Каждый, кто собирал усилитель высокой частоты или гетеродин на КТ368, знает это чувство. Режимы по постоянному току выставлены, монтаж аккуратный, а в громкоговорителе всё равно слышен ровный низкий фон, и осциллограф на выходе рисует лишнюю рябь. Причина чаще всего сидит не в транзисторе и не в пайке, а в питании. Высокочастотный каскад отзывается на пульсации и на собственный шум стабилизатора заметно острее, чем низкочастотные схемы. Хорошая новость в том, что лечится всё цепочкой из трёх копеечных деталей: гасящего резистора, стабилитрона и конденсатора. Ниже разобрана реальная рабочая схема, показан полный расчёт номиналов с проверкой по худшему случаю и описано, как убедиться в результате приборами.
Откуда берётся шум в питании высокочастотного каскада
Простой сетевой блок питания с трансформатором, диодным мостом и сглаживающим конденсатором выдаёт далеко не постоянное напряжение. Вот типовые цифры. При токе нагрузки 100 мА и ёмкости фильтра 1000 мкФ размах пульсаций на частоте 100 герц легко дотягивает до одного вольта. Оценка делается за минуту. Между подзарядами конденсатор разряжается током нагрузки, и напряжение на нём проседает примерно на величину I × t / C. Подстановка 0,1 ампера, 0,01 секунды и 0,001 фарады даёт как раз вольт. Сюда же добавляются наводки из сети, броски при включении соседних приборов и, что интереснее всего, собственный шум стабилитрона, если он уже стоит в блоке.
Стабилитрон работает в режиме лавинного пробоя, а этот режим по своей природе шумный. Шум резко растёт при малых токах, когда рабочая точка подползает к излому вольтамперной характеристики. Для маломощных стабилитронов уровень собственного шума в звуковой полосе оценивают в десятки и сотни микровольт, и без шунтирующего конденсатора весь этот шум беспрепятственно уходит в питание каскада. Высокочастотная часть приёмника его подхватывает. Пульсации на коллекторе через нагрузку попадают прямо в выходной сигнал, а в гетеродине дрожание питания меняет ёмкость коллекторного перехода и расшатывает частоту. Ровный фон ста герц в громкоговорителе и размытая линия на анализаторе спектра имеют одну и ту же причину, и сидит она за пределами самого каскада.
Чувствительность КТ368 к питанию в цифрах паспортных данных
КТ368 – кремниевый биполярный транзистор структуры n-p-n, рассчитанный на сверхвысокие частоты. По справочным данным граничная частота передачи тока у него не ниже 900 МГц, статический коэффициент передачи тока лежит в пределах 50...450, максимально допустимый постоянный ток коллектора составляет 30 мА с импульсным потолком 60 мА, предельное напряжение коллектор-эмиттер 15 вольт, рассеиваемая мощность без теплоотвода 225 мВт. Обратный ток коллектора не превышает половины микроампера, а у приборов с индексом А коэффициент шума нормирован и не хуже 3,3 дБ. Выпуск шёл в пластмассовых вариантах КТ368А и КТ368Б и в металлических КТ368АМ и КТ368БМ, и все они уверенно работают в усилителях высокой частоты и в гетеродинах, а ближайшие зарубежные родственники хорошо известны: 2N918, 2SC390 и подобные.
Обратная сторона высокой частоты в том, что коллекторный переход живо реагирует на питание. Ёмкость перехода зависит от приложенного напряжения, и пульсации превращают её в маленький управляемый конденсатор. В усилителе это добавляет паразитную модуляцию сигнала, в гетеродине уводит частоту и расширяет спектральную линию, которую хочется видеть иглой, а не метлой. Типичный режим каскада на КТ368 лежит в районе 4...6 миллиампер при напряжении коллектор-эмиттер 3...5 вольт. Схема потребляет от питания считанные миллиамперы, а это как раз та область, где параметрический стабилизатор на стабилитроне чувствует себя как рыба в воде.
Рабочая схема стабилизатора на стабилитроне Д814Б
Вот схема, которую радиолюбители собирают десятилетиями, и она работает без нареканий. Сетевой блок выдаёт 15 вольт. С плюса на узел идёт гасящий резистор R1 сопротивлением 510 Ом. С узла на общий провод включён стабилитрон Д814Б, он держит около девяти вольт. Параллельно стабилитрону стоит оксидный конденсатор C1 ёмкостью 470 мкФ. С узла через второе звено, резистор R2 на 100 Ом и оксидный конденсатор C2 на 220 мкФ, питается коллекторная цепь транзистора. Сам каскад на КТ368 собран по классике: коллекторная нагрузка 680 Ом, эмиттерный резистор 330 Ом, базовый делитель из резисторов 20 кОм и 6,8 кОм, а керамический конденсатор C3 на 0,1 мкФ сидит прямо у вывода коллектора.
