Всякий усилитель, будь то усилитель высокой или низкой частоты, предназначен для усиления не какой-нибудь определенной частоты, а некоторого, обычно довольно широкого диапазона частот. Так, усилитель высокой частоты предназначается для усиления всех частот, лежащих в пределах радиовещательного диапазона, усилитель же низкой частоты должен усиливать все частоты, лежащие в пределах звуковых колебаний. Поэтому, изучая качества усилителя, необходимо не только определить, какое усиление он может дать при определенной частоте, но выяснить также, как величина этого усиления зависит от частоты усиливаемых колебаний. Если мы будем подводить к усилителю напряжения вполне определенной величины, но разной частоты, и одновременно измерять те напряжения, которые дает усилитель на выходе, то мы сможем определить коэффициент усиления, даваемый данным усилителем при той или другой частоте усиливаемых колебаний. Результаты этих измерений можно изобразить графически, откладывая по горизонтальной оси частоты усиливаемых колебаний (n), а по вертикальной — соответствующее усиление (k). Мы получим таким образом частотную характеристику усилителя, по которой можно будет судить о поведении усилителя при разных частотах (рис. 1).
Понятно, что от усилителя, предназначенного для усиления различных частот, нужно требовать, чтобы он одинаково или примерно одинаково усиливал все эти частоты. Это значит, что частотная характеристика хорошего усилителя должна иметь вид прямой или почти прямой горизонтальной линии (пунктирная линия на рис. 1). В противном случае усилитель будет работать неудовлетворительно. В случае усиления высокой частоты непрямолинейность частотной характеристики усилителя будет означать, что усилитель по-разному усиливает волны разной длины. В случае же усиления низкой частоты непрямолинейность частотной характеристики приводит к тому, что разные звуки усиливаются по-разному, т. е. усилитель искажает передачу.
Конечно, ни в случае высокой, ни в случае низкой частоты нельзя построить усилитель, который обладал бы абсолютно прямолинейной и горизонтальной частотной характеристикой. В случае высокой частоты этого достигнуть особенно трудно, так как паразитные емкости между отдельными элементами схемы будут сказываться тем сильнее, чем больше частота усиливаемых колебаний. Следовательно, частотная характеристика усилителя высокой частоты на сопротивлениях всегда будет иметь спадающий характер — чем больше частота, тем меньше будет усиление. При достаточно больших частотах, т. е. наиболее коротких волнах, усиление, даваемое усилителем на сопротивлениях будет уже настолько мало, что, как мы уже указывали выше, применение его становится просто нецелесообразным.
В случае же усиления низкой частоты паразитные емкости не играют такой существенной роли. Если даже считать, что величина этих паразитных емкостей составляет несколько десятков сантиметров, то и тогда эти емкости будут представлять для средних частот звукового диапазона сравнительно большие сопротивления, порядка нескольких миллионов ом, и следовательно они не будут сколько-нибудь заметно понижать коэффициента усиления. Однако для наиболее высоких частот звукового диапазона эти сопротивления паразитных емкостей понижаются уже до нескольких сот тысяч ом и следовательно становятся сравнимыми и даже меньше применяемых обычно в усилителях анодных сопротивлений. Поэтому усилитель низкой частоты на сопротивлениях, так же, как и усилитель высокой частоты, должен иметь спадающую частотную характеристику, но это спадание будет гораздо меньшим, чем в случае усиления высокой частоты. Только наиболее высокие тона звукового диапазона будут усиливаться сравнительно скверно, в средней же части звукового диапазона все частоты будут усиливаться примерно в одинаковой степени. В результате усилитель на сопротивлениях будет давать некоторые незначительные искажения передачи. Искажения эти будут сводиться к тому, что усилитель будет несколько понижать тембр передачи, так как в ней будут сравнительно меньше усилены высокие обертона передаваемых звуков. Однако эти искажения при правильной конструкции усилителя и малых паразитных емкостях настолько мало заметны, что обнаружить их может только очень музыкальное ухо. Для нормального же уха эти искажения будут совершенно незаметны и поэтому усилитель низкой частоты на сопротивлениях принято считать совершенно неискажающим передачи.
Устранение искажений, которые возникают в случае неравномерного усиления различных частот в усилителе низкой частоты, достигается очень простыми средствами — правильным выбором величин схемы и рациональным ее выполнением. Во всех же других типах усилителей низкой частоты достигнуть совершенно равномерного усиления всех частот, как мы увидим в дальнейшем, чрезвычайно трудно, и поэтому, по сравнению со всеми другими усилителями, усилитель низкой частоты по праву может считаться «неискажающим усилителем».
