Типы усилительных элементов.

 

Усиление электрических сигналов осуществляется в усилителе посредством специальных устройств, называемых усилительными элементами и обладающих способностью при небольшой затрате энергии на управление управлять энергией во много раз большей. Они получают электрическую энергию от источника питания и преобразуют ее в усиливаемые сигналы, являясь, таким образом, управляющими устройствами.

Усилительный элемент вместе с электрическими деталями схемы (резисторами, конденсаторами и т. п.), через которые к нему подводят энергию от источника питания, а также подают и снимают усиливаемые сигналы, называют усилительный каскадом или каскадом усиления. Усилительный каскад, представляющий собой одну «ступень» усиления сигнала, иногда содержит несколько усилительных элементов.

В настоящее время известно большое количество различных типов усилительных элементов.

В микротелефонном усилительном элементе мембрана телефонной трубкиТ жестко связана с мембраной микрофонного капсюляМ (рис. 1-1). В цепь микрофонного капсюля включают последовательно источник постоянного токаЕ с напряжением в несколько вольт и сопротивление нагрузкиR_н.Если к обмотке поляризованного электромагнита телефонной трубки подвести слабые электрические сигналы, которые требуется усилить, то они заставят колебаться мембрану телефонной трубки, а следовательно, и связанную с ней мембрану микрофонного капсюля. Это вызовет изменение сопротивления угольного порошка микрофонного капсюля, что приведет к появлению усиленных электрических колебаний в цепи нагрузки. При рациональной конструкции и правильном режиме работы микротелефонный усилительный элемент может усилить мощность подводимых к нему слабых электрических сигналов в несколько десятков раз. Основными достоинствами его являются простота устройства и большой срок службы.

Наряду с указанными достоинствами микротелефонный усилительный элемент обладает серьезными недостатками, основными из которых являются: очень узкая полоса усиливаемых частот (не больше нескольких килогерц даже в специальных конструкциях) и неравномерное их усиление из-за резонансных свойств и большей массы колеблющейся системы; непостоянство усиления и его зависимость от положения элемента; высокий уровень шумов; большие искажения усиливаемых колебаний и т. п. Указанные недостатки привели к тому, что в современных усилителях электрических сигналов микротелефонные усилительные элементы не применяют.

Электровакуумный усилительный элемент представляет собой хорошо известную вакуумную электронную лампу.

Принцип усиления электрических сигналов электронной лампой поясняется на рис. 1-2, где Л- электронная лампа,Е_а- источник питания цепи анода, подключаемый положительным полюсом к аноду лампы и отрицательным к ее катоду,Е_н- источник питания цепи накала, Е_с- источник смещения, задающий на сетку лампы необходимый начальный отрицательный потенциал,U_и- источник усиливаемых сигналов,R_н- сопротивление  нагрузки. Изменение напряжения между сеткой и катодом лампы от воздействия подводимых сигналов вызывает изменение анодного тока лампыi_а.Изменяющийся анодный ток, проходя через сопротивление нагрузкиR_н, создает на нем изменяющееся падение напряжения и выделяет здесь мощность усиленных сигналов, повторяющих по форме сигналы, подводимые к цепи сетка — катод.

При правильном режиме работы электронная лампа может усиливать мощность подводимых к ней электрических сигналов в десятки тысяч раз и выше (иногда до нескольких миллионов раз). Помимо большого усиления, достоинствами электронной лампы являются: очень широкая полоса усиливаемых частот, простирающаяся от нуля герц (от постоянного тока) до сотен и даже тысяч мегагерц в лампах специальных конструкций; нечувствительность к изменению температуры окружающей среды и другим внешним воздействиям; высокое постоянство усилительных свойств; малые искажения усиливаемых сигналов; малый уровень шумов; высокое входное сопротивление, облегчающее задачу передачи усиленных сигналов от одного усилительного каскада к другому; большой диапазон отдаваемой в нагрузку мощности (от долей микроватта до сотен и даже тысяч киловатт). К недостаткам лампы можно отнести: сравнительно небольшой срок службы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч часов); наличие цепи накала, требующей специального источника питания и потребляющей значительную энергию, а также требующей определенного времени для прогрева лампы при ее включении (от долей секунды до десятков секунд); сравнительно высокое напряжение источника анодного питания (от нескольких десятков вольт до 10-15 кв).

