2.4 Усилители сигналов

Как электронные лампы — триоды, тетроды и пентоды, так и транзисторы имеют свойство при небольших изменениях напря­жения на входе создавать значительное изменение напряжения на выходе, т. е. усиливать электрические колебания.

Устройства, обладающие такими свойствами, называются уси­лителями. Усилитель преобразует энергию своего источника по­стоянного тока в энергию электрических колебаний, форма и час­тота которых соответствуют усиливаемым колебаниям.

Лампа или транзистор, все детали, относящиеся к ним, необ­ходимые для усиления, а также источник питания образуют уси­лительный каскад.

2.4.1 Ламповые усилители на сопротивлении

На рис. 2.35, а приведена схема реостатного усилителя на триоде. Нагрузкой, включаемой в анодную цепь лампы, в рео­статном усилителе является активное сопротивление R_а. Усили­ваемое напряжение подводится к зажимам управляющая сетка — катод, называемым входом каскада усилителя, а усиленное на­пряжение снимается с анодной нагрузки R_а.

При отсутствии переменного напряжения на сетке в анодной цепи протекает постоянный анодный ток I_a0 — ток покоя. Положительная полуволна входного напряжения вызывает увеличе­ние (в фазе с ней) анодного тока, отрицательная полуволна — уменьшение анодного тока.

С ростом анодного тока увеличивается падение напряжения на нагрузке, а анодное напряжение U_a уменьшается:

При уменьшении напряжения на сетке уменьшаются анодный ток и падение напряжения на нагрузке, возрастает напряжение на аноде. Таким образом, переменное напряжение на аноде на­ходится в противофазе (сдвиг на 180°) с напряжением на сетке.

Если сопротивление R_a достаточно велико, то снимаемое с него выходное напряжение U_вых (рис. 2.35, а) будет значительно больше переменного напряжения U_вх, т. е. получится усиление, характеризуемое коэффициентом усиления каскада.

Коэффициент усиления каскада К — число, показывающее, во сколько раз каскад усиливает переменное напряжение:

При наличии сопротивления в анодной цепи зависимость анодного тока от напряжения на сетке не может быть представ­лена статическими анодно-сеточными характеристиками, ибо анодное напряжение непостоянно и изменяется с изменением анодного тока. В этом случае работа лампы характеризуется не статической, а динамической характеристикой, представляющей зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоян­ном напряжении источника питания Е_а (а не анодного напряже­ния (U_a, как в статических характеристиках). Крутизна динами­ческой характеристики меньше, чем статической (см. рис. 2.35, а, график 4).

Коэффициент усиления реостатного каскада меньше коэффи­циента усиления лампы ц. Для триода его можно вычислить по формуле

Чем больше величина анодной нагрузки R_a, тем больше ко­эффициент усиления каскада на данной лампе.

Практически брать R_a более 4R_i невыгодно, так как дальней­шее увеличение R_a вызывает незначительное увеличение коэффи­циента усиления каскада и в то же время приводит к значитель­ному падению напряжения на нем от постоянной составляющей анодного тока и поэтому требует повышенного напряжения источ­ника.

На рис. 2.35, а на графике 2 приведены динамическая характе­ристика триода (в дальнейшем будем называть ее просто харак­теристикой), переменное напряжение на сетке, изменение анод положительной полуволне конденсатор дозаряжается до ее ам­плитудного значения.

Электроны, накопившиеся на пластинах конденсатора при его заряде, постепенно стекают через сопротивление сетки R_c, по­этому его называют сопротивлением утечки.

Коэффициент усиления реостатного усилителя непостоянен. Он зависит от частоты усиливаемых колебаний. Кривая, показы­вающая зависимость коэффициента усиления от изменения час­тоты колебаний на входе усилителя, называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя (рис. 2.37).

Полоса частот, в пределах которой коэффициент усиления усилителя уменьшается до 0,707 от максимальной величины ко­эффициента усиления на средних частотах К_0макс, называется полосой пропускания или частотным диапазоном усилителя.

Полоса пропускания усилителей низкой частоты, применяе­мых в радиовещании для художественных передач, имеет значе­ние обычно в пределах от 50 до 10 000 Гц.

В радиоэлектронной аппаратуре применяются усилители с по­лосой пропускания до нескольких сотен килогерц и единиц мега­герц. Такие усилители называются видеоусилителями.

Для усиления напряжения колебаний низкой частоты помимо реостатных усилителей применяются дроссельные и трансформа­торные усилители. Это такие усилители, у которых в качестве анодной нагрузки используется соответственно дроссель или трансформатор. Физические процессы, происходящие в этих уси­лителях, аналогичны рассмотренным в реостатных усилителях.