В этом заключается основное достоинство усилителя на сопротивлениях. Но усилитель на сопротивлениях обладает также одним весьма существенным недостатком. Как мы уже указывали прежде, коэффициент усиления, даваемый усилителем низкой частоты, не может быть больше, чем произведение усилительных постоянных всех примененных в нем ламп. Так как обычные наши лампы имеют сравнительно небольшую усилительную постоянную (порядка 10), то для получения больших усилений приходится применять несколько каскадов усиления. Это, конечно, усложняет конструкцию усилителя и удорожает его стоимость. Указанный недостаток усилителя на сопротивлениях приводит к тому, что с ним успешно конкурирует усилитель другого типа (усилитель на трансформаторах), который, как будет ясно в дальнейшем, может давать коэффициент усиления, в несколько раз превышающий усилительную постоянную применяемой лампы.
Есть, конечно, и другой путь для увеличения коэффициента усиления, даваемого усилителем низкой частоты на сопротивлениях. Это очевидно применение таких типов ламп, которые обладают большой усилительной постоянной. Такие лампы выпускаются нашей промышленностью — это, например, лампы ПТ—19, имеющие коэффициент усиления около 30. Но применение ламп с такой большой усилительной постоянной встречает некоторые трудности. Как помнит читатель, усилительная постоянная лампы — это величина обратная проницаемости лампы. Следовательно, при большой усилительной постоянной проницаемость лампы очень мала. Между тем, для того чтобы устранить сеточный ток (который сам по себе является причиной искажений) применяется, как известно, отрицательное смещение на сетке лампы. Чтобы при этом отрицательном смещении иметь достаточной величины средний анодный ток (работать на средней части характеристики), нужно это отрицательное смещение скомпенсировать соответствующим повышением напряжения на аноде. И если проницаемость лампы мала, то напряжение на сетке действует гораздо сильнее, чем напряжение на аноде и, следовательно, для компенсации сеточного смещения нужно применять очень высокие анодные напряжения. Например, в лампе ПТ—19, имеющей усилительную постоянную около 30 (т. е. проницаемость около 3%), для того, чтобы скомпенсировать отрицательное смещение на сетке в 3 вольта, нужно повысить анодное напряжение на величину в 30 раз большую, т. е. примерно на 100 вольт. Необходимость применения высоких анодных напряжений в лампах с малой проницаемостью значительно сокращает область их применения в радиолюбительской практике.
Гораздо проще, как мы уже сказали, решается вопрос о получении больших усилений в случае усилителей на трансформаторах. В следующем занятии мы рассмотрим подробно схему и принцип действия этих усилителей. В этом же занятии мы остановимся в заключение на усилителях с дросселями, занимающих как бы промежуточное положение между усилителями на трансформаторах и усилителями на сопротивлениях.
Роль анодного сопротивления, как мы выяснили, заключается в том, чтобы выделить в анодной цепи усиленные напряжения, получающиеся вследствие изменения величины анодного тока под действием попадающих на сетку колебаний. Для того чтобы выполнить эту задачу, конечно не обязательно пользоваться омическими сопротивлениями. Так как в цепи анода необходимо выделить переменные напряжения, то для этой цели можно пользоваться любым проводником, оказывающим сопротивление переменному току. В частности это может быть проводник с большой самоиндукцией, т. е. попросту катушка самоиндукции. (В тех случаях, когда катушка самоиндукции применяется как проводник, обладающий большим сопротивлением для переменного тока, ее называют обычно дросселем).
При изменении силы тока в анодной цепи, в которую включен проводник с большой самоиндукцией, на концах этой самоиндукции будет получаться электродвижущая сила самоиндукции, точно так же, как в случае омического сопротивления получается определенное переменное напряжение. Электродвижущая сила самоиндукции, получающаяся на концах дросселя, может быть использована для дальнейшего усиления. В этом случае мы приходим к схеме двухлампового усилителя на дросселях, приведенной на рис. 2.
Ясно, что принцип действия этой схемы совершенно аналогичен принципу действия усилителя на сопротивлениях. Вся разница будет заключаться только в том, что на зажимах дросселя «ДР» (если считать, что он не обладает омическим сопротивлением) будут получаться только переменные напряжения, в то время как на омическом сопротивлении в анодной цепи получаются как постоянные, так и переменные напряжения. Но и в случае дросселей разделительный конденсатор «С» необходим, так как в противном случае все напряжение анодной батареи попало бы на сетку второй лампы и при таком высоком положительном напряжении на сетку лампа, конечно, не могла бы нормально работать. Точно так же необходима и утечка М, по которой электроны могли бы уходить с сетки на нить.