Наиболее известным и распространенным полупроводниковым усилительным элементом является полупроводниковый триод (транзистор). Принцип усиления электрических сигналов транзистором пояснен на рис. 1-3. ЗдесьТ— транзистор,Е_к — источник питания выходной цепи,Е_б — источник смещения входной цепи, задающий необходимое начальное напряжение или ток смещения во входную цепь;U_и — источник усиливаемых сигналов,R_н— сопротивление нагрузки. Небольшие изменения тока в цепи база — эмиттер транзистора, вызываемые подводимыми к этой цепи сигналами, вызывают во много раз увеличенные изменения тока в цепи коллектора. Изменяющийся  ток  коллектора,   проходя  через   сопротивление  нагрузки, создает на нем падение напряжения и выделяет в нем мощность усиленных сигналов, повторяющих по форме сигналы, подводимые к транзистору.

Полярность источника питания и смещения, указанная на рис, 1-3, относится к транзисторам типа р-п-р, являющимися наиболее распространенными.  При транзисторах типап-р-п полярность источника питания и смещения изменяют на обратную. При наивыгоднейшем режиме работы хороший транзистор может усилить мощность подведенных к нему электрических сигналов в десятки тысяч раз, лишь немного уступая в этом отношении электронной лампе. Большими преимуществами транзисторов по сравнению с лампами являются: отсутствие цепи накала, исключающее источник питания этой цепи и время прогрева, что приводит к почти мгновенной готовности усилителя к работе после включения питания; очень большой срок службы (многие десятки тысяч часов при правильной эксплуатации), связанная с этим высокая надежность работы, превышающая надежность работы электронной лампы; меньшая мощность, потребляемая от источников питания (иногда    в десятки и даже в сотни раз); меньшие размеры и вес; малая чувствительность к сотрясениям и ударам. Вследствие указанных достоинств транзисторы все шире используют вместо электронных ламп.

Основными недостатками транзисторов по сравнению с электронными лампами пока еще являются: сильное влияние температуры на свойства, больший разброс параметров, более низкое входное сопротивление, что затрудняет передачу усиленных сигналов от предыдущего каскада к последующему, меньшая максимальная выходная мощность.

Принцип действия сверхпроводникового усилительного элемента, называемого иначекриотроном, основан на том, что изменение напряженности магнитного поля меняет температуру перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Простейший криотрон представляет собой тонкую проволочку или пленку из сверхпроводящего материала, окруженную управляющей обмоткой. Охладив проволочку до температуры ее перехода в сверхпроводящее состояние, пропускают ток усиливаемого сигнала через управляющую обмотку. Возникающее при этом переменное магнитное поле изменяет сопротивление сверхпроводящей проволочки, включив которую последовательно с источником питания и нагрузкой, получают в последней усиленный сигнал.

К достоинствам криотрона относятся малые размеры и малая мощность питания, большой срок службы, более низкий уровень собственных шумов по сравнению с электронной лампой и транзистором. Его недостатком является необходимость охлаждения до температуры наступления сверхпроводимости, которая для известных в настоящее время сверхпроводящих материалов превышает температуру абсолютного нуля (—273° С) лишь на несколько единиц или десятков градусов. Это требует использования сложных и дорогих охлаждающих агрегатов, почему криотроны пока не находят широкого применения.

Магнитный усилительный элемент, называемый более кратко магнитным усилителем, изображен на рис. 1-5,а. Здесь на сердечнике из магнитного материала размещено несколько обмоток. Источник постоянного смещенияЕ_с, присоединенный к обмотке 1, расположенной на среднем стержне сердечника, сдвигает начальную точку кривой намагничивания на сгиб характеристики намагничивания материала сердечника. Усиливаемые сигналы подводят к управляющей обмотке2, расположенной также на среднем стержне. При таком положении исходной точки кривой намагничивания ток сигнала (i_ина рис. 1-5,6) сильно изменяет магнитную проницаемость, сердечника, а, следовательно, и индуктивность управляемых обмоток 3, расположенных на крайних стержнях сердечника. В результате, изменяется по величине переменный ток i_писточника питанияЕ_п, текущий через управляемые обмотки (рис. 1-5,6). Промодулированный сигналом токi_пвыпрямляется детектором Д (токi_дна рис 1-5,6) и после отфильтровывания фильтромФ токов частоты источника питания и ее высших гармоник и компенсации постоянной составляющей приобретает форму усиливаемых сигналов и поступает в нагрузкуН (токi_н на рис. 1-5,6).

