Электронные усилители

Электронные усилители практически безынерционны и отличаются высоким коэффициентом усиления (IO6-MO7 по мощности). Поэтому они наиболее распространены в быстродействующих автоматических устройствах и для усиления маломощных сигналов датчиков, измеряемых в микроваттах.

В качестве электронного усилителя чаще всего используется трехэлектродная электронная лампа триод (см. рис. 34). Функции входного воздействия выполняет напряжение, приложенное и влияющее на величину анодного тока в цепи нагрузки Таким образом, электронный усилитель, помимо усиления, преобразует изменения электрического напряжения в изменения электрического тока.

В случае применения однокаскадного усилителя (см. рис. 34) роль сопротивления нагрузки играют обмотки исполнительного механизма (маломощного реле, электромагнита и т. п.). Если же при помощи электронного усилителя необходимо обеспечить усиление в несколько тысяч раз, практикуют каскадное соединение нескольких ламп. Тогда функции сопротивления нагрузки для всех ламп, кроме последней, выполняют сопротивления, управляющие следующим каскадом усиления. В последнем каскаде усиления для большего увеличения мощности в некоторых случаях применяют тиратроны. При помощи такого многокаскадного усилителя мощность управляющего сигнала, составляющая миллионные доли ватта, может быть усилена до нескольких десятков ватт, а в результате применения ионных приборов - до нескольких киловатт.

Коэффициент усиления электронного усилителя

Полупроводниковые (кристаллические) усилители, называемые также транзисторами, по выполняемым функциям близки к вакуумным триодам, но отличаются более простым устройством, значительно меньше по размерам и весу. Кроме того, полупроводниковые усилители характеризуются надежностью, большим сроком службы и малым потреблением электроэнергии.

К недостаткам полупроводниковых приборов относятся зависимость их параметров от температуры окружающей среды, неспособность работать при температуре выше 80°, сравнительно большой разброс параметров у разных аппаратов одного и того же типа и ограниченная предельная частота усиления (несколько мегагерц).

Разумеется, по мере совершенствования аппаратуры перечисленные недостатки будут устраняться. За последнее время полупроводниковые усилители получают все большее распространение. Наиболее широко применяются точечные и плоскостные германиевые триоды.

Точечный германиевый триод состоит из моно- кристаллической пластинки германия с проводимостью типа п (с избыточными электронами) и двух заостренных бронзовых контактных проволочек, расположенных на расстоянии нескольких десятков микронов одна от другой. Своими остриями проволочки соприкасаются с германиевой пластинкой, причем в местах соприкосновения образуются так называемые «электронно-дырочные» переходы. Противоположная сторона пластинки припаяна к металлическому основанию (базе) триода.

Принцип действия точечного триода заключается в следующем (рис. 39, а). Контактная проволочка 1, называемая эмиттером, находится под небольшим положительным потенциалом (пропускное направление), поступающим от батареи Б\. Эмиттер вводит (эмитирует) «дырки» в германий, притягивая из него свободные электроны и выполняя таким образом роль катода электронной лампы. Большая часть «дырок» притягивается ко второй проволочке 2 - коллектору, на которую подается отрицательный потенциал от батарей Б2. Запирающий слой «электронно-дырочного» перехода изменяется таким образом, что ток коллектора значительно возрастает.

Коллектор в полупроводниковом триоде выполняет функции анода электронной лампы, а основание (база) 3 триода- функции управляющего электрода (сетки электронной лампы), так как от ее потенциала относительно эмиттера зависит количество эмитируемых «дырок». Сопротивление коллекторной цепи в несколько раз выше сопротивления цепи эмиттера, поэтому колебания напряжения Uma в выходной цепи превышают колебания напряжения UBX во входной цепи.

Точечные триоды состоят (рис. 39,6) из корпуса 6, облицованного металлическим кожухом 3, и держателя 7 с германиевой пластинкой 8 с одной стороны и изоляционной втулкой 2 с выводами 1 и 10 от эмиттера 4 и коллектора 9 - с другой. В месте соприкосновения эмиттера и коллектора с германием имеется заполнитель 5.

К основным параметрам точечных германиевых триодов относятся: входное и выходное сопротивления, сопротивление обратной связи (сопротивление базы), коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности. Эти параметры приводятся в характеристиках триодов.

Точечные триоды применяются только в схемах с заземленной базой 1 (рис. 39, в). Усиливаемое напряжение UBX на входе усилителя последовательно подается в цепь эмиттера 2 с батареей, а выходное усиленное напряжение Unux снимается с сопротивления нагрузки Ru в цепи коллектора 3.

Коэффициент усиления транзистора по току

Нагрузочное сопротивление должно быть достаточно большим.

Германиевый плоскостной триод (рис. 40, а) имеет три области проводимости: р-п-р. Область р представляет собой такой слой, в котором вследствие недостатка электронов существуют избыточные носители, или так называемые «дырки». К каждой из областей присоединяются контакты со сравнительно большой площадью. В корпусе 3 триода имеется держатель 2 с германиевой пластинкой 7, выполняющей функции управляющего электрода (базы). По обе стороны германиевой пластинки впаяны капли индия, причем капля 8 используется в качестве эмиттера, а капля 6 - в качестве коллектора. Выводы 9 и 4 от эмиттера и коллектора изолированы от корпуса стеклянными изоляторами 5. Вывод 1 базы присоединен непосредственно к корпусу.

К основным параметрам плоскостных триодов относятся: сопротивления коллектора эмиттера и базы, коэффициент усиления по току, фактор шумов, обратный ток цепи коллектора и емкость коллектора. Эти данные приводятся в справочной литературе [17].

Усилитель с плоскостным триодом может быть собран не только по схеме с заземленной базой (см. рис. 39, в), но и по схеме с заземленным эмиттером (рис. 40,6) или с заземленным коллектором (рис. 40, в).

Коэффициент усиления по току в схеме с заземленным эмиттером

где - ток в цепи базы.

Этот коэффицент обычно составляет от 10 до 100.

Входное сопротивление для ра:< больше, чем для схемы с заземленной базой.
Коэффициент усиления по напряжению

т. е. такой же, как и для схемы с заземленной базой.

Здесь U6- напряжение в цепи базы.

В схеме с заземленным коллектором коэффициент усиления по току приблизительно равен коэффициенту усиления по току для схемы с заземленным эмиттером.

Коэффициент усиления по напряжению

Для этой схемы входное сопротивление около мегома, в 10-100 раз больше сопротивления нагрузки.
Если усилитель работает с отрицательным смещением управляющего электрода, обеспечивающим непрерывное прохождение усиленного тока (в классе А), то в схеме с заземленным эмиттером мощность усиливается значительно больше, чем в схемах с заземленным основанием.

Схема однокаскадного усилителя с плоскостным германиевым триодом и трансформаторной связью приведена на рис. 41.