Каскод – два каскодно включенных каскада

Н. – Не издеваешься ли ты надо мной, Любознайкин? Такая схема не может работать, так как нагрузка первого каскада – резистор – заземлена, иными словами, присоединена к минусу источника питания Поэтому на аноде лампы отсутствует положительное напряжение. И хоть становись на колени перед таким триодом, который по‑твоему (какая самоуверенность!) включен по обычной схеме, он не только не усилит, но даже не передаст на следующую лампу входное напряжение.

 

Л. – Это ты слишком самоуверен. Такая схема, называемая каскодной, незначительно отличается от обычной схемы, столь рьяно тобой защищаемой. Вопреки твоему утверждению на анод первой лампы подается положительное напряжение и схема xoрошо работает.

Н. – Откуда же берется напряжение?

Л. – Из анодной цепи второй лампы, присоединенной к плюсу источника питания.

Н. – Значит, в качестве анодного напряжения первой лампы используется падение напряжения на резисторе R₁ в цепи катода второй лампы? Этот резистор включен последовательно с резистором R₂, шунтирующим конденсатор связи С?

Л. – Конечно. Оба эти резистора и сопротивление промежутка анод – катод второй лампы соединены последовательно и образуют делитель напряжения, включенный между плюсом и минусом источника питания. Поэтому точка соединения резисторов R₁ и R₂, куда присоединен и анод первой лампы, находится под положительным потенциалом. Он достаточно велик, так как сопротивление резистора R₁ составляет около 0,5 Мом, а сопротивление R₂ – несколько сотен ом.

Н. – Каюсь! Я мог бы это и сам сообразить. Вдобавок можно отметить, что разности потенциалов на электродах второй лампы с заземленной сеткой правильно распределены, так как ее катод находится под положительным потенциалом и, следовательно, сетка отрицательна относительно катода. Все к лучшему в этом лучшем из миров!

 

 

 

ЗАБЫТАЯ СХЕМА ВОЗРОЖДАЕТСЯ

Л. – Это возможно. Однако из‑за твоих беспорядочных расспросов я был вынужден начать изучение ЧМ приемника с промежуточной частоты, затем перейти к высокой частоте, что явно нелогично.

Н. – Значит, можно кое что рассказать и о смесителе?

Л. – Безусловно, так как на столь высоких частотах обычные смесители мало эффективны. За редкими исключениями, в смесителях ЧМ приемников отказались как от гептодов, так и от триод‑гексодов (в которых входной сигнал и напряжение от гетеродина подаются на разные сетки) и вернулись к старой схеме с отдельным гетеродином. При этом входной сигнал и напряжение гетеродина подаются на одну и ту же сетку (рис. 125).

 

 

 

Рис. 125.  В смесителе на двух триодах приходящие колебания и колебания гетеродина подаются на одну и ту же сетку.

 

Н. – Ну, уж тут ты явно издеваешься надо мною. Полагаешь ли ты, что я забыл все описанные тобою недостатки этой схемы? Я вспоминаю, что главным пороком является опасность увлечения частоты гетеродина приходящим сигналом.

Л. – Действительно, иногда очень трудно избежать такой игры этих двух колебаний, полностью нарушающей работу смесителя.

Н. – Зачем же применять схему со столь серьезным недостатком в ЧМ приемниках?

Л. – Потому что разнос частот в несколько мегагерц (определяемый промежуточной частотой) достаточен, чтобы синхронизации не возникало.

Н. – Таким образом, в схеме используются два триода. Один из них является смесителем. На его сетку подаются предварительно усиленные входные сигналы и через конденсатор связи С напряжение гетеродина.

Л. – Именно так. Часто используют двойной триод. В этом случае отпадает необходимость в конденсаторе связи С, так как междуэлектродные емкости двух секций двойного триода создают достаточную связь.

Н. – Нельзя ли, однако, применить пентод в качестве смесителя? Это увеличило бы его коэффициент усиления.