К достоинствам магнитных усилителей относятся: большое усиление (того же порядка, что и у электронной лампы); мгновенная готовность к работе; нечувствительность к сотрясениям; высокая надежность работы и практически неограниченный срок службы. Их недостатком является сложность схемы и необходимость иметь источник питания переменного тока с частотой, по крайней мере в несколько раз превышающей наивысшую частоту усиливаемых сигналов.

Указанные свойства делают применение магнитных усилителей очень удобным в тех случаях, когда наивысшая частота усиливаемых сигналов не превосходит нескольких десятков или сотен герц.

При этом отпадает надобность в специальном источнике питания высокой частоты, так как для питания может быть использована непосредственно сеть переменного тока нормальной   (50 гц) или повышенной частоты (400-2000гц). Поэтому магнитные усилители широко используются в схемах стабилизаторов тока и напряжения, в устройствах автоматического регулирования, а также в системах управления и контроля современных судовых, авиационных, ракетных и артиллерийских механизмов и т. п., где частоты усиливаемых сигналов невелики.

Диэлектрический усилительный элемент (диэлектрический усилитель) содержит конденсаторы из материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля (например, из титаната бария). Электрическая емкость таких нелинейных конденсаторов зависит от приложенного к ним напряжения.

Используя вместо сердечника с обмотками нелинейные конденсаторы можно усилить электрические сигналы способом, сходным с показанным на рис. 1-5. От воздействия напряжения усиливаемых сигналов нелинейные конденсаторы будут изменять свою емкость; это будет модулировать ток питания i_псоздаваемый источником питания. Выпрямив и отфильтровав модулированный ток и направив в его нагрузку, получают в последней усиленные сигналы.

Диэлектрические усилители имеют достоинства и недостатки, в основном аналогичные достоинствам и недостаткам магнитных усилителей. Однако питать их непосредственно от сети переменного тока неудобно даже при малых частотах усиливаемых сигналов, так как это требует применения нелинейных конденсаторов очень больших емкостей, изготовление которых затруднительно. Поэтому диэлектрические усилители указанного типа почти не имеют применения.

Рассмотренные выше усилительные элементы могут усиливать электрические сигналы с частотой от нуля (постоянный ток) до наивысшей, определяемой физическими и электрическими свойствами устройства. Уровень собственных шумов усилительного элемента определяется принципом его действия, и для рассмотренных устройств, за исключением криотрона, оказывается довольно высоким. Поэтому рассмотренные выше усилительные элементы непригодны для усиления очень слабых электрических сигналов, лежащих ниже уровня собственных шумов устройства, так как такие сигналы будут заглушены  собственными шумами.

Отсюда видно, что для усиления чрезвычайно слабых сигналов необходимы  усилительные   устройства,  обладающие  очень   низким уровнем собственных шумов; по этой причине в системах дальней и сверхдальней космической связи, аппаратуре управления и связи с ракетами и спутниками дальнего действия, радиолокационной и радиоастрономической аппаратуре большого радиуса действия используют особые способы усиления электрических сигналов. Наиболее употребительными из них являются параметрический и квантово - механический  усилители.

Примером усилительного устройства, работающего на квантово - механическом принципе, являются молекулярные усилители. Их принцип действия основан на том, что в определенных условиях молекулы вещества, пролетая в электромагнитном поле, образованном высокочастотным источником питания, могут поглощать часть энергии этого поля; поглощенная молекулами энергия затем отдается ими в нагрузку уже на частоте усиливаемых сигналов, осуществляя тем самым усиление. Молекулярные и другие квантово - механические усилительные устройства сложны в выполнении, обычно требуют применения сильных магнитных полей и охлаждения до очень низких температур (порядка температуры жидкого гелия), усиливают довольно узкую полосу частот, но имеют наименьший уровень собственных шумов в известных в настоящее время усилительных устройствах. Их используют обычно для усиления очень высоких частот - порядка тысяч и десятков тысяч мегагерц.

Несмотря на сравнительно высокий уровень собственных шумов (в обычных условиях порядка долей микровольта) транзисторы и электронные лампы в настоящее время являются наиболее совершенными и универсальными усилительными устройствами. Они дают большое усиление в широкой полосе частот, имеют простые схемы включения, большой срок службы, не требуют какой-либо наладки или настройки в эксплуатации. По этим причинам транзисторные и ламповые усилители в настоящее время являются наиболее распространенными и широко применяемыми.