Так же, как и усилители на сопротивлениях, усилители на дросселях могут очевидно применяться для усиления как высокой, так и низкой частоты. Разница будет заключаться только в устройстве самих дросселей. В случае усиления высокой частоты (так как сопротивление дросселя тем больше, чем больше частота) можно применять небольшие самоиндукции, т. е. обычные сотовые или цилиндрические катушки. В случае же усиления низкой частоты такие катушки будут обладать слишком малым сопротивлением для токов звуковой частоты, и следовательно усиление будет очень мало. Поэтому для усиления низкой частоты применяются дросселя с большим числом витков и с железными сердечниками, присутствие которых, как известно, увеличивает самоиндукцию катушки во много раз.
Ясно, что усилитель на дросселях в отношении наибольшего даваемого усиления обладает тем же недостатком, как и усилитель на сопротивлениях. Если сопротивление дросселя переменному току усиливаемой частоты очень велико, то в лучшем случае мы получим коэффициент усиления, равный усилительной постоянной примененной лампы. Большего усиления получить очевидно нельзя, так как в этом наивыгоднейшем случае на концах дросселя выделится все то переменное напряжение, которое может дать лампа.
Обладая недостатком усилителя на сопротивлениях, усилитель на дросселях не обладает его достоинством в отношении частотной характеристики. Чем больше будет усиливаемая частота, тем больше будет сопротивление дросселя для этой частоты, и следовательно тем больше будет сопротивление дросселя для этой частоты и следовательно тем больше будет усиление. Поэтому частотная характеристика всякого усилителя на дросселях должна подниматься кверху. Однако если сопротивление дросселя даже для самых медленных из усиливаемых частот оказывается во много раз больше, чем внутреннее сопротивление лампы, то очевидно, что усиление во всяком диапазоне усиливаемых частот будет примерно одинаково. Но практически осуществить такие условия довольно трудно. Дело в том, что для увеличения самоиндукции дросселя необходимо увеличивать число его витков, вследствие чего возрастает, с одной стороны, омическое сопротивление дросселя, а с другой — емкость между его витками. Поэтому устранение искажений и получение прямолинейной частотной характеристики в усилителях на дросселях представляет гораздо больше трудностей, чем в усилителях на сопротивлениях. Это обстоятельство является причиной того, что усилители на дросселях не получили сколько-нибудь широкого распространения.
Мы до сих пор рассматривали схемы усилителей, задача которых заключалась в том, чтобы на выходе усилителя получить возможно большее напряжение. Для этого, как мы выяснили, нужно в анодных цепях применять сопротивления (омические или индуктивные), величина которых во много раз превосходит внутреннее сопротивление лампы. Однако не всегда задача усилителя сводится к тому, чтобы получить на выходе максимальное напряжение. В том случае, когда лампа является оконечной, т. е. в анодную цепь лампы включен телефон или репродуктор, задача усилителя оказывается несколько иной. Он должен выделять во внешней цепи (т. е. в телефоне) не наибольшие напряжения, а наибольшую мощность, так как работа телефона как и всякого механизма, зависит в конечном счете от той мощности, которая к телефону подводится. Для этой и другой задачи наше прежнее условие (внешнее сопротивление во много раз превосходящее внутреннее) уже окажется неверным. Подробное рассмотрение этого вопроса показывает, что наибольшая мощность во внешней цепи выделится совсем при иных условиях, именно, когда внешнее сопротивление того же порядка, как и внутреннее сопротивление источника. Следовательно, для получения наибольшей мощности телефон должен обладать сопротивлением такого же порядка, как и внутреннее сопротивление лампы. И так как в телефоне должна выделяться мощность не постоянного, а переменного тока, то очевидно, что не просто омическое сопротивление, а полное сопротивление телефона переменному току должно соответствовать внутреннему сопротивлению лампы. Для этого телефон должен обладать достаточно большой самоиндукцией, т. е. иметь большое число витков в обмотках электромагнита. Поэтому для включения в анодную цепь лампы применяются телефоны с большим числом витков, так называемые «высокоомные телефоны». Этими краткими указаниями мы пока ограничимся с тем, чтобы к вопросу о мощности, выделяемой лампой, вернуться позднее в одном из следующих занятий.