Л. – Так иногда и поступают. Правда, при этом возрастают шумы. Все та же обратная сторона медали…

 

 

 

В ЦАРСТВЕ СИММЕТРИИ

Н. – После того как мы разобрали предварительный усилитель высокой частоты, смеситель и усилитель промежуточной частоты, остались лишь детектор и усилитель низкой частоты.

Л. – В ЧМ приемниках нужно говорить о частотном детекторе (демодуляторе). Частотное детектирование может быть осуществлено с помощью различных схем.

Н. – Очевидно, их роль независимо от схемы сводится к преобразованию девиации частоты в изменения амплитуды.

Л. – Ты не ошибся. Это достигается в результате применения контуров, настроенных на среднюю частоту, т.е. на промежуточную частоту, соответствующую отсутствию модуляции. Контуры включены по симметричной схеме, так что выходное напряжение равно нулю или некоторой постоянной величине. Как только несущая частота начинает изменяться в ту или иную сторону, симметрия нарушается и появляется переменное напряжение.

Н. – Может быть, в твоем объяснении заключена глубокая мудрость, но для меня это звучит крайне абстрактно. Не изобразишь ли ты для пояснения схему?

Л. – Вот наиболее распространенная схема так называемого дискриминатора (рис. 126). Сразу бросается в глаза полная симметрия схемы. Обрати внимание на то, что, кроме индуктивной связи между последним каскадом усилителя промежуточной частоты и дискриминатором, имеется емкостная связь через конденсатор С, включенный точно в среднюю точку вторичной обмотки трансформатора.

 

 

Рис. 126. Схема частотного дискриминатора.

 

Н. – Я полагаю, что собака зарыта именно тут, в дискриминаторе.

Л. – Твоя интуиция тебя не обманула. Напряжение, подаваемое через конденсатор, сдвинуто по фазе относительно напряжения, наведенного в результате магнитной связи. До тех пор, пока частота обоих напряжений равна резонансной частоте контуров (трансформатора), напряжения на обоих концах вторичной обмотки одинаковы относительно средней точки.

Н. – Я угадываю дальнейшее. Эти напряжения детектируются диодами Л₁ и Л₂, в результате чего на резисторах R₁ и R₂ возникают равные постоянные напряжения противоположных полярностей. Я хочу сказать, что положительные потенциалы в точках А и Б относительно точки X будут равны и, следовательно, взаимно компенсируются.

 

 

Л. – Держу пари, Незнайкин, что ты опустошил еще одну банку сардин и пополнил свой мозг фосфором… Продолжай, поскольку твои рассуждения совершенно правильны.

 

 

Н. – Легче легкого. Допустим, что сигнал промодулирован, иными словами частота увеличивается или уменьшается относительно среднего значения. При этом частота отклоняется относительно резонансной частоты контуров, симметрия нарушается и напряжение на одном из концов вторичной обмотки трансформатора относительно средней точки оказывается выше, чем на другом конце. Вследствие этого после детектирования равенство напряжений в точках А и Б относительно точки К больше не будет соблюдаться. Напряжение между точками А и Б будет равно их разности. Это напряжение и явится искомым напряжением звуковых частот.

Л. – Поздравляю, дружище. Ты избавил меня от необходимости анализировать работу схемы. Можно лишь добавить, что конденсаторы, включенные параллельно резисторам R₁ и R₂, выполняют обычную роль подавления составляющей промежуточной частоты.

 

 

 

ДЕТЕКТОР ОТНОШЕНИЙ

Н. – Применяется только один тип дискриминатора?

Л. – Нет. Имеются различные варианты схемы. Но все они основаны на одном и том же принципе симметричной схемы и использования продетектированных напряжений противоположной полярности. Однако существуют частотные детекторы, в которых использованы несколько другие принципы. Один из них, так называемый детектор отношений, я изобразил на рис. 127.

 

 

Рис. 127. Схема детектора отношений.

