Наиболее простым как по схеме, так и по принципу действия типом усилителя является усилитель на сопротивлениях. Поэтому мы в первую очередь в рассматриваем усиление на сопротивлениях. Схема одного каскада усиления на сопротивлениях приведена на рис. 1. Рассмотрим принцип действия этой схемы. К точкам А и Б усилителя подводятся переменные напряжения, которые подлежат усилению. Тагам образом сопротивление Rc включается последовательно в цепь того колебательного тока, который должен быть усилен. Переменный ток, проходя через это сопротивление, создает переменное падение напряжения на его концах. Это напряжение (Ес) действует на сетку усилительной лампы и, следовательно, изменяет силу анодного тока в лампе.
В анодную цепь лампы также включено сопротивление — анодное сопротивление Rа. Пока анодный ток имеет постоянную величину, он создает на концах сопротивления Rа некоторое постоянное падение напряжения. Но если под действием переменного напряжения Ес анодный ток начинает изменять свою величину, то вместе с тем будет изменяться и падение напряжения на концах сопротивления Ra. Кроме некоторого постоянного падения напряжения, мы получим на сопротивлении Rа переменное напряжение Еа, изменяющееся по тому же закону, как и напряжение Ес, подводимое к сетке.
Но как мы уже выяснили при рассмотрении основных свойств электронной лампы, переменное напряжение Еа, получаемое на зажимах анодного сопротивления, будет больше, чем напряжение Ес, подводимое к сетке лампы, то есть лампа будет усиливать подводимые к ней переменные напряжения. Отношение напряжения Еа к напряжению Ес, показывающее во сколько раз усиливаются подводимые напряжения, называется коэффициентом усиления одного каскада.
Выясним, отчего зависит величина коэффициента усиления, даваемая одним каскадом усилителя. Чтобы рассмотреть этот вопрос, мы заменим нашу схему усилителя так называемой эквивалентной схемой, в которой лампа, обладающая определенным внутренним сопротивлением, заменена каким-то условным источником напряжения, дающим электродвижущую силу Е1 и имеющим то же внутреннее сопротивление Rв, как и электронная лампа (рис. 2). Рассмотрение этой схемы позволит нам установить, как напряжение Еа, получающееся на сопротивлении Rа, зависит от величины этого сопротивления и величины внутреннего сопротивления источника Rв. Если по нашей эквивалентной схеме течет ток, то падение напряжения будет происходить как в цепи самого источника тока, так и во внешней цепи. Вследствие этого электродвижущая сила, даваемая источником, будет частью расходоваться на внутреннем сопротивлении Rв, а частью на внешнем сопротивлении Rа. Общее же падение напряжения во всей цепи, как это следует из закона Кирхгофа, будет как раз равно электродвижущей силе, даваемой источником. Если падение напряжения на внутреннем сопротивлении равно Ев, а на внешнем Еа, то очевидно, что
| Е1 | = | Еа | + | Ев. |
Но, как мы знаем, падение напряжения на каком-либо участке цепи пропорционально сопротивлению этого участка. Следовательно, распределение падения напряжения между сопротивлениями Rа и Rв зависит от отношения между этими сопротивлениями. Если оба сопротивления имеют одинаковую величину, то и падение напряжения в них будет одинаково. Если же одно из сопротивлений гораздо больше другого, то и падение напряжения на этом сопротивлении будет гораздо больше. Следовательно, если внешнее сопротивление Rа очень велико по сравнению с внутренним сопротивлением источника Rв, то практически можно считать, что все падение напряжения в цепи приходится только на внешнее сопротивление и значит на внешнем сопротивлении выделяется все то переменное напряжение E1, которое дает источник.
Приложим теперь эти наши выводы к одноламповому усилителю на сопротивлениях. Задача усилителя сводится очевидно к, тому, чтобы при данной величине подводимого к сетке напряжения Ес получить на зажимах внешнего сопротивления Rа возможно большее переменное напряжение. Как мы выяснили, для этого необходимо, чтобы внешнее сопротивление Rа было гораздо больше внутреннего сопротивления Rв. Чем больше будет Rа по сравнению с Rв, тем больше будет коэффициент усиления, даваемый одним каскадом. Таким образом для получения большого коэффициента усиления нужно брать большие анодные сопротивления. Однако при увеличении анодного сопротивления Rа, напряжение, выделяемое на этом сопротивлении лампой, то есть, напряжение Еа, не будет расти беспредельно. Ведь напряжение, приходящееся на внешнюю цепь, ни при каких условиях не может стать больше напряжения E1, даваемого источником (рис. 2). В лучшем случае, когда Rа чрезвычайно велико по сравнению с Rв (например в 40—50 раз больше), практически можно считать, что все напряжение, даваемое источником, полностью выделяется на внешнем сопротивлении Rа.
Таким образом мы приходим к следующим результатам. При увеличении анодного сопротивления Rа коэффициент усиления, даваемый каскадом, сначала растет быстро, а дальше, когда анодное сопротивление Rа уже значительно больше внутреннего сопротивления Rв, коэффициент усиления начинает возрастать все медленнее и медленнее. Подробные расчеты, которых мы здесь приводить не будем, показывают, что при увеличении анодного напряжения коэффициент усиления, даваемого каскадом, стремится к пределу, который как раз равен усилительной постоянной лампы. При анодном сопротивлении, например в 30—40 раз превышающем внутреннее сопротивление лампы, практически уже можно считать коэффициент усиления равным усилительной постоянной лампы, и, следовательно, дальнейшее увеличение анодного сопротивления будет уже нецелесообразно. Так как обычные наши лампы имеют внутреннее сопротивление порядка нескольких десятков тысяч ом, то значит при анодных сопротивлениях порядка одного мегома мы получим от лампы все то усиление, которое она может дать и которое равно усилительной постоянной лампы. Поэтому в усилителях на сопротивлениях обычно применяются высокоомные анодные сопротивления порядка 1—2 мегом.
Рассмотренная нами схема усиления на сопротивлениях принципиально в одинаковой степени может быть применена для усиления как высокой, так и низкой частоты. Однако практически этот усилитель будет себя вести совершенно по-разному, в зависимости от того, усиливает ли он высокую или низкую частоту. Причина этого кроется в следующем. Мы полагали, что как сами лампы, так и внешние сопротивления являются действительно только сопротивлениями. Между тем всякие проводники обладают также и емкостью, хотя и не большой, но все же заметной. Так, например, если мы включим сопротивление в виде стеклянной трубочки между какими-либо двумя зажимами, то между этими зажимами будет существовать также и некоторая емкость, которая включена как бы параллельно сопротивлению. К этой емкости прибавится еще и та емкость, которой обладают проводники, подводящие ток к сопротивлению. Следовательно, строго говоря, мы не имеем права считать, что в нашей схеме есть одни только сопротивления. Нужно иметь в виду те паразитные емкости Сп, которые существуют между проводами схемы, включены как бы параллельно анодному сопротивлению и внутреннему сопротивлению лампы (рис. 3). Если принять это во внимание, то станет совершенно ясным, что усилитель на сопротивлениях может вести себя по-разному в случаях усиления низкой и высокой частоты. Ведь переменный ток проходит через емкость, и эта емкость представляет для него некоторое сопротивление, тем меньшее, чем больше частота переменного тока. Поэтому мы должны при расчетах принимать во внимание величину сопротивления такой цепи, которая состоит из сопротивления зашунтированного емкостью. Как известно, при параллельном включении двух проводников общее сопротивление всей цепи будет во всяком случае меньше, чем величина меньшего из двух включенных параллельно сопротивлений. И если паразитные емкости, которыми зашунтированы наши сопротивления, представляют для данной частоты очень большое сопротивление, гораздо большее, чем величина омического сопротивления, то все наши прежние рассуждения останутся в силе. Если же для данной частоты емкостное сопротивление паразитных емкостей окажется того же порядка или даже меньше, чем омическое сопротивление, то все то, что было сказано выше, окажется неправильным. Нам придется принимать во внимание уже меньшее сопротивление, то есть сопротивление паразитных емкостей. И если это сопротивление будет мало, то мы не сможем в анодной цепи лампы выделить достаточно большие напряжения.
Чем выше частота усиливаемого тока, тем больше опасность того, что паразитные емкости будут давать емкостное сопротивление меньшее, чем омическое сопротивление Ra. Для токов низкой частоты эта опасность отсутствует. В случае же токов высокой частоты она в сущности ограничивает возможность применения усилителей на сопротивлениях.
Действительно, даже при самом тщательном выполнении монтажа (в смысле уменьшения паразитных емкостей), все же нельзя избежать паразитных емкостей порядка нескольких сантиметров. Для токов низкой частоты, например в 1 500 периодов в секунду, емкость в несколько сантиметров дает емкостное сопротивление порядка сотен миллионов ом. Для токов же высокой частоты, например для начальной волны радиовещательного диапазона (волна 200 метров, частота полтора миллиона колебаний в секунду), это емкостное сопротивление будет составлять только несколько сот тысяч ом, то есть будет уже одного порядка или даже меньше тех анодных сопротивлений, которые следовало бы применить для получения наибольшего усиления. Если же паразитные емкости составляют не несколько сантиметров, а несколько десятков сантиметров (в обычных схемах это часто так и бывает), то емкостное сопротивление паразитных емкостей падает уже до нескольких десятков тысяч ом, то есть имеет величину примерно того же порядка, что и внутреннее сопротивление лампы. При таких условиях, как мы уже выяснили, во внешней цепи будет выделяться только часть напряжения, даваемого лампой, остальная часть напряжения будет теряться внутри самой лампы. Поэтому усиление высотой частоты при помощи усилителя на сопротивлениях является невыгодным и практически не применяется. Для усиления же низкой частоты применение усилителя на сопротивлениях вполне целесообразно, хотя, как мы выясним ниже, как самый принцип усиления, так и наличие паразитных емкостей являются причиной того, что усилитель на сопротивлениях все же нельзя считать идеальным типом усилителя.
Но все же усилители низкой частоты на сопротивлениях пользуются достаточно широким распространением и особенно широко применяются в радиолюбительской практике, во-первых, вследствие своей дешевизны и простоты, а во-вторых, вследствие того, что они дают наиболее чистое и неискаженнное усиление. К вопросу о том, какими причинами обусловливаются искажения в усилителях и почему усилители на сопротивлениях от этих искажений свободны (или, вернее, почти свободны), мы еще вернемся в дальнейшем. Пока же мы ограничимся только некоторыми указаниями относительно типов усилителей на сопротивлениях. Первый тип тот, о котором мы уже говорили и который характеризуется тем, что в анодную цепь лампы включается высокоомное сопротивление. В этом случае, как уже выяснено, мы получаем наибольший коэффициент усиления, даваемого усилителем. Но принципиально, конечно, можно пользоваться и сравнительно низкоомными сопротивлениями, имеющими сопротивление такого же порядка или даже меньшее, чем внутреннее сопротивление лампы.
Мы рассмотрели выше схему одного каскада усиления низкой частоты на сопротивлениях. Для того чтобы разобрать вопрос о способах связи отдельных каскадов усиления, мы должны рассмотреть схему двухкаскадного усилителя на сопротивлениях. Схема эта приведена на рис. 4. Так же как и однокаскадный, этот усилитель включается точками А и Б в цепь, по которой протекает переменный ток низкой частоты, и сопротивление Rc1 оказывается включенным последовательно в цепь переменного тока, вследствие чего на его зажимах получается переменное напряженно Ec1. Это напряжение усиливается первой лампой и на зажимах анодного сопротивления этой лампы (Rа1) получается усиленное переменное напряжение Еа1. Если это усиленное переменное напряжение все же оказывается недостаточным, то его можно снова усилить при помощи второй лампы (второго каскада усиления). Для этого его нужно подвести к сетке второй лампы так же, как напряжение Ec1 было подведено к сетке первой лампы. Однако, сделать это нужно с некоторыми предосторожностями. Дело в том, что кроме переменного напряжения, в анодной цепи первой лампы существует также постоянное падение напряжения, создаваемое тем постоянным анодным током (постоянной слагающей анодного тока), который течет в этой анодной цепи. Если это постоянное напряжение попадет на сетку второй лампы, то оно изменит режим работы лампы, сместит рабочую точку характеристики, и это может нарушить нормальные условия работы лампы.
Поэтому подавать постоянное напряжение из анодной цепи первой лампы на сетку второй не следует, и следовательно перед нами стоит задача отделить постоянное напряжение от переменного, и только это последнее подать на сетку второй лампы. Решается эта задача, как известно, очень просто. Цепь сетки второй лампы нужно соединить с цепью анода первой не непосредственно, а через емкость С, как это указано в схеме (рис. 4). Между точками А1 и Б1 или, что тоже самое, между точкой А1 и нитями ламп, которые соединены параллельно, существует некоторое переменное напряжение, которое нужно подвести между сеткой и нитью второй лампы. Мы этого достигнем, если соединим точку А1 через конденсатор С с сеткой второй лампы. Постоянное же напряжение через конденсатор не проникнет, и значит на сетку второй лампы попадет только переменное напряжение Еа1. Это переменное напряжение вызовет изменения анодного тока второй лампы, и таким образом на зажимах анодного сопротивления второй лампы Rа2, мы получим еще более усиленное переменное напряжение Еа2. Если бы потребовалось, это напряжение можно было бы снова, точно таким же образом, подать на сетку третьей лампы и опять усилить (в третий раз). Тогда мы имели бы три каскада усиления на сопротивлениях. Но разбирать схемы трехкаскадного усиления мы не будем, так как он принципиально ничем не отличается от схемы двухкаскадного усилителя.
Мы выяснили, для чего необходим конденсатор С в цепи сетки второй лампы. Но если в цепь сетки включен конденсатор, то электроны, попадающие на сетку с нити, не имеют выхода с сетки. Все попавшие на сетку электроны будут скопляться на ней, постепенно увеличивая ее отрицательный заряд. В конце концов отрицательный заряд на сетке возрастет настолько, что анодный ток вовсе прекратится и лампа перестанет работать — она окажется «запертой». Чтобы этого не случилось, нужно открыть электронам путь, по которому они могли бы с сетки снова возвращаться к нити. Этот путь — это «утечка сетки» Rс2, которая включается между сеткой и нитью второй лампы. По этому сопротивлению электроны возвращаются снова к нити.
После того, как мы разобрали схему двухлампового усилителя, нам остается еще выяснить, какое усиление может дать этот усилитель и как величина этого усиления зависит от величины сопротивлений и емкости, входящих в схему. Что касается анодных сопротивлений Rа1 и Rа2, то о них можно повторить все то, что было сказано относительно анодного сопротивления в одноламповом усилителе, так как условия работы лампы и анодного сопротивления в этих двух схемах друг от друга совершенно ничем не отличаются. И в этом случае для того, чтобы получить возможно больший коэффициент усиления в каждом из каскадов, нужно, чтобы анодные сопротивления были велики по сравнению с внутренним сопротивлением лампы.
Посмотрим теперь, как влияют на работу схемы величины емкости переходного (междулампового) конденсатора С и утечки сетки второй лампы Rс2. Чтобы выяснить этот вопрос, мы снова воспользуемся эквивалентной схемой, но несколько иного вида (рис. 5). Лампу мы по-прежнему заменим некоторым условным источником напряжения Е1. Но теперь уже этот источник будет включен на две цепи, соединенные параллельно. Первая из этих двух цепей это анодное сопротивление Rа2, а вторая — это конденсатор С и сопротивление Rс2, включенные последовательно. Емкость, как известно, представляет собой некоторое сопротивление переменному току, причем это сопротивление будет тем меньше, чем больше частота тока и чем больше емкость конденсатора. Емкость С мы заменим в нашей эквивалентной схеме некоторым эквивалентным сопротивлением Rс. Теперь мы легко выясним, какое влияние на работу схемы будут оказывать величины Rс2 и С (в нашей схеме Rc). Падение напряжения между точками А и Б должно быть, как известно, одно и то же в обоих параллельных цепях. Значит то напряжение Еа1, которое приходится на сопротивление Rа1, во второй цепи разделится на две части — Ес — падение напряжения на Rс (т. е. в емкости) и Ес2 — падение напряжения на Rс2 (это именно то напряжение, которое попадает на сетку 2 лампы). И чем меньше будет Ес, тем больше будет Ес2. А наша задача к тому и сводится, чтобы напряжение, попадающее на сетку 2 лампы, т. е. Еc2, было бы возможно больше. Поэтому, нужно стремиться к тому, чтобы Rc было бы очень мало по сравнению с Rc2. Но Rc — кажущееся сопротивление емкости переменному току — будет тем меньше, чем больше емкость, и значит емкость С должна быть достаточно велика. Кроме этого условия, необходимо соблюдать еще одно, а именно: общее сопротивление всей цепи между точками А и Б должно быть попрежнему велико по сравнению с Rc (чтобы Еа1 было велико). А для того, чтобы общее сопротивление всей цепи не уменьшилось от присоединения участка Rc—Rc2, нужно чтобы сопротивление этого участка было велико по сравнению с Rа1. Так как Rc должно быть мало по сравнению c Rc2, то значит наше второе требование сводится к тому, чтобы Rc2 было бы больше чем Rа1.
Таким образом условия для получения наибольшего усиления в разобранной нами схеме сводятся к следующему. Rа1 и Rа2 должны быть велики по сравнению с внутренним сопротивлением лампы Rв; Rc2 должно быть больше Rа1, и, наконец, емкость конденсатора С должна быть достаточно велика. При соблюдении всех этих условий каждая лампа будет давать коэффициент усиления, примерно равный ее усилительной постоянной, а оба каскада вместе дадут коэффициент усиления, равный произведению усилительных постоянных обеих ламп. В случае трехкаскадного усилителя, мы при соблюдении тех же условий могли бы получить коэффициент усиления, равный произведению усилительных постоянных всех трех ламп.