Гибридные схемы, где ламповый каскад работает напрямую на транзисторный, были обычным делом на стыке эпох, когда конструкторы уже распробовали компактность полупроводников, но ещё не отказались от привычных ламповых решений для входных высокочастотных цепей. Пара из стержневой лампы 1Ж24Б и германиевого транзистора МП40 хороший учебный пример такой связки, потому что здесь сталкиваются два совершенно разных мира по уровню сопротивлений, и без понимания этой разницы каскад просто не заработает так, как задумано.
Что представляет собой гибридный каскад на лампе и транзисторе
Идея гибридного каскада простая, лампа усиливает слабый высокочастотный сигнал в первом звене, а транзистор берёт эту усиленную лампой величину и работает дальше как более компактный, экономичный и низковольтный по цепям смещения элемент. Стержневая лампа в такой связке отвечает за то, в чём она традиционно сильна, малошумящее усиление на высокой частоте при скромном токе потребления, а транзистор принимает эстафету там, где выгоднее низкое напряжение питания и простая термостабилизация рабочей точки. Проблема в том, что выходная цепь лампы и входная цепь транзистора устроены принципиально по-разному с точки зрения сопротивления, и просто соединить анод с базой конденсатором не получится без потерь сигнала.
Параметры лампы 1Ж24Б важные для расчёта согласования
1Ж24Б это стержневой высокочастотный пентод повышенной надёжности, работающий в номинальном режиме при анодном напряжении 60 В, напряжении второй сетки 45 В и нулевом смещении на первой сетке. Ток анода в этой точке составляет всего 0,95 ± 0,45 мА, крутизна характеристики 0,9 ± 0,3 мА/В, входное сопротивление на частоте 60 МГц превышает 100 кОм, а эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов не более 6 кОм. Предельно допустимая мощность, рассеиваемая анодом, всего 0,12 Вт, наибольший ток катода ограничен 1,6 мА, а наибольшее анодное напряжение 120 В. Такие скромные токи закономерны для пентода, и они прямо определяют, каким должно быть анодное сопротивление нагрузки, чтобы получить приемлемое усиление без выхода за пределы паспортного режима.
Ключевая для темы статьи характеристика это внутреннее сопротивление лампы по аноду, то есть то сопротивление, которое сам прибор представляет собой для переменного сигнала со стороны выходной цепи. У пентодов оно традиционно очень велико из-за экранирующей сетки, которая почти полностью развязывает анодную цепь от влияния анодного напряжения на ток катода. У близких по конструкции стержневых пентодов той же серии внутреннее сопротивление достигает сотен килоом, а нередко и превышает мегаом, и 1Ж24Б в этом отношении не исключение. Именно это высокое внутреннее сопротивление и есть источник всех дальнейших сложностей с согласованием.
Дополнительно стоит учитывать межэлектродные ёмкости лампы, входная ёмкость 1Ж24Б составляет около 3,6 пФ, выходная около 3 пФ, а проходная ёмкость анод-первая сетка не превышает 0,006 пФ. Столь малая проходная ёмкость выгодно отличает стержневую конструкцию от классических сеточных пентодов сопоставимого назначения и снижает риск самовозбуждения каскада на высоких частотах даже при значительном коэффициенте усиления. Срок службы лампы нормируется не менее 5000 часов, а масса не превышает 4 грамм, что вместе с низковольтным накалом 1,2 В при токе 13 ± 2 мА делает такую лампу вполне уместной частью гибридной конструкции, ориентированной на батарейное питание, где экономичность важна не только для транзисторной, но и для ламповой части схемы.
Параметры транзистора МП40 и входное сопротивление базы
МП40 это германиевый сплавной p-n-p транзистор, предназначенный для усиления сигналов низкой частоты, максимальное напряжение коллектор-база 15 В, коллектор-эмиттер 10 - 15 В в зависимости от источника данных, максимально допустимый постоянный ток коллектора 20 - 30 мА, рассеиваемая мощность коллектора до 150 мВт, граничная частота коэффициента передачи тока не менее 1 МГц. Статический коэффициент передачи тока h21э лежит в диапазоне от 20 до 40 при рабочем токе эмиттера около 1 мА и напряжении коллектор-база 5 В.