 

 

Н. – Но эта схема чрезвычайно похожа на схему дискриминатора. Та же симметрия, такая же смешанная индуктивно‑емкостная связь. Только ты, вероятно, ошибся в изображении диодов, так‑как выпрямленные напряжения не компенсируются взаимно, а суммируются.

Л. – Нет, это не ошибка. Действительно, нужно, чтобы напряжения, заряжающие конденсатор большой емкости С₃ (электролитический в несколько микрофарад), складывались. На его обкладках, иными словами между точками А и Б, устанавливается постоянное напряжение. Что же касается точки X, то ты догадываешься…

Н. – … что напряжение на ней должно быть ровно вдвое меньше, так как симметрично включенные элементы C₁ и С₂, так же как и R₁ и R₂, равны.

Л. – Сардины продолжают оказывать благотворное влияние на твой интеллект! В отсутствие модуляции все действительно обстоит так. Но как только частота начинает меняться относительно резонансной частоты контуров…

Н. – … напряжение, продетектированное одним из диодов, становится больше или меньше другого продетектированного напряжения. Поэтому точка X уже не будет в середине напряжения между точками А и Б.

Л. – В который уже раз ты высказываешь, хотя и не в очень изящном виде, неоспоримые истины. Следует подчеркнуть, что при изменении частоты напряжение между точками А и Б не меняется (так как оно не зависит от частоты). Меняется лишь отношение напряжений между точками X и Б и между точками X и А.

Н. – В результате между точками X и Y возникнет напряжение низкой частоты, так как в каждый данный момент оно будет пропорционально отклонению частоты от среднего значения, соответствующего отсутствию модуляции.

Л. – Ты рассуждаешь, как Эвклид и Декарт, вместе взятые!

Таким образом, в детекторе отношений напряжение между точками X и Y зависит в каждый данный момент только от частоты несущей, в то время как полное напряжение между точками А и Б совсем не зависит от частоты.

Н. – Я полагаю, что это напряжение зависит от амплитуды продетектированного сигнала.

Л. – И ты не ошибаешься. Именно поэтому оно может быть использовано для автоматической регулировки усиления приемника (АРУ).

 

 

 

ДОЛОЙ ПОМЕХИ!

Н. – Таким образом, напряжение между точками А и Б зависит от амплитуды, а между точками X и Y – от частоты. Это наводит меня на одну мысль, которая, может быть, покажется тебе смешной.

Л. – А, может быть, и нет. Говори же.

Н. – Как ты знаешь, я очень страдаю из‑за помех от неоновой рекламы на нашем доме, создающей невероятные трески в моем приемнике. Эти помехи возникают в результате того, что принимаемые колебания модулируются по амплитуде возмущающими напряжениями. Следовательно, если я буду принимать с помощью детектора отношений частотно‑модулированную передачу, эти помехи, воздействующие на амплитуду, а не на частоту сигнала, будут отсутствовать в сигнале низкой частоты между точками X и Y..

Почему ты смеешься, Любознайкин? Я сказал что‑нибудь абсурдное?

Л. – О нет, наоборот, Незнайкин. Все, что ты сказал, совершенно правильно. Я просто подумал, что если мне придется излагать тебе сложную теорию операционного исчисления, то тебе достаточно будет поглотить лишь соответствующее количество сардин для стимулирования логических свойств твоего мышления…

Н. – Значит, кроме высокого качества музыкального воспроизведения (неограниченного ни по полосе, ни по динамическому диапазону), ЧМ передаче свойственна также высокая помехозащищенность. Это поистине замечательно!

Л. – Не торопись, дружище. Это почти так в случае детектора отношений, но совсем не так при приеме на дискриминатор, реагирующий на изменения как частоты, так и амплитуды.

Н. – Как жалко! Неужели не существует способа ограничить изменения амплитуды, поскольку они совершенно бесполезны и лишь способствуют проникновению помех при приеме?

Л. – Это можно сделать и это в действительности осуществляют в амплитудном ограничителе.

