Принцип действия усилителя

Усилительный каскад состоит из резистора R и управляемого элемента УЭ (рис 5.2), роль которого может выполнять транзистор или электронная лампа. Совместно с источником напряжения Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Процесс усиления сигнала U ₁ основан на преобразовании энергии источника питания Е в энергию переменного напряжения U ₂ в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому воздействием управляющего сигнала U ₁.

Рис. 5.2. Усилительный каскад.

Рассмотрение работы усилителя существенно упрощается когда сопротивления усилительного элемента R _i существенно больше сопротивления R. В этом случае изменение сопротивления R _i под действием входного напряжения эквивалентно изменению тока в УЭ. Это описывает входная характеристика УЭ, обычно приводящаяся в справочниках.

Рис.5.3. Входная характеристика транзистора (сплошная линия) и лампы (пунктирная).

На рисунке 5.3. приведены типичные входные характеристики транзистора и лампы. Для неискаженной передачи сигналов используют линейную часть характеристики подачей постоянного напряжения смещения U_o на вход усилителя (рабочая точка), при этом через УЭ протекает постоянный ток I_o. При знакопеременном сигнале рабочая точка устанавливается на середину прямолинейного участка характеристики. Тогда изменения входного напряжения (полезный сигнал U_вх) в точности повторяются в изменениях тока, которые в свою очередь по закону Ома создают такие же изменения напряжения на УЭ, снимаемые с усилителя. ; . Здесь S – крутизна характеристики в рабочей точке. Переменная часть выходного напряжения линейно передает входной сигнал, но с обратным знаком. Коэффициент усиления приближенно равен .

С учетом конечного сопротивления усилительного элемента будем иметь:

(5.1).

При дополнительном учете параллельных УЭ проводимостей: сопротивления нагрузки (1/R_Н), паразитной емкости () они добавляются к проводимостям в знаменателе, так как на них ответвляется часть тока УЭ:

(5.2).

Рис.5.4. Простейшая схема усилителя на лампе а) и транзисторе б).

Простейшие схемы усилителей приведены на рисунке 5.4. В схеме а) рабочая точка устанавливается с помощью сопротивления в цепи катода R _к, на котором создается постоянное отрицательное смещение . Емкость С _к устраняет отрицательное смещение по переменному току.

В схеме б) рабочая точка устанавливается с помощью делителя R ₁ -R ₂: . Разделительные емкости С ₁ и С ₂ ставятся для отделения постоянных напряжений от входной и выходной цепей.

Усиление обеспечивается самим устройством усилительного элемента. В лампе сетка делается очень редкой, имеет отрицательное смещение и поэтому на нее поступает существенно меньше электронов, чем проходит на находящийся под положительным потенциалом анод. В транзисторе область базы выполняется тонкой, так что носители, поступающие из эмиттера, не успевают рекомбинировать и проходят на коллектор. Все это обеспечивает усиление по току. Усиление по напряжению обеспечивается тем, что сетка в лампе и база в транзисторе являются первыми к катоду и эмиттеру и своим малым потенциалом сильнее влияют на ток, чем потенциал анода и коллектора.