистора на другой с иным h21э.
Вот как меняется Кус каскада на рис. 6 (R3=2.2 k, Uвх = 10 мВ): Uпит = 6 В Кус = 8, Uпит = 9 В Кус = 50, Uпит = 12 В Кус = 80.
Как видите, Кус стал меньше, но и диапазон его изменения тоже существенно уменьшился. Можно еще больше стабилизировать режим, введя еще одну отрицательную связь.
Резистор R2 убрали (рис. 6), а верхний вывод R1 отсоединили от источника питания и подключили к коллектору транзистора. Теперь при увеличении тока коллектора напряжение на нем уменьшается (увеличивается падение напряжения на резисторе R3), уменьшается ток базы и ток коллектора приходит в норму. Теперь обе петли ООС по постоянному току работают синхронно.
И вот результат: Кус каскада на рис. 7 (R3=2.2 k, Uвх = 10 мВ) почти не меняется при изменении питания в два раза: Uпит = 6 В Кус = 70, Uпит = 9 В Кус = 74, Uпит = 12 В Кус = 88.
А можно еще более жестко? Можно, причем без всякой ООС. Вы наверное поняли, что стабильность каскада зависит от стабильности тока базы транзистора. Значит базу транзистора нужно питать от стабилизатора.
В этой схеме используется свойство диода, включенного в прямом направлении, стабилизировать напряжение при изменении тока через него. Резистор R1 и цепочка диодов D1,D2 образуют стабилизатор напряжения, поддерживающего в точке А постоянную величину напряжения при изменении тока через диоды. Так при напряжении питания 6 В в точке А напряжение равно 1,24 В, при Uпит=12 В - 1,3 В. Т.е., при изменении Uпит в два раза напряжение в точке А меняется всего на 60 мВ.
И вот результат: Кус каскада на рис. 8 практически не меняется при изменении питания в два раза: Uпит = 6 В Кус = 96, Uпит = 9 В Кус = 100, Uпит = 12 В Кус = 110.
Во всех случаях ток базы подбирается изменением резистора R1 так, чтобы напряжение на коллекторе транзистора было в районе 1/2Uпит.
Думаю, с каскадом по схеме с ОЭ все более-менее понятно, поэтому перейдем к схеме с ОК, который еще называют эмиттерным повторителем. Почему? Взгляните на рис. 9 и все станет понятно.
Как видите, форма напряжения на эмиттере полностью (и по фазе, и по величине) напряжение на базе. А если напряжение сигнала на входе и выходе практически равны, т.е. усиления по напряжению нет, зачем такой каскад нужен? Разгадка кроется в основном его свойстве: большом входном сопротивлении (сотни кОм) и низком выходном сопротивление (десятки - сотни Ом). За это свойство эмиттерный повторитель называют еще трансформатором сопротивлений.
А теперь вспомним физику.
А, поскольку входное сопротивление эмиттерного повторителя почти в 1000 раз выше выходного, то выходная мощность во столько же раз больше входной. Вывод: эмиттерный повторитель - усилитель мощности, а так как входное и выходное напряжения сигнала практически одинаковы, то и усилитель тока.
Высокое входное сопротивление не нагружает предыдущий каскад, а низкое выходное сопротивление позволяет подключать низкоомную нагрузку. Кроме того, каскад охвачен 100%-й ООС по переменному току, что снижает нелинейные искажения сигнала.
Теперь из двух этих видов каскадов построим наш предварительный УНЧ.
Кус у него при Uпит = 8 В - около 100 или 40 дБ.
Теперь перейдем к усилителю мощности. построим его по простейшей схеме на комплементарной паре транзисторов.
Транзистор Q1 включен по схеме с ОЭ, а два выходных - по схеме ОК. Поэтому выходное сопротивление такого усилителя малО. Я подключил в качестве нагрузки R4 = 18 Ом - это два канала наушников 36 Ом, включенных параллельно.
Усилитель охвачен двумя ООС по постоянному току. Первая - через резистор R1, удерживает напряжение в точке соединения эмиттеров выходных транзисторов (в средней точке) на установленном уровне (обычно Uпит/2). Стабилизация очень жесткая: при изменении Uпит в два раза напряжение в средней точке остается равным Uпит/2.
Через резистор R3 осуществляется не глубокая ООС и по постоянному и по переменному напряжению. Изменяя номинал этого резистора позволяет регулировать усиление (при увеличении сопротивления усиление снижается из-за углубления ООС).
Очень важно правильно установить начальный ток выходных транзисторов, чтобы избежать искажений типа "ступенька". В данном усилителе он установлен путем включения цепочки из двух диодов, которые стабилизируют разность потенциалов между базами выходных транзисторов. Вместо этой цепочки можно установить резистор (лучше подстроечный 500 Ом), изменяя величину которого можно регулировать начальный ток выходного каскада (чем больше сопротивление резистора, тем больше ток выходных транзисторов).
Вот общая схема УНЧ.
Оранжевой рамкой обведен предварительный УНЧ, а фиолетовой - оконечного.
Теперь воплотим все практически и посмотрим, как модели соответствуют реальности.
Всем здоровья и успехов!