Н. – А что это такое?

Л. – Это устройство, которое включают перед частотным детектором и которое ограничивает на заданном уровне амплитуду сигнала. Все значения амплитуд, превышающие некоторое заданной значение, как бы подрезаются (рис. 128). Благодаря этому исключаются все изменения амплитуды, вызываемые как помехой, так и замираниями сигнала.

 

 

Рис. 128. Рисунок, поясняющий принцип двустороннего ограничения частотно‑модулированных колебаний, амплитуда которых не сохраняет постоянной величины.

 

Н. – Твой ограничитель напоминает мне горшок, которым пользуются некоторые деревенские парикмахеры для стрижки клиентов. Все, что выходит за пределы горшка подстригается.

 

 

Л. – Я никогда не был жертвой такой операции.

Н. – Но как же устроен амплитудный ограничитель?

Л. – Наиболее распространена схема насыщенного пентода. Режим пентода выбирают таким образом, чтобы характеристика зависимости анодного тока от сеточного напряжения имела ярко выраженный горизонтальный участок (рис. 129). При достаточно большом напряжении сеточного возбуждения колебания выйдут за пределы линейного участка и будут ограничены на уровне верхнего и нижнего изгибов характеристики.

 

 

Рис. 129. Амплитудное ограничение происходит на верхнем и нижнем изгибах характеристики.

 

Н. – А как же удается создать характеристику такой необычной формы?

Л. – Подавая на экранирующую сетку незначительное напряжение (от 5 до 15 а). Его можно получить, например, с помощью гасящего резистора R с очень большим сопротивлением (рис. 130). Иногда при этом уменьшают и анодное напряжение.

 

 

Рис. 130. Схема амплитудного ограничителя.

 

Н. – Бедный голодающий пентод! Он, естественно, настолько слабеет, что не имеет сил передать амплитуды, превышающие некоторое значение… А какую роль играют в схеме резистор R₁ и конденсатор С? Не имеет ли здесь место сеточное детектирование?

Л. – В известной мере, да. Благодаря падению напряжения на резисторе R₁, возникающему из‑за наличия сеточных токов, рабочая точка устанавливается таким образом, что получается наилучший режим амплитудного ограничения.

Н. – Мы можем приступить теперь к разбору цепей низкой частоты ЧМ приемника. Я полагаю, что и там должны быть какие‑нибудь особые схемы.

Л. – На этот раз ты ошибся. Усилитель низкой частоты ЧМ приемника должен быть только очень высокого класса, чтобы не исказить ни амплитудную, ни частотную характеристику. Нужен также высококачественный громкоговоритель, и лучше не один, а несколько. Но я отмечаю, что эффект поглощения сардин исчезает и поэтому отпускаю тебя для пополнения запасов фосфора…

 

 

 

 

Беседа двадцать вторая

 

 

Современные радиоприемники часто компонуются с устройствами для проигрывания грампластинок (радиолы), также для записи и воспроизведения звука на магнитной ленте (магнитолы).

 

КОНСЕРВИРОВАННЫЕ ЗВУКИ

Незнайкин. – До сих пор, Любознайкин, ты говорил мне лишь о передаче звуков в пространстве. Однако некоторым образом их можно передавать и во времени. Так, например, вчера я слушал грампластинку великого тенора Энрико Карузо, умершего в 1921 г.

Любознайкин. – Ты совершенно прав, Незнайкин. Созданные специалистами по радиоэлектронике устройства позволяют «консервировать» звуки, а затем воспроизводить их.

Н. – Какие же это устройства?

Л. – Прежде всего усилители низкой частоты на лампах или транзисторах. Как при записи звука, так и при его воспроизведении мы всегда имеем малые напряжения звуковых частот, а ведь при воспроизведении необходимо получить довольно значительную мощность.

Н. – Хорошо, но как на практике звуки записываются в канавках (бороздках) грампластинки?

Л. – Как ты мог убедиться, эти канавки представляют собой чрезвычайно плотную спираль на одном сантиметре (по радиусу грампластинки) умещается от 35 до 100 канавок; при этом их глубина остается неизменной. Канавки «модулируются» звуком, который им придает волнообразную форму. Волны располагаются более или менее густо (в зависимости от частоты звука) и имеют большую или меньшую ширину (в зависимости от громкости звука).

Н. – Так, значит, если я правильно понял, в периоды тишины канавки имеют форму спирали, а практически, можно сказать, форму кругов, диаметр которых постепенно убывает. Их можно сравнить с незатухающими и немодулированными колебаниями тока высокой частоты. В местах, где записан звук, дорожка канавки изменяется в поперечном направлении, т.е. канавки попеременно отклоняются к центру и краю грампластинки. В этом случае канавка напоминает кривую тока высокой частоты, модулированного низкочастотным сигналом.

 

 

Л. – Браво, Незнайкин! Должно быть, ты зарядился приличной дозой фосфора, что так прекрасно понял природу записи звука на грампластинке.

Н. – И тем не менее кое‑что сильно интересует меня. Как достигли того, что при больших амплитудах звука канавки не налезают одна на другую?

Л. – Это достигается путем ограничения максимального отклонения канавки до половины расстояния между двумя соседними канавками.

 

 

НЕМОЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ

Н. – Как же осуществляется запись звука на грампластинке? Я предполагаю, что сначала записываемые звуки с помощью микрофона преобразуются в соответствующие электрические сигналы низкой частоты. Последние, несомненно, усиливаются уже изученными нами устройствами. А затем?

Л. – Затем остается лишь преобразовать усиленные сигналы в механические колебания при помощи рекордера, резец которого и нанесет канавки на специальную пластинку.

Н. – Это просто сказать, но я не представляю себе, как на практике осуществить это преобразование электрических колебаний в механическое движение.

Л. – А разве мы уже не решили эту проблему при воспроизведении звука с помощью громкоговорителя электромагнитной системы?

Н. – Действительно, в громкоговорителе ток вызывает механические колебания, передаваемые мембране или диффузору. Но серьезно говоря, ведь не предлагаешь же ты вырезать канавки на пластинке с помощью громкоговорителя?

 

 

Л. – Для этой цели мы используем только электромагнитный механизм якоря громкоговорителя, отсоединив от него диффузор. Таким образом наш громкоговоритель окажется немым.

 

Что же касается самого записывающего механизма рекордера, то в самом простом виде он представляет собой электромагнит, помещенный между полюсами сильного постоянного магнита (рис. 131).

 

 

Рис. 131. Рекордер для записи звука на диск.

 

Н. – Расскажи поподробнее об этом.

Л. – Изволь. Электромагнит состоит из подвижной стальной пластинки 1, двигающейся вокруг оси 2 и удерживаемой в средним положении на эластичной резиновой подвеске 3. Через укрепленную на пластинке катушку 4 проходит ток низкой частоты. В результате при каждом полупериоде тока полярность обоих концов пластинки меняется и они попеременно притягиваются то к одному, то к другому полюсу магнита.

Н. – Я вижу, что пластинка перемещается то вправо, то влево. А что ты обозначил на конце этой пластинки цифрой 5?

Л. – Это острие стального резца, которое и вырезает на пластинке канавки.

 

 

Ну, а теперь поехали дальше. Подвижная каретка с рекордером установлена на винте с плотной резьбой, который расположен по радиусу пластинки (рис. 132). Последняя представляет собой слой воска, нанесенный на стальное основание. Вращение пластинки сочетается с медленным перемещением каретки с рекордером вдоль винта, в результате чего на пластинке образуется спиральная канавка. Колебания резца рекордера придают канавке волнообразную форму. Так осуществляют запись звука.

 

 

Рис. 132. Перемещаясь вдоль винта 1 рекордер 2 образует на диске спиральную канавку.

 

 

ОТ НЕГАТИВА К ПОЗИТИВУ

Н. – Но запись на воске, вероятно, очень недолговечна. Да к тому же как, имея эту единственную запись, получить тысячи грампластинок?

Л. – Начинают с изготовления точной медной копии, используя метод гальванопластики. Для этого поверхность воска покрывают тонким слоем графитового порошка, благодаря чему она становится проводником тока. Обработанную графитом восковую пластинку с записью опускают в ванну с раствором сульфата меди и устанавливают ее напротив массивного медного электрода. Затем через раствор пропускают постоянный электрический ток, подключив положительный полюс источника тока к медному электроду, а отрицательный полюс – к восковой пластинке (рис. 133).

 

 

Рис. 133.  В гальванической ванне с пластинкой (диском) 1 и электродом 2 получают медную копию пластинки.

 

Н. – Я понял! Электрический ток вырывает атомы меди из электрода, переносит их через раствор и оставляет на поверхности воска.

Л. – Внешне все выглядит как бы в соответствии с твоей гипотезой. Однако происходящие явления значительно сложнее, чем ты думаешь, но это не имеет значения… Для нас важно, что по истечении некоторого времени на поверхности воска образуется медная корка, точно воспроизводящая все извилины канавки.

Н. – Да, но наизнанку: все углубления стали выпуклостями, и наоборот. Полученная медная копия напоминает фотографический негатив.

Л. – Совершенно верно. Теперь мы имеем в руках нечто более прочное, чем воск. Тел же методом гальванопластики с нашего негатива снимают еще одну копию.

Н. – На этот раз получим позитив: углубления и рельефные места идентичны углублениям и рельефным местам воскового оригинала.

 

 

Л. – Правильно. С этой позитивной копии получают несколько новых копий – негативов, которые служат матрицами на прессе и позволяют получить нужное количество пластмассовых грампластинок.

Н. – Подожди минутку, Любознайкин. Я немного запутался в многочисленных превращениях углублений в рельефные места, и наоборот. Давай разберемся. Восковой оригинал – позитив, первая медная копия – негатив, вторая копия – позитив, матрицы для пресса – негативы, следовательно, грампластинки – позитивы. Все в порядке!!!

Л. – Ты правильно рассудил.

 

 

 

ОБРАТИМЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Н. – Но мы рассмотрели только одну сторону вопроса – запись. А я больше всего хотел бы понять, как воспроизводятся звуки. Я предполагаю, что здесь, как всегда, прибегают к обратимости электрических явлений.

Л. – Твоя интуиция тебя не подвела. Устройство, используемое для записи, прекрасно может послужить и для ее считывания с грампластинки, или, как обычно говорят, в качестве звукоснимателя.

Н. – Действительно, если подвижная пластинка приходит в колебательное движение, когда ее заостренный конец идет по канавке, то ее намагничивание изменяется под воздействием постоянного магнита. Следовательно, катушка находится в переменном магнитном поле. Поэтому в ней должны возникнуть токи, идентичные тем, которые использовались для вырезания канавки при записи звука.

Л. – И их остается лишь усилить, чтобы с помощью громкоговорителя можно было услышать записанные звуки. Для этой цели можно использовать, например, низкочастотную часть радиоприемника. Тебе, вероятно, известно, что радиоприемники имеют вход, предназначенный для подключения звукоснимателя?

Н. – Это я знаю. Полагаю также, что при воспроизведении нет необходимости устанавливать звукосниматель на бесконечном винте, так как канавка сама направляет иглу звукоснимателя. Поэтому звукосниматель устанавливается на вращающемся рычаге, носящем название тонарма.

Л. – И ты знаешь, что игла звукоснимателя должна быть отлично отполирована и изготовлена из самого твердого материала: алмаза или корунда.

Н. – Это я понимаю. Если игла износится, то она не сможет больше выписывать все мельчайшие извилины канавки, а кроме того, она будет портить грампластинку.