Усилители на лампах

3. Усилители на лампах

На рис. 6 показана схема простейшего лампового усилителя. Управляемой в нем является анодная цепь, а управляющей — сеточная. При изменении напряжения на сетке лампы пропорционально изменяется анодный ток, который создает на нагрузочном сопротивлении  пульсирующее напряжение. Разделительный конденсатор  пропускает на выходные клеммы только переменную составляющую анодного напряжения. Подбирая соответствующие величины _,  и тип лампы, можно получить на выходных клеммах переменное напряжение, амплитуда которого будет во много раз превышать величину .

Ламповый усилитель усиливает не только напряжение, но и мощность входного сигнала. Для управления анодным током требуется только изменять разность потенциалов между сеткой и катодом. В этом случае в сеточной цепи лампы протекает незначительный ток и входная потребляемая мощность намного меньше, чем полезная мощность, выделяемая в нагрузке.

Важным условием нормальной работы усилителя является строгое соответствие формы выходного и входного сигналов. Анодный ток изменяется пропорционально сеточному напряжению только на прямолинейном участке ламповой характеристики. Чтобы анодный ток изменялся па прямолинейном участке и чтобы эти изменения были наибольшими, начальное значение тока  (ток покоя) должно соответствовать середине прямолинейного участка сеточной характеристики (рис. 7, а), Точка А на ламповой характеристике, определяющая значение тока покоя, называется рабочей. Положение рабочей точки определяется величиной постоянного напряжения смещения на сетке — . На рис, 7, а приведен график, иллюстрирующий процесс изменения анодного тока  при подаче на вход усилителя переменного синусоидального напряжения с амплитудой . Режим работы электронной лампы, при которой изменение анодного тока происходит в пределах прямолинейной части ламповой характеристики, называется режимом класса А. В режиме А анодный ток протекает в течение всего периода изменения сеточного напряжения. Этот режим характеризуется малой величиной нелинейных искажений, но является неэкономичным (к. п. д. не более 20—30%). Его обычно применяют в предварительных усилителях низкой частоты и в выходных усилителях малой мощности (до 3—4 вm). Для характеристики режимов усиления вводят понятие об угле отсечки. Угол отсечки  — это половина той части периода, в течение которой через лампу протекает ток.

При выборе рабочей точки в начале сеточной характеристики, анодный ток протекает в течение половины периода (). Такой режим работы лампы называется режимом В (рис. 7, б). В данном режиме возникают большие нелинейные искажения, но к. п. д. достигает 60—65%.

Промежуточный режим, при котором , называется режимом АВ (рис. 7, в). Режим, при котором угол отсечки , называется режимом С (рис. 7, г). Режимы В, АВ и С применяются в двухтактных усилителях мощности низкой частоты.

К буквам, обозначающим режим, ставятся индексы: 1 — при отсутствии сеточных токов, 2 — при работе с сеточными токами. Например: .

Анодное напряжение лампы усилителя равