Т-165. В электронной аппаратуре широко используются различные генераторы переменного напряжения. В точном переводе слово «генератор» означает «создающий», «рождающий», а электрическими генераторами называют самые разные преобразователи, которые вырабатывают электрическую энергию, — машинный генератор, химический источник тока, преобразователи тепловой и световой энергии в электрическую. Электрические генераторы очень широко используются в электронной аппаратуре как самостоятельные схемные узлы. Это генераторы, которые преобразуют электрическую энергию в электрическую энергию, но несколько иного вида: они потребляют постоянный ток, а создают переменный, меняющийся. Для краткости все поясняющие слова просто опускают, и когда говорят «электронный генератор» или просто «генератор», то имеют в виду схему, на выходе которой действует переменное напряжение определенной частоты и формы и которая при этом получает только питание.

За примерами применения генераторов далеко ходить не нужно. В радиопередатчиках генераторы создают переменный ток, который в итоге излучает радиоволны. В электронном музыкальном инструменте генераторы заставляют звучать громкоговоритель. В телевизоре с помощью меняющихся токов отклоняют электронный луч, заставляют его бегать по экрану и рисовать картинку. Даже в карманном приемнике, как правило, есть вспомогательный генератор, который помогает лучше отделять одну станцию от другой. Можно наверняка сказать, что после усилителя генератор — самый распространенный элемент электронной аппаратуры.

Т-166. Источником переменного напряжения может быть колебательный контур. Нам уже встречалось несколько устройств, на выходе которых действует переменное напряжение. Первое из них — машинный генератор (Т-62). Для электронной аппаратуры, пожалуй, не подойдет этот сложный агрегат с вращающимися деталями, не говоря уже о том, что от электронных генераторов часто требуются мегагерцы и гигагерцы, частоты, недоступные для машинного генератора. Отпадают и генераторы микрофонного типа (Т-109): в них за переменное напряжение нужно платить переменным перемещением. А где его возьмешь?

Остается пока один достойный претендент на роль электронного генератора— колебательный контур (Т-86).

Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора С_к, катушки L_к и резистора R_к (Р-96;1). Правда, резистора как такового в контуре не бывает, и R_к отображает собственное сопротивление контура, в которое входит сопротивление катушки, потери энергии в конденсаторе, другие виды потерь и затрат. До сих пор мы встречали контур в роли резонансного фильтра в цепи переменных токов. А теперь извлечем его оттуда и посмотрим, что произойдет, если отделить контур от всех других электрических цепей и передать ему порцию энергии, например зарядив конденсатор (Р-96;2,3) до напряжения U_c.

Р-96

А произойдет, скорее всего, вот что. Конденсатор сразу же начнет разряжаться через катушку L_к, в контуре пойдет ток I_к, вокруг катушки появится магнитное поле. Когда разряд конденсатора закончится, ток в цепи не прекратится, его будет поддерживать э.д.с. самоиндукции, которую создаст убывающее магнитное поле катушки. Для пустого разрядившегося конденсатора это будет зарядный ток, он зарядит конденсатор, но уже, конечно, в обратной полярности. И когда катушка завершит свою деятельность, когда ее магнитное поле исчезнет и перестанет действовать э.д.с. самоиндукции, ток в цепи все равно не прекратится, его будет создавать разряжающийся конденсатор. Но это уже ток обратного направления, поскольку противоположна и полярность напряжения на конденсаторе (Р-96;4).

И снова все пойдет по знакомому сценарию. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезает, конденсатор вновь оказался заряженным. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезло, а конденсатор вновь оказался заряженным. И так цикл за циклом будет заряжаться и разряжаться конденсатор, нарастать и убывать магнитное поле катушки, меняться ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке. Будут происходить электромагнитные (иногда для краткости говорят «электрические») колебания в контуре.

Т-167. Частота свободных колебаний в контуре определяется его индуктивностью и емкостью. Эти электрические колебания в контуре относятся к огромному классу процессов, имя которому свободные колебания (Т-91). У электрических колебаний те же главные приметы и повадки, что и, скажем, у колебаний маятника или струны, хотя, конечно, в колебания вовлечены совсем иные физические процессы. Как и в любой колебательной системе, в контуре есть два накопителя энергии — электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки. Накопители эти действуют не каждый сам по себе, они взаимосвязаны: когда магнитное поле убывает, то э.д.с. самоиндукции заряжает конденсатор, а когда конденсатор разряжается, то в цепи идет ток, который запасает энергию в магнитном поле катушки. Именно обмен энергией между двумя ее накопителями — конденсатором и катушкой — и приводит к колебаниям, к изменению тока в контуре, напряжений на его элементах.

Частота свободных электрических колебаний в контуре зависит от его параметров — индуктивности L_к и емкости С_к, так же как частота свободных механических колебаний струны зависит от ее массы и гибкости (Т-92). Чем больше емкость конденсатора С_к и индуктивность катушки L_к, тем медленнее они накапливают и отдают энергию, тем медленнее происходит обмен энергией между этими накопителями, тем ниже частота свободных электрических колебаний (Р-96;5,6). Причем частота переменного напряжения и переменного тока в контуре автоматически устанавливается именно такой, чтобы конденсатор и катушка получали одинаковые порции энергии. То есть частота получается такой, что емкостное сопротивление х_с и индуктивное x_L на этой частоте одинаковы. Из условия равенства сопротивлений х_L = x_с легко найти точное значение частоты свободных колебаний — она получается такой же, как резонансная частота контура f_peз (Р-58;1). Логичнее, пожалуй, сказать — резонансная частота f_peз равна частоте свободных колебаний f_к.

Очень удобно, что частота свободных колебаний зависит от индуктивности и емкости контура. Это значит, что, изменяя L_к или С_к, можно менять частоту переменного напряжения, которую будет давать контур. Если, конечно, он пройдет на роль электронного генератора. Именно «если пройдет»: пока этому мешает одно прискорбное обстоятельство, характерное для всех колебательных систем, — неизбежное затухание колебаний.

Т-168. Чем выше добротность контура, тем медленнее затухают колебания. Свободные электрические колебания затухают в контуре постепенно, энергия, первоначально полученная конденсатором, постепенно теряется на сопротивлении R_к, превращается в тепло. При этом постепенно уменьшается амплитуда переменного тока, переменные напряжения на катушке и конденсаторе.

То же самое мы уже наблюдали в колеблющейся струне, для нее была введена характеристика «добротность» Q, которая как раз и показывает, от чего зависит время жизни свободных колебаний (Т-93). Подобная характеристика — добротность Q — говорит и о том, насколько бережно относится к своим запасам энергии колебательный контур. Чем больше энергии при каждом перекачивании уходит в запас, в магнитное поле или электрическое поле, и чем меньше энергии при каждом перекачивании превращается в тепло, тем больше добротность Q, тем дольше длятся свободные колебания в контуре (Р-96;7,8).

Т-169. Добротность контура тем выше, чем меньше потери энергии, чем больше индуктивность и меньше емкость. Добротность — исключительно важная характеристика колебательного контура. Когда контур используется в качестве резонансного фильтра, то именно от добротности зависит, насколько хорошо он будет справляться со своей задачей. Чем выше добротность, тем сильнее контур задавит токи соседних частот и тем лучше выделит, вытащит из аккорда ток своей собственной, резонансной частоты. Когда контур держит экзамен на роль генератора, то именно от добротности зависит, какую он при этом получит оценку, насколько долго будут длиться в контуре собственные колебания.

Но от чего же зависит сама добротность, которая столь сильно влияет на все основные таланты контура?

Можно сразу же сказать, что добротность зависит от потерь энергии в контуре: чем меньше потери, чем меньше R_к, тем выше добротность Q. Иногда потери отображаются не только последовательным резистором R_к, но еще и параллельным резистором R'_к, а бывает, что такой резистор R'_к в действительности подключен параллельно контуру, шунтирует контур, старается отвести, отобрать часть циркулирующего в контуре тока. И чем меньше R'_к, тем большая часть энергии в него уходит, тем ниже добротность.

Есть еще одна зависимость, не сразу, может быть, заметная, — добротность контура зависит от соотношения L_к и С_к. В процессе каждого перекачивания энергии вся она делится на две части, часть энергии поглощается активным сопротивлением R_к, а другую часть отбирает один из накопителей, конденсатор или катушка. То, что достается резистору R_к, пропадает безвозвратно; то, что попадает реактивному сопротивлению L_к или С_к, остается в контуре. Поэтому и оказывается, что добротность контура — не что иное, как отношение реактивного сопротивления к активному — х_L к R_к (Р-96;7) или, что то же самое, х_с к R_к (поскольку х_L = х_с на частоте f_к = f_рез).

Сделав простейшие преобразования, можно получить выражение для добротности и увидеть, что она зависит от соотношения L_к и С_к (Р-96;9). Но даже без преобразований легко прийти к выводу, что добротность Q тем больше, чем больше L_к, и тем меньше, чем больше С_к. Потому, что с увеличением L_к возрастает реактивное сопротивление x_L, которое отбирает энергию у ненасытного R_к, отбирает с тем, чтобы вскоре вернуть в контур. А с увеличением С_к емкостное сопротивление х_с уменьшается, конденсатор забирает себе меньше энергии. Более того, приходится еще и L_к уменьшать, чтобы при увеличении С_к сохранить неизменной f_к.

Зависимость добротности Q от L_к и С_к накладывает серьезные ограничения на выбор параметров контура. Конечно же, частота свободных колебаний f_к в равной мере зависит и от L_к и от С_к: одну и ту же частоту можно получить при самых разных соотношениях индуктивности и емкости подобно тому, как одну и ту же площадь прямоугольника можно получить при разных соотношениях его сторон. Если в несколько раз увеличить L_к и во столько же раз уменьшить С_к, то частота f_к не изменится. Можно как угодно менять эти параметры, лишь бы только сохранялось неизменным произведение L_кC_к, которое и определяет частоту f_к. Но если нужно не просто получить ту или иную частоту электрических колебаний, а получить ее при высокой добротности контура, то соотношение L_к и С_к уже далеко не безразлично — нужно стараться, чтобы индуктивность контура была побольше, а емкость поменьше (Р-96;9).

Т-170. Усилитель с положительной обратной связью компенсирует потери энергии в контуре. Колебательный контур сам по себе не может, к сожалению, сдать экзамен на звание электронного генератора. Как ни уменьшай потери и затраты энергии в контуре, свести их к нулю не удастся, в большей степени или в меньшей, но колебания все равно будут затухать. Правда, если поместить контур в сосуд с жидким гелием, то колебания будут существовать в нем многие дни и даже месяцы — температура жидкого гелия близка к абсолютному нулю (-273 °C), и в проводниках при такой температуре наблюдается явление сверхпроводимости: электрический ток не встречает никаких препятствий, не затрачивает энергии, не выделяет тепла. Поэтому в контуре, помещенном в жидкий гелий, почти нет потерь энергии, его добротность чрезвычайно велика.

Но такой сверхзамороженный контур не может работать генератором. И не только потому, что сложная система поддержания сверхнизкой температуры неприемлема даже для таких аппаратов, как телевизор, не говоря уже о переносных приемниках. Главное в том, что генератор в электронных установках — это не экспонат, а работающий блок, он должен не просто создавать переменное напряжение, но и отдавать энергию потребителю. А всякая передача энергии равносильна появлению в контуре некоторого дополнительного сопротивления, равносильна увеличению R_к. Поэтому даже в идеальном контуре-генераторе, как только он начнет работать, начнет отдавать энергию, колебания быстро затухнут, просто иссякнет запас энергии.

И все же можно получить в контуре незатухающие колебания. О том, как это сделать, подсказывают настенные часы, маятник которых беспрерывно колеблется, как будто нет ни трения в системе его подвеса, ни сопротивления воздуха. А еще качели, которые, если ты сумеешь раскачать их в такт с собственными колебаниями, тоже не будут останавливаться до тех пор, пока не надоест качаться.

Маятник часов и качели подсказывают тактику получения незатухающих электрических колебаний в контуре: полностью ликвидировать потери и затраты энергии нельзя, но их можно скомпенсировать, если извне вводить в контур энергию, которая перекроет все виды потерь и затрат. Для этого достаточно сделать усилитель с положительной обратной связью, например такой, как на Р-97;1. В этой схеме контур L_кC_к включен в цепь базы и затухающее переменное напряжение на контуре есть не что иное, как усиливаемый сигнал. А в коллекторную цепь включена нагрузка R_н и еще один, новый элемент — катушка обратной связи L_oc. Она связана с контурной катушкой L_к общим магнитным полем, и через этот трансформатор часть «мощной копии» из коллекторной цепи, то есть с выхода усилителя, подается на его вход, поступает в базовую цепь.

Нормальная прямая связь входа и выхода в усилителе — это влияние входа на выход, влияние базовой цепи на коллекторную (в лампе — сеточной на анодную). А влияние выхода на вход, передача сигнала или какой-то его части из коллекторной цепи в базовую — это обратная связь. Типичный пример обратной связи — это передача энергии из катушки L_oc в катушку L_к. При определенных условиях энергия, поступившая по цепи обратной связи в контур, полностью скомпенсирует все потери в нем и электрические колебания в контуре станут незатухающими.

Но это только при определенных условиях.

Р-97

Т-171. Для самовозбуждения генератора нужно выполнить два условия — условие фаз и условие связи. Переменное напряжение, которое подается на вход усилителя, иногда называют сигналом возбуждения. Потому что именно оно пробуждает к действию дремавший до того усилитель, заставляет меняться коллекторный ток, напряжение на нагрузке и на коллекторе, создает свою мощную копию. Если во входную цепь усилителя включить колебательный контур, то возбуждающим сигналом будет переменное напряжение на этом контуре. Действовать оно будет не долго, так как колебания в контуре затухают. Но если в контуре будут созданы незатухающие колебания, то усилитель превратится в генератор, на его базе непрерывно будет действовать переменное напряжение, в коллекторной цепи появится долгоживущий, устойчивый переменный ток, на нагрузке — устойчивое переменное напряжение. Такой режим называется самовозбуждением: он появляется только благодаря тому, что усилитель — теперь уже генератор — сам себе на вход подает возбуждающее напряжение, которое поддерживает свободные колебания в контуре.

Для самовозбуждения прежде всего нужно, чтобы сигнал, поступающий на вход из коллекторной цепи, поддерживал колебания в контуре (Р-97;3,4), а не мешал им (Р-97;5), что в принципе тоже возможно. Иными словами, нужно, чтобы собственный переменный ток в контуре и I_к и ток I_ос, наведенный катушкой обратной связи, действовали бы в фазе. В схеме Р-97;1 выполнить это условие — условие фаз — очень просто, нужно лишь правильно включить катушку L_oc. При налаживании генератора, добиваясь самовозбуждения, просто переворачивают одну из катушек «вверх ногами». А если это неудобно, то меняют местами концы катушки L_к или, что то же самое, концы катушки L_oc. При переворачивании катушки или смене ее концов фаза тока I_ос, наведенного в L_к, поворачивается на 180°, и если токи I_к и I_ос действовали в противофазе, они начинают работать согласованно. А это как раз и значит, что сигнал, попавший в контур по каналу связи, восполняет энергию, которую съедает R_к, и как бы уменьшает его.

Но для самовозбуждения нужно не просто уменьшить R_к, а уменьшить его до нуля, полностью скомпенсировать потери в контуре. А значит, нужно выполнить еще одно условие — условие связи, передать в контур энергию не только в нужной фазе, но еще и в нужном количестве. В генераторе по схеме Р-97;1 выполнить условие связи тоже несложно — нужно сближать катушки L_к и L_oc или в крайнем случае увеличить число витков катушки обратной связи.

Т-172. В трехточечных схемах генераторов напряжение обратной связи снимается с части контура. Схема генератора Р-97;1 называется схемой с трансформаторной обратной связью. Есть два совершенно равноправных варианта такой схемы. В одном случае контур включается в базовую цепь (в реальных схемах транзистор обязательно подключается лишь к части контура, иначе низкое входное сопротивление транзистора сильно зашунтирует контур; Р-96;8), а катушка обратной связи — в коллекторную. А во втором варианте, наоборот, в коллекторной цепи находится контур, выполняющий здесь роль нагрузки, а катушка обратной связи включена во входную цепь. События в обеих схемах, как и вообще во всех генераторах, разворачиваются одинаково. Первый же толчок тока, например при включении питания или из-за того, что на базу попал лишний электрон, и в контуре начинаются свободные колебания, которые благодаря обратной связи оказываются незатухающими. Схемы с трансформаторной обратной связью очень популярны и весьма удобны. Единственное, что, пожалуй, можно поставить им в упрек, так это дополнительную катушку L_оc.

В некоторых генераторах отдельная катушка обратной связи не нужна, в них сигнал обратной связи снимается с части колебательного контура. Это так называемые трехточечные схемы, в них транзистор подключен к контуру тремя точками — эмиттером, базой и коллектором (в ламповых генераторах— катодом, сеткой и анодом). В зависимости от того, откуда берут напряжение обратной связи — с катушки или конденсатора, — различают трехточечные схемы с индуктивной (Р-97;6) или с емкостной обратной связью (Р-97;7). В обеих этих схемах условие фаз выполняется в том случае, если эмиттер подключен к средней части контура, а коллектор и база — к его краям. А выполнение условия связи связано с тем, какая часть контурной емкости или индуктивности подключена к участку база — эмиттер.

В трехточечной схеме с индуктивной связью с выхода транзистора на его вход подается тем большая часть энергии, чем большая часть L'_к контурной катушки L_к включена между базой и эмиттером. Это значит, что, перемещая точку подключения эмиттера вниз по схеме, мы усиливаем обратную связь. Однако при этом одновременно уменьшается коллекторная нагрузка: нагрузкой в этой схеме оказывается не весь контур, а только та часть его L"_к которая включена между коллектором и эмиттером (верхний по схеме конец L"_к подключен к эмиттеру, нижний — к коллектору через конденсатор фильтра С_ф). Задумываясь над тем, к чему может привести то или иное действие при налаживании схемы, иногда полезно рассмотреть крайний случай. Попробуем, в погоне за стопроцентной обратной связью, подключить эмиттер к крайней нижней точке катушки L_к, то есть передать с выхода на вход все, что только возможно, весь выходной сигнал целиком. Но при этом окажется, что обратная связь не имеет никакого смысла, потому что транзистор не дает никакого усиления и на его выходе вообще нет сигнала. Мы возвращаем на вход 100 процентов от «ничего». Потому что транзистор остался без нагрузки.

В емкостной трехточечной схеме напряжение обратной связи снимается с делителя, который образован конденсаторами С_к1 и С_к2. Здесь обратная связь тем сильней, чем больше емкостное сопротивление верхнего по схеме участка (конденсатор С_к1), а коллекторная нагрузка тем больше, чем больше емкостное сопротивление нижнего по схеме участка (конденсатор С_к2). Емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости, а поэтому с увеличением емкости С_к1 обратная связь ослабляется. А с увеличением емкости С_к2 сопротивление коллекторной нагрузки становится меньше. Все осложняется еще тем, что оба конденсатора определяют общую емкость контура С_к, а значит, и частоту электрических колебаний f_к в нем. В схеме появляется еще одна деталь — резистор R_э. Без него генератор вообще не работает — эмиттер отрезан от коллектора конденсаторами, и постоянная составляющая коллекторного тока может замкнуться только через R_э. А посадить эмиттер на землю, как это делалось в других схемах, нельзя — окажется замкнутым накоротко конденсатор С_к2.

У трехточечной схемы с емкостной обратной связью есть некоторое преимущество в сравнении с другими схемами. Если изменять частоту генератора, заменяя контурные катушки, то в этой схеме достаточно производить переключение только одного провода (верхний конец катушки), в то время как в других схемах нужно одновременно производить два переключения (например, переключать верхний конец катушки и отвод обратной связи в схеме Р-97;7).

Во всех схемах генераторов присутствует незримый элемент — резистор R'_н. Генератор работает не сам для себя, а передает результаты своей работы потребителю, который представлен резистором R'_н.

Т-173. RC-генератор: необходимый поворот фазы постепенно осуществляют цепочки из конденсаторов и резисторов. Обратную связь в генераторах назвали положительной потому, что она поддерживает изменения сигнала на входе, помогает ему. Но в принципе возможна еще и отрицательная обратная связь, когда сигнал, поступивший с выхода усилителя на его вход, действует против основного, главного входного сигнала, мешает ему (Р-97;5). Отрицательная обратная связь вскоре станет для нас предметом серьезных раздумий и тонких экспериментов (Т-197, Т-198), а пока отметим лишь одно: если с коллектора подать сигнал прямо на базу, то обратная связь получится именно отрицательной. Потому что, когда «минус» на базе увеличивается, на коллекторе «минус» уменьшается, то есть коллекторное напряжение, попав на базу, будет действовать против собственного напряжения на базе. Или, короче, напряжение на базе и напряжение на коллекторе — противофазны. А отсюда еще одна формулировка условия фаз: для получения положительной обратной связи при передаче сигнала из коллекторной цепи в базовую нужно повернуть фазу этого сигнала на 180°. Коллекторное и базовое напряжения сами по себе сдвинутся на 180° и дополнительный поворот на 180° доведет общий сдвиг фаз до 360°, то есть на целый период. А это значит, что никакого сдвига фаз не будет: «свое» напряжение на базе и та помощь, которая придет на базу по цепи обратной связи, будут действовать согласованно.

Р-98

В генераторе с трансформаторной обратной связью поворот фазы на 180° получают определенным расположением и включением катушек, в трехточечных схемах — определенным подключением транзистора к контуру (эмиттер — в центре, коллектор и база — по краям). И есть еще одна возможность выполнить условие фаз: при передаче сигнала с коллектора на базу можно повернуть фазу сигнала на 180° с помощью нескольких последовательно соединенных RC-цепочек. Генератор, в котором используется такой способ поворота фазы, так и называется RС-генератором, одна из возможных его упрощенных схем приведена на Р-98. По-видимому, первое, что в этой схеме бросается в глаза, так это отсутствие колебательного контура. Но как же без контура? Где же тогда возникают первые слабые, затухающие колебания, которые потом поддерживает обратная связь, делая их незатухающими? И какие элементы в таком бесконтурном генераторе определяют частоту переменного напряжения? В предыдущих схемах частота определялась индуктивностью и емкостью контура..

А здесь чем?

Начнем с конца: частоту определяют три RС-цепочки, соотношение сопротивлений и емкостей в них. Дело в том, что вся система RС-элементов поворачивает фазу на 180°, но такой поворот происходит только на одной частоте, на других частотах он больше или меньше.

Т-174. На входе любого транзистора действует очень небольшое напряжение шумов. На базе транзистора, не только в этой схеме, но в любой другой, всегда действуют слабые сигналы самых разных частот. Откуда? Ну, скажем, это просто так называемые шумы, некоторая неравномерность постоянного тока смещения или постоянного эмиттерного тока, часть которого ответвляется в базу. Идеального постоянного тока нет и быть не может. Если в цепи идет ток, движутся миллиарды миллиардов электронов, то из-за хаотичности тепловых процессов в металле обязательно в какой-то момент электронов пройдет на сто штук больше, а в другой момент — на сто штук меньше. В итоге самый постоянный ток хаотично и непрерывно меняется. Очень незначительно, но меняется. Поэтому-то и появляется на входе любого транзистора хаотичное переменное напряжение, как его называют, напряжение шумов. Спектр шумов очень широк, они практически содержат составляющие всех частот, от самых низких до самых высоких.

Т-175. Частота напряжения на выходе RC-генератора определяется сопротивлением и емкостью фазовращающих цепочек. Шумовое напряжение на базе создаст свою копию в коллекторной цепи, и по цепи обратной связи, через все RС-цепочки, часть ее попадет обратно на базу. И вот здесь-то оказывается, что в основном все составляющие придут на базу с неудачными фазами, они будут ослаблять породившие их составляющие базовых шумов. И только одна составляющая, для которой три RC-цепочки создадут поворот фазы на 180°, добравшись из коллектора в базу, будет поддерживать, усиливать породивший ее сигнал. Эта составляющая шумов базового тока станет еще сильнее и создаст в коллекторной цепи еще более сильную свою копию. А та опять-таки усилит сигнал на базе, и так пойдет: выходное напряжение данной частоты будет нарастать и нарастать, пока его не ограничит коллекторное питание.

В заключение несколько слов о том, почему RC-цепочки поворачивают фазу точно на 180°. Ток через резистор и напряжение на нем U_R совпадают по фазе, ток через конденсатор и напряжение U_c на нем сдвинуты по фазе на 90° (Р-98;2,3. Т-71, Т-75). Во всех элементах последовательной цепи ток один и тот же — I_общ, а общее напряжение (I_общ равно сумме напряжений U_R и U_с на отдельных участках.

Ну а сдвиг фаз? Одно напряжение совпадает по фазе с током, второе опережает ток на 90°, так как же соотносятся фазы тока и общего напряжения U_общ.

Чем больше х_с какой-либо RС-цепочки, тем больше напряжение U_с на конденсаторе и тем ближе к 90° сдвиг фаз между током I_общ и общим напряжением U_общ. А чем больше R, тем более «активный характер» имеет сопротивление всей цепи, тем меньше сдвиг фаз между I_общ и U_общ. Существует частота, на которой при данном соотношении С и R сдвиг фаз между I_общ и U_общ равен 60°, и три такие цепочки поворачивают фазу в сумме на 180° (Р-98;3). Если изменить R или С в фазовращающих RС-цепочках, то сразу же изменится соотношение между R и х_с. И прежнее соотношение между I_общ и U_общ, а значит, и прежний сдвиг фаз в 60° будут уже на другой частоте. А отсюда вывод: при изменении R или С изменится частота переменного напряжения на выходе генератора. Существуют и другие схемы генераторов с фазовращающими RС-цепочками, но механизм генерирования переменного напряжения у всех у них одинаков.

Т-176. В мультивибраторе два взаимосвязанных транзистора поочередно открывают друг друга, генерируют переменное напряжение прямоугольной формы. Есть бесконтурные генераторы, работающие на совершенно ином принципе. Это прежде всего мультивибратор (Р-99), в котором работают два транзистора, причем каждый из них управляет работой другого — коллектор каждого транзистора через конденсатор связан с базой своего соседа.

Р-99

В бурных событиях, которые происходят в мультивибраторе, немало действующих лиц (Р-99;2). Это напряжения на базах, которые в итоге определяют коллекторные токи, а значит, и напряжения на коллекторах. Это конденсаторы С'_б и С"_б от емкости которых зависит скорость их заряда и разряда, а значит, и время существования токов, которые влияют на режимы транзисторов. Это еще и резисторы R'_б и R"_б, которые не только определяют режимы транзисторов своими обычными методами, но еще и участвуют в заряде и разряде конденсаторов и тоже влияют на скорость этих процессов (Т-45).

Если детально разобраться в том, что происходит в мультивибраторе, в какие моменты времени, какие напряжения приложены к конденсаторам, какой величины и какого направления текут токи, как конкретно эти токи влияют на режимы транзисторов, то окажется, что транзисторы Т₁ и Т₂ внимательно следят друг за другом, каждый из них мгновенно реагирует на действия соседа. Именно мгновенно: такой быстроте реакции позавидовал бы любой боксер.

Как только один из транзисторов открывается, второй тут же закрывается— это результат сложного взаимодействия токов и напряжений в схеме. Проходит некоторое время (оно-то как раз и определяется скоростью заряда и разряда конденсаторов), закрытый транзистор мгновенно открывается, и тут же ответный удар — закрывается второй транзистор. В итоге транзисторы периодически и поочередно открываются и закрываются, а значит, токи у них и напряжение на коллекторах периодически меняются от своей наибольшей величины до наименьшей. На выходах мультивибратора (у него два выхода, поскольку два транзистора) появляются меняющиеся напряжения и токи, электронный генератор действует.

Т-177. На частоту колебаний в мультивибраторе влияют сопротивления и емкости всех его элементов. Частота переменных напряжений на выходах мультивибратора зависит от емкости конденсаторов и сопротивления резисторов, которые входят в его схему, и еще от смещения на базах, которое приходится преодолевать, чтобы запирать транзисторы. Практически изменение любого элемента схемы приводит к изменению частоты (Р-99;3) — с увеличением емкости С'_б и С"_б и сопротивлений R'_б, R''_б, R'_н и R"_н процессы заряда и разряда конденсаторов, отпирания и запирания транзисторов идут медленнее, частота мультивибратора уменьшается. Но, конечно же, существуют определенные ограничения на выбор элементов схемы, их нельзя менять как угодно, добиваясь нужной частоты. Так, например, чрезмерное уменьшение сопротивлений нагрузки R'_н и R"_н может настолько снизить усиление каскадов, что мультивибратор вообще перестанет работать. Срыв генерации может также произойти из-за чрезмерного уменьшения базовых резисторов R'_б и R''_б: «минус» на базе может оказаться таким большим, что разряжающийся конденсатор не сможет его скомпенсировать, не сможет запереть транзистор.

Подбором резисторов частоту мультивибратора удается менять в сравнительно небольших пределах, чтобы резко изменить частоту, приходится менять емкость конденсаторов. В частности, для получения очень низких частот в качестве С'_б и С"_б используют электролитические конденсаторы большой емкости (К-10). Некоторые варианты выбора деталей для мультивибратора на маломощных транзисторах, аналогичных П41, и соответствующие этим деталям частоты приведены в С-17. На Р-99;4 показана одна из схем мультивибратора, которая устойчиво работает при сравнительно больших изменениях одного из сопротивлений: изменяя R_э можно менять частоту в четыре — восемь раз, что в других схемах можно сделать только за счет изменения емкости.

Т-178. Блокинг-генератор: из коллекторной цепи в базовую через трансформатор попадает сигнал, который периодически открывает и закрывает транзистор. Есть еще один распространенный тип генераторов, в котором всеми событиями управляет заряд — разряд конденсатора. Это блокинг-генератор, его упрощенная схема показана на Р-100.

Р-100

Знакомство с работой блокинг-генератора начнем с того момента, когда включено питающее напряжение и в коллекторной цепи появился ток. Нарастающий коллекторный ток сразу через трансформатор наведет напряжение U_II в базовой цепи. Причем напряжение такой полярности (это зависит от того, как включена обмотка II), которая способствует еще большему открыванию транзистора. Транзистор открывается лавинообразно до полного насыщения (напряжение на нагрузке максимально, на самом коллекторе около нуля), а ток положительной обратной связи заряжает конденсатор С_б и при этом поддерживает транзистор в открытом состоянии. Но после того как этот конденсатор полностью зарядится до напряжения на обмотке II, ток через него прекратится и транзистор скачком закроется постоянным напряжением на конденсаторе, которое имеет положительную полярность относительно базы. Теперь напряжение U_с на конденсаторе С_б начинает постепенно уменьшаться, он разряжается чёрез резистор R. И вот наступает такой момент, когда конденсатор уже не может противодействовать «минусу», поступающему на базу через R: транзистор мгновенно открывается, в коллекторной цепи появляется ток и… И все начинается сначала — опять рывок коллекторного тока, опять заряд конденсатора, опять он закрывает транзистор, постепенный разряд конденсатора и в какой-то момент снова открывание транзистора и очередной рывок коллекторного тока…

Так в блокинг-генераторе транзистор, разумеется с помощью трансформатора и разрядной RC-цепочки, периодически сам себя открывает и закрывает, генерирует меняющееся напряжение. Частота этого напряжения зависит от того, сколько времени проходит от одного отпирания транзистора до следующего, а значит, главным образом зависит от постоянной времени разрядной цепи (Т-45), от сопротивления R и емкости С_б. Чем они больше, тем медленнее идет процесс разряда, тем ниже частота.

Т-179. От генератора часто требуется определенный характер изменения выходного сигнала, определенная форма кривой, спектр. Генератор с колебательным контуром и RС-генератор с фазовращающими цепочками дают на выходе синусоидальное напряжение. Конечно, не идеальную синусоиду, но обычно все же без значительных посторонних примесей. У блокинг-генератора на выходе остроконечные импульсы, у мультивибратора — прямоугольные, спектр и тех и других содержит большое число гармоник. Кстати, и само название «мультивибратор» переводится как генератор, который дает большое число различных колебаний, дает богатый спектр синусоидальных составляющих.

В электронной аппаратуре генераторы выполняют самую разную работу, и от них, бывает, требуются самые разные напряжения. Разные не только по своему уровню, по числу вольт, не только по частоте, но и по характеру изменения, по форме кривой, по спектру. Так, например, в некоторых устройствах автоматики синусоидальное напряжение непригодно, там нужен мультивибратор, на выходе которого напряжение растет не постепенно, как синусоида, а резко, скачкообразно. А для отклонения луча в телевизоре очень удобен генератор пилообразного тока на базе блокинг-генератора: он позволяет равномерно двигать луч по экрану (Т-253), и частоту его сравнительно легко синхронизировать, например, повторяющимися импульсами синхронизации.

Форма напряжения на выходе генератора не есть нечто неприкосновенное и неизменное. Существует много разных способов менять ее и получать от генератора не тот сигнал, что он хочет дать, а тот, что нужно. Влиять на форму сигнала можно с помощью различных фильтров, зарядных RC-цепочек, ограничителей, фазовращателей — словом, с помощью самых разных инструментов и методов хирургии электрического сигнала. Для иллюстрации — ультракороткие рассказы о трех из них.

Т-180. В умножителях частоты одну из высших гармоник выделяет настроенный на нее контур. Один способ изменения формы сигнала нам уже встречался — это превращение переменного напряжения в пульсирующее с помощью вентиля, полупроводникового диода (Т-135). Точно такую же операцию может выполнить транзистор (лампа), на который не подано начальное смещение: такой транзистор будет открываться только во время одного из двух полупериодов входного сигнала (на базе «минус»), вторую половину периода (на базе «плюс») коллекторная цепь бездействует.

Если подать на базу смещение и менять его, то будет меняться и степень «отсечки» коллекторного тока, то есть, по сути, форма выходного сигнала. Введена даже особая мера для формы сигнала — это угол отсечки 0, половина времени, в течение которого существует ток, выраженная в долях периода, в градусах (Р-101). Так, например, если коллекторный ток существует только полпериода, то мы говорим, что угол отсечки равен 90° (половина от 180°). А если на базу подано нормальное смещение и коллекторный ток существует в течение всего периода, то мы говорим, что угол отсечки равен 180° (половина от 360°), то есть никакой отсечки нет.

Р-101

Меняя смещение на базу, можно менять и угол отсечки коллекторного тока от 0° (транзистор всегда закрыт) до 180° (отсечки нет, форма кривой не искажается). Точный математический анализ, подтвержденный экспериментами, не хуже, чем таблица умножения, позволяет определить, какие именно составляющие и в какой пропорции будут появляться при разных углах отсечки. На Р-101;3 приведен довольно простой график, по которому можно быстро определить, сколько процентов от наибольшей величины коллекторного тока I_{к. макс} составят амплитуды первой гармоники I₁, второй гармоники I₂, третьей гармоники I₃ и постоянной составляющей I₀. Из этого графика, например, видно, что все гармоники исчезают, когда отсечки нет, то есть при θ = 180°, что вторая гармоника становится наиболее сильной при θ = 60, а третья — при θ = 40°.

Любую из гармоник выходного сигнала можно выделить с помощью резонансного фильтра — колебательного контура, настроенного на соответствующую частоту (Р-101;4). Эта операция называется умножением частоты и производится довольно часто. Во многих радиопередатчиках, например, несколько раз осуществляют удвоение частоты, выделение второй гармоники из сигнала, который перед этим обязательно искажают, усиливают его с отсечкой (θ = 60°).

Рассказ об умножении частоты можно завершить экспериментом. С понижающего трансформатора подайте на абонентский громкоговоритель «радиоточку» 5–8 вольт сетевого напряжения, имеющего, как известно, частоту 50 Гц. Затем подайте напряжение на громкоговоритель через полупроводниковый диод. В первом случае вы услышите очень низкий чистый тон, во втором звук будет хриплым. Потому что диод изменит форму сигнала, создаст отсечку θ = 90° (ток существует только полпериода), и наше ухо услышит все составляющие искаженного сигнала.

Т-181. Триггер срабатывает через такт и делит частоту генератора на два. Можно смело сказать, что триггер — один из самых распространенных схемных узлов современной электроники. Во всяком случае, это главное действующее лицо в электронных вычислительных машинах и многих электронных автоматах. Типичная схема триггера — на Р-102;1, внешне по начертанию и расположению элементов он похож на мультивибратор.

Р-102

Как и у мультивибратора, в триггере два транзистора. Они так же связаны друг с другом — с коллектора одного сигнал подается на базу другого. Но только в мультивибраторе коллектор транзистора связан с базой своего соседа через конденсатор, а в триггере связь прямая, через резистор. Поэтому каждый транзистор триггера влияет на работу второго транзистора постоянно, долговременно, а не кратковременно, как в мультивибраторе, где все связано с зарядом и разрядом конденсатора, с процессом, который рано или поздно заканчивается. В отличие от мультивибратора в триггере есть вход, куда подаются импульсные сигналы.

Начнем с начала, с того момента, когда на триггер было подано питание. И предположим, что в этот момент оба транзистора оказались слегка открытыми и в обоих шел одинаковый коллекторный ток. Мы уже знаем, что постоянный ток — понятие относительное (Т-174) и в какой-то момент в одном из транзисторов ток случайно окажется чуть-чуть меньше, чем во втором, пусть на доли микроампера, но меньше.

Для определенности предположим, что уменьшился ток I'_к в транзисторе Т₁. При этом сразу же несколько поднялось напряжение на его коллекторе (чем меньше коллекторный ток, тем меньше напряжение на нагрузке и больше остается на коллекторе), которое прямо через резистор R'_б «минусом» подается на базу транзистора Т". Раз на базе Т" увеличился «минус», то увеличился коллекторный ток I"_к и на коллекторе этого транзистора «минус» стал меньше. С коллектора Т" «минус» через R"_б подается на базу Т', и из-за уменьшения этого «минуса» ток в транзисторе Т' еще больше уменьшится. Процесс этот будет лавинообразно нарастать, и через некоторое время один из транзисторов окажется полностью закрытым, а второй — полностью открытым. В нашем примере закроется Тон покатится в это закрытое состояние из-за случайного незначительного уменьшения коллекторного тока. С таким же успехом мог закрыться и другой транзистор, если бы у него раньше началось такое незначительное уменьшение тока.

Но важно совсем не то, какой транзистор закроется раньше. Важно то, что состояние, когда один из транзисторов закрыт, а второй открыт, — это естественное, устойчивое состояние триггера, он будет находиться в таком состоянии бесконечно долго. Потому что оба транзистора всеми своими силами стараются сохранить устойчивое состояние, в котором случайно оказался триггер — первый, закрытый транзистор всем своим коллекторным «минусом» открывает второй, открытый транзистор, а тот в свою очередь ничтожно малым «минусом» на коллекторе не может противодействовать внешнему напряжению U_зап (о нем чуть позже), которое запирает первый транзистор.

Но вот на вход триггера приходит сигнал, приходит прямоугольный импульс такой полярности, что он стремится открыть оба транзистора. И тут все приходит в движение. Правда, на открытый транзистор входной сигнал не действует — он и так открыт. Но зато дремавший и уставший от бездеятельности (необходимо немедленно освежить в памяти Т-8) закрытый транзистор немедленно открывается. И лавинообразно меняет все токи и напряжения в триггере, закрывает своего конкурента, а сам остается открытым до следующего сигнала на входе.

Так одинаковые входные сигналы поочередно переводят триггер из одного устойчивого состояния в другое, и при этом меняются напряжения на коллекторах транзисторов. Причем меняются они через такт — нечетные импульсы открывают один из транзисторов, четные — второй (Р-102;2). И если снимать напряжение с одного из транзисторов триггера, безразлично с какого, то число импульсов этого напряжения будет в два раза меньше, чем число импульсов на входе. То есть триггер в два раза уменьшает частоту поступающего на его вход сигнала. А если соединить последовательно несколько триггеров, то можно разделить частоту на 2, на 4, на 8, на 16,— одним словом, в 2n раз, где n — любое положительное целое число. А это уже не просто деление частоты, это возможность выполнения арифметических операций и определенной очередности включения электрических цепей, благодаря чему триггеры как раз и используются в вычислительных машинах.

Несколько пояснений к схеме Р-102.

Резисторы R"_б1 и R'_б1 шунтированы конденсаторами для того, чтобы процесс переброски из одного устойчивого состояния в другое происходил быстрее и надежнее. Диоды Д'_вх и Д"_вх ослабляют взаимное влияние входных цепей транзисторов Т' и Т", а главное, оберегают их от цепей питания. Цепочка R_эС_э — участок, по которому проходит ток открытого транзистора и создает на нем постоянное напряжение U_зап. Это необходимое для работы триггера запирающее смещение: через R'_б1 и R"_б1 оно «плюсом» подается на базы транзисторов, и только «минус», поступающий с коллектора одного из них, отпирает второй транзистор. И еще одно примечание: триггер можно перебрасывать из одного состояния в другое как «минусом», который на мгновенье откроет закрытый транзистор, так и (несколько изменив схему) «плюсом», который резко закроет открытый транзистор.

Т-182. В нелинейном элементе два сигнала создают, кроме гармоник, еще и составляющие с суммарной и разностной частотой. С нелинейным процессом мы впервые столкнулись, когда наблюдали за тем, как электрический сигнал с помощью громкоговорителя создает звуковые волны (Т-117). На характеристике громкоговорителя были отмечены участки с прямой пропорциональной зависимостью «звук — ток», линейные участки. А участки, где нарушалась прямая зависимость между током и звуковым давлением, где начинался загиб характеристики громкоговорителя, были названы нелинейными (Т-115). Теперь, кроме громкоговорителя, мы знаем массу других элементов, имеющих нелинейные характеристики так называемых нелинейных элементов. Это диод, вольт-амперная характеристика которого — не только загнута в начале, а вообще изломана в точке, где меняется полярность напряжения. Это и транзистор (лампа), характеристику которого тоже никак не назовешь прямолинейной.

Мы можем также найти немало других примеров той неприятности, с которой впервые столкнулись в громкоговорителе, — нелинейных искажений сигнала. Из-за работы на нелинейных участках вольт-амперных характеристик диода и транзистора в них искажается форма электрического сигнала, в спектре появляются новые составляющие. Это, конечно, плохо, если сигнал нужно усилить без искажений. Но иногда нелинейные искажения создают специально, чтобы изменить спектр сигнала, как, например, в удвоителе частоты — без нелинейного элемента в нем просто невозможно было бы получить вторую гармонику, которую затем выделил контур (Р-101;4).

Очень интересное преобразование сигнала происходит, когда на нелинейный элемент, например на полупроводниковый диод или на транзистор (лампу), работающий на нелинейном участке характеристики, подают сразу два сигнала (Р-103;1). В этом случае, как обычно, появятся гармоники каждого из сигналов, синусоидальные составляющие, частоты которых в 2, 3, 4, 5 — словом, в целое число раз больше частоты самого сигнала (Р-101;2).

Р-103

Но если внимательно исследовать спектр сигнала, то в нем неожиданно обнаружатся какие-то странные составляющие: их частоты никак нельзя будет отнести ни к гармоникам первого сигнала, ни к гармоникам второго.

Вот конкретный пример. На вход транзистора подали два переменных напряжения: одно с частотой 100 Гц, второе с частотой 105 Гц. Изучая сигналы на выходе транзистора, обнаружили в нем составляющие с частотами 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц (гармоники первого сигнала) и составляющие с частотами 105 Гц, 210 Гц, 315 Гц (гармоники второго сигнала). И еще оказались в спектре две такие составляющие — одна с частотой 205 Гц и вторая с частотой 5 Гц. Их, как видите, нельзя отнести к гармоникам, это совершенно особые составляющие — у первой частота равна арифметической сумме частот первого и второго сигнала (205 = 100 + 105), у второй — их разности (5 = 105 – 100).

Появление странных составляющих (их для краткости называют суммарной и разностной) связано с самой природой нелинейных искажений. Правда, слово «искажения» здесь можно применять не всегда, часто правильнее говорить о нелинейных преобразованиях. Потому что получение составляющих с суммарной и особенно с разностной частотой — один из важных процессов обработки сигнала в электронной аппаратуре (Т-219, Т-258).

В заключение — эксперимент. Ударьте слегка по одной клавише рояля, затем по второй и, наконец, по обеим вместе. Вы обнаружите, что при одновременном ударе по двум клавишам слышны такие тона, которых не давала в отдельности ни одна из них. Это в нашем ухе за счет нелинейных процессов возникают колебания суммарной и разностной частоты.

Этот музыкальный эксперимент завершает наше знакомство с генераторами и перебрасывает мост в следующий раздел повествования, посвященный в основном высококачественному воспроизведению музыки.

* * *

42. Усиление сигнала очень напоминает изготовление большой копии маленькой скульптуры (Т-124).

43. Быстро меняя сопротивление цепи, где протекает постоянный ток, из него можно изготовить нужный электрический сигнал (Т-120).

44. Управляющий прибор (электронная лампа, транзистор и др.) позволяет слабому сигналу управлять мощным потоком энергии (Т-125, Т-123).

45. В электронной лампе при нагреве катода из него вылетают электроны, из них будет сформирован постоянный анодный ток, а из него изготовлена мощная копия слабого сигнала (Т-152).

46. Вакуумный диод. Если на аноде «плюс», то он притягивает электроны, вылетевшие из катода, и в лампе появляется анодный ток (Т-152). Если на аноде «минус» в лампе тока нет.