Входное сопротивление базы транзистора в схеме с общим эмиттером без резистора в цепи эмиттера оценивается через известное соотношение между параметрами включения с общей базой и с общим эмиттером, входное сопротивление в схеме с общей базой у родственных германиевых транзисторов того же класса составляет порядка 25 Ом, а входное сопротивление в схеме с общим эмиттером получается умножением этой величины примерно на коэффициент, близкий к значению h21э. При h21э около 30 получается входное сопротивление базы порядка 750 Ом, и это на два порядка меньше, чем внутреннее сопротивление лампы по аноду.
В чём заключается конфликт двух сопротивлений на стыке каскадов
Если соединить анод лампы с базой транзистора напрямую через разделительный конденсатор, база транзистора начинает работать как низкоомная нагрузка, подключённая параллельно анодному резистору лампы. Поскольку сопротивление базы в сотни ом на порядки меньше желаемого анодного сопротивления лампы, вся картина усиления каскада резко искажается. Реальное усиление лампового звена определяется не отдельно взятым анодным резистором, а результатом параллельного соединения этого резистора с входным сопротивлением следующего каскада, и когда одно сопротивление в сотни раз меньше другого, итоговая нагрузка почти целиком определяется меньшим из двух. На практике это означает, что львиная доля переменного напряжения, которое лампа способна развить на высокоомной нагрузке, попросту не доходит до транзистора, теряясь на внутреннем сопротивлении самой лампы, а не полезно выделяясь на нагрузке.
Похожая проблема хорошо знакома конструкторам чисто ламповой техники при согласовании пентодного каскада с низкоомным входом, например с обмоткой громкоговорителя, только там задачу решает выходной трансформатор усилителя мощности, а в гибридной лампово-транзисторной схеме роль такого трансформатора либо берёт на себя специально рассчитанный межкаскадный трансформатор, либо конструктор сознательно идёт на компромисс по коэффициенту усиления первого звена. Выбор между этими двумя путями определяется в первую очередь требованиями к суммарному усилению всего тракта и допустимой сложностью намоточного узла, ведь миниатюрный высокочастотный трансформатор для такой задачи сам по себе не самый простой в изготовлении компонент.
Согласование через выбор анодной нагрузки лампы
Первый и самый простой путь согласования, сознательно занизить анодный резистор лампы до значения, соизмеримого с входным сопротивлением базы транзистора, а не подбирать его исходя из максимального теоретического усиления пентода. Такой подход прост в реализации, но по сути означает признание, что часть потенциального усиления лампы будет принесена в жертву ради совместимости с транзисторным входом. При анодном токе около 1 мА и желании оставить лампе разумный запас по анодному напряжению разумно выбирать резистор в диапазоне от 1 до нескольких килоом, а не в десятках килоом, как это делалось бы при чисто ламповой нагрузке следующего каскада. Расчёт усиления такого урезанного звена ведётся по крутизне характеристики и уже сниженному сопротивлению нагрузки, коэффициент усиления по напряжению примерно равен произведению крутизны на параллельное сопротивление анодного резистора и входного сопротивления транзистора, и при крутизне 0,9 мА/В, то есть 0,0009 А/В, и итоговом сопротивлении нагрузки порядка 400 - 500 Ом произведение даёт всего 0,36 - 0,45. Усиление по напряжению в этой точке оказывается меньше единицы, то есть ламповое звено в таком урезанном варианте вообще не усиливает сигнал по напряжению, а ослабляет его, фактически работая лишь как источник тока для базы транзистора. Урезание анодной нагрузки ради согласования сопротивлений в данном случае обходится слишком дорого, и прямое резистивное соединение без трансформатора теряет всякий смысл именно по этой причине.
Согласование через понижающий трансформатор
Более грамотный подход с точки зрения полной реализации усилительных возможностей лампы это межкаскадный понижающий трансформатор, который трансформирует низкое входное сопротивление базы транзистора в высокое эквивалентное сопротивление со стороны анодной обмотки. Коэффициент трансформации по напряжению для согласования двух настолько разных сопротивлений рассчитывается через квадратный корень из отношения этих сопротивлений, если анодную нагрузку лампы желательно видеть на уровне, например, 30 кОм, а входное сопротивление базы транзистора составляет порядка 750 Ом, то отношение сопротивлений равно сорока, а нужный коэффициент трансформации по числу витков составляет корень из сорока, что даёт примерно шесть с небольшим к одному в сторону понижения на вторичной обмотке.
Практическая последовательность расчёта такого трансформатора выглядит так:
- Определить желаемое анодное сопротивление лампы исходя из допустимого падения напряжения при токе анода около 1 мА и запаса по анодному напряжению относительно предельных 120 В;
- Оценить реальное входное сопротивление базы транзистора в конкретной рабочей точке через параметр h21э и известное сопротивление базы в схеме с общей базой;
- Рассчитать коэффициент трансформации как квадратный корень из отношения анодного сопротивления к входному сопротивлению базы;
- Подобрать сердечник и число витков первичной обмотки исходя из рабочей частоты сигнала и допустимой индуктивности рассеяния, критичной для высокочастотного тракта.
Трансформаторное согласование сохраняет практически весь потенциал усиления лампового каскада, поскольку анодная нагрузка со стороны лампы остаётся высокоомной, а низкоомная база транзистора видит уже трансформированное, а не прямое сопротивление источника сигнала.
Особенности смещения на стыке лампового и транзисторного каскадов
Помимо согласования по переменному сигналу, конструктору приходится решать и задачу постоянного тока. Анод лампы 1Ж24Б в рабочей точке находится под напряжением в несколько десятков вольт относительно общего провода, тогда как база германиевого транзистора МП40 в схеме с общим эмиттером требует смещения всего в десятые доли вольта относительно эмиттера, порядка минус 0,1 - 0,2 В для типичного германиевого перехода. Прямая гальваническая связь между этими двумя точками невозможна без специальных мер, поэтому разделительный конденсатор в цепи связи обязателен, а постоянное смещение базы транзистора формируется отдельной резистивной цепью от собственного низковольтного источника питания транзисторного каскада, никак не связанного напрямую с высоковольтным питанием анодной цепи лампы. При трансформаторной связи эта задача решается заодно с согласованием сопротивлений, поскольку трансформатор по своей природе разрывает гальваническую связь между первичной и вторичной обмоткой, и постоянные составляющие потенциалов лампового и транзисторного участков схемы оказываются полностью независимы друг от друга, что заметно упрощает расчёт всей схемы смещения в целом.
Отдельного внимания заслуживает и вопрос теплового согласования режимов. Германиевый переход транзистора МП40 заметно чувствительнее к температуре окружающей среды, чем вакуумный прибор, и ток коллектора в состоянии покоя способен заметно уплывать при нагреве корпуса, поэтому в цепь смещения базы обычно закладывают температурную стабилизацию через резистор в цепи эмиттера с блокировочным конденсатором или через делитель напряжения с относительно низким выходным сопротивлением, менее чувствительный к изменению обратного тока коллектора. Лампа в этом смысле ведёт себя стабильнее, рабочая точка пентода при прогреве корпуса меняется незначительно, и весь запас по температурной нестабильности каскада практически целиком приходится закладывать именно на транзисторную половину схемы. Разработчику гибридного каскада полезно помнить, что запас по постоянному току в цепи анода лампы, оставленный на случай изменения условий согласования, не должен превышать паспортных 120 В по анодному напряжению и 0,12 Вт по мощности, рассеиваемой анодом, иначе миниатюрная стержневая лампа быстро потеряет заявленный срок службы в 5000 часов задолго до выработки этого ресурса.