По справочнику Д814Б стабилизирует напряжение в диапазоне 8...9,5 вольта при токе 5 мА, минимальный ток стабилизации составляет 3 мА, максимальный 36 мА, дифференциальное сопротивление в рабочей точке порядка 10...25 Ом в зависимости от экземпляра, предельная рассеиваемая мощность 340 мВт, температурный коэффициент напряжения 0,08 % на градус. При токе нагрузки около 5 мА резистор R2 роняет на себе полвольта, и на коллекторной цепи остаётся примерно 8,5 вольта. Режим каскада получается такой. Делитель задаёт на базе 8,5 × 6,8 / 26,8 = 2,15 вольта, на эмиттере остаётся около 1,5 вольта, ток эмиттера равен 1,5 / 330 = 4,6 миллиампера. Падение на коллекторной нагрузке составляет 4,6 × 0,68 = 3,1 вольта, напряжение коллектор-эмиттер выходит 8,5 – 3,1 – 1,5 = 3,9 вольта. Рассеиваемая мощность транзистора равна 3,9 × 4,6, всего 18 милливатт против паспортных 225, запас более чем десятикратный.
У каждой детали здесь своя работа. Резистор R1 гасит лишнее напряжение и одновременно отделяет узел от пульсаций на входе. Стабилитрон держит опорный уровень. Конденсатор C1 шунтирует шум пробоя и остатки пульсаций. Второе звено из R2 и C2 дожимает остатки до исчезающих величин. Базовый делитель при разбросе коэффициента передачи от 50 до 450 проектируют с запасом: ток базы при среднем коэффициенте 150 равен 4,6 / 150, то есть примерно 30 микроампер, и через делитель пускают в десять раз больше, около 0,3 мА. Если блок выдаёт не 15, а 12 вольт, запас на Д814Б остаётся слишком маленький, всего три вольта, и тогда вместо него удобнее поставить КС168А на 6,8 вольта, уменьшив R1 до 470 Ом.
Расчёт гасящего резистора по худшему случаю просадки сети
Расчёт начинается не с номинальных 15 вольт, а с худшего случая. Просадка сети на десять процентов уводит входное напряжение к 13,5 вольта, и стабилитрон в этот момент обязан получать не меньше минимального тока стабилизации, для Д814Б это 3 мА. Если ток упадёт ниже, рабочая точка свалится на излом характеристики, напряжение поплывёт, и вся затея со стабилизацией потеряет смысл. Нагрузка потребляет около 5 мА, из них 4,6 мА идёт в коллекторную цепь транзистора и 0,3 мА в базовый делитель. Суммарный ток через R1 в худшем случае равен 5 + 3 = 8 мА. Падение на резисторе составляет 13,5 – 9 = 4,5 вольта. Деление 4,5 вольта на 0,008 ампера даёт максимум 562 Ома. Стандартный номинал из ряда Е24 выбирают ниже расчётного, 510 Ом, чтобы отойти от границы минимального тока.
Остальные случаи проверяются так же быстро. При номинальных 15 вольтах через R1 течёт (15 – 9) / 510 = 11,8 мА, из них 5 мА уходит в нагрузку, а 6,8 мА остаётся стабилитрону. Это комфортный режим, при котором дифференциальное сопротивление прибора минимально, а шум ниже всего. При завышении сети до 16,5 вольта ток стабилитрона вырастает до 9,7 мА, а рассеиваемая на нём мощность до 9 × 9,7 = 87 мВт при паспортном пределе 340 мВт. Резистор в самом горячем случае, при 16,5 вольта на входе, рассеивает 7,5 × 7,5 / 510 = 110 мВт, поэтому достаточно МЛТ-0,25, хотя многие ставят МЛТ-0,5 просто для спокойствия. Включение тоже просчитано: разряженный C1 в первый момент берёт ток около 15 / 510 = 29 мА, стабилитрон при этом ещё закрыт и ничего не перегружает, а узел выходит на режим за постоянную времени 510 × 470 мкФ, примерно четверть секунды.
Конденсатор на выходе стабилизатора снижает шум на десятки децибел
Здесь самое интересное место всей схемы. Стабилитрон без конденсатора не столько стабилизирует, сколько шумит, и конденсатор C1 превращает узел из источника шума в тихую точку. Считается это в два движения. Реактивное сопротивление C1 на частоте пульсаций равно 1 / (6,28 × 100 × 0,00047) = 3,4 Ома. В параллели с дифференциальным сопротивлением стабилитрона, для консервативного расчёта берут 25 Ом, получается около трёх ом. Делитель из R1 и этих трёх ом даёт коэффициент передачи 3 / 513 ≈ 0,006. Пульсации в один вольт на входе превращаются в шесть милливольт на выходе, подавление около 45 дБ.
Широкополосный шум пробоя лежит в основном выше звуковых частот, а там конденсатор и вовсе беспощаден. На 10 килогерцах его сопротивление падает до 0,03 Ома, и шуму остаётся только уходить в общий провод. Осторожность нужна с выбором ёмкости: слишком большая ёмкость после стабилизатора затягивает выход на режим, ведь заряжается она через R1. Пара из 470 мкФ и 510 Ом даёт постоянную времени около четверти секунды, на слух это незаметно. Хватит и 100 мкФ, если шум не критичен, но разница на выходе слышна невооружённым ухом.
Вторая половина секрета в паре оксид плюс керамика. У оксидного конденсатора есть индуктивность выводов и последовательное сопротивление, на единицах мегагерц он уже ведёт себя не как конденсатор. Керамический C3 на 0,1 мкФ, поставленный вплотную к выводу коллектора КТ368, держит малое сопротивление до десятков мегагерц, на 10 МГц это меньше 0,2 Ома. Такая пара закрывает весь диапазон от сетевых пульсаций до УКВ, и каскад перестаёт ловить помехи по питанию.
Второе звено фильтра для остаточных пульсаций
После первого звена на узле остаётся около шести милливольт пульсаций. Для простого усилителя этого уже достаточно, но гетеродин и входной каскад приёмника любят поглубже. Второе звено из R2 на 100 Ом и C2 на 220 мкФ дожимает остатки. Сопротивление C2 на частоте пульсаций составляет 1 / (6,28 × 100 × 0,00022) = 7,2 Ома против сотни ом резистора, поэтому ослабление выходит примерно в пятнадцать раз, минус 23 дБ. Шесть милливольт превращаются в четыре десятых милливольта. Плата за это скромная: при токе нагрузки 5 мА резистор R2 роняет на себе полвольта, и коллекторная цепь получает 8,5 вольта вместо девяти, для каскада с запасом достаточно.
Звено легко наращивается. Если рядом работает передатчик или трансформатор блока питания без экрана, R2 поднимают до 220 Ом и C2 до 470 мкФ, получая ещё добрый десяток децибел. Только падение напряжения тогда считают заново: 220 Ом при 5 мА съедают уже 1,1 вольта, и выходное напряжение звена опускается до 7,9 вольта, что для каскада на КТ368 с эмиттерным резистором всё ещё приемлемо, режим просто пересчитывают по тем же формулам.
Проверка собранной платы осциллографом и типичные ошибки монтажа
Осциллограф с закрытым входом отсекает постоянную составляющую и показывает всю переменную картину сразу. На входе стабилизатора видны пульсации размахом около вольта на частоте 100 герц. После первого звена остаётся несколько милливольт, после второго звена на развёртке 2 милливольта на деление остаётся почти прямая линия. Милливольтметр переменного тока с полосой до 20 килогерц на выходе покажет остаточный шум в единицы микровольт. Вольтметр постоянного тока на узле стабилитрона должен держать 8,8...9,2 вольта с лёгким дрейфом при прогреве, у Д814Б температурный коэффициент 0,08 % на градус, это около семи милливольт на каждый градус.
Проверку удобно вести в таком порядке:
1. измерить напряжение на узле стабилитрона до подключения каскада, оно должно попасть в диапазон 8...9,5 вольта;
2. подключить каскад и убедиться, что напряжение просело не больше чем на две-три десятых вольта;
3. посмотреть осциллографом пульсации на входе стабилизатора и записать их размах;
4. повторить то же измерение после второго звена фильтра и сравнить цифры между собой;
5. включить приёмник на громкость выше привычной и убедиться, что фон сети не слышен, а эфир звучит чисто.
Ошибки здесь повторяются из поколения в поколение. Стабилитрон включён наоборот: полоска на его корпусе означает катод, и именно катод идёт к плюсу. Оксидный конденсатор перепутан полярностью и через минуты перегревается и выходит из строя. Ток через стабилитрон меньше трёх миллиампер, потому что R1 взят слишком большим, и стабилизация тихо исчезает, хотя напряжение вроде есть. Керамический конденсатор стоит в трёх сантиметрах от транзистора, и на высоких частотах сантиметры проводов превращаются в индуктивности. Силовые токи идут через земляной провод приёмника, и помехи возвращаются обратно, хотя фильтр работает исправно. Землю собирают звездой от одной точки, и все перепайки ведут только при отключённом питании, а конденсатор фильтра выпрямителя после отключения держит заряд, его разряжают резистором на пару десятков ом.
Три детали, полчаса работы паяльником, и фон, который казался свойством схемы, исчезает. Высокочастотный транзистор честно отработает свои девятьсот мегагерц, если дать ему чистое питание, а маленький узел из резистора, стабилитрона и конденсатора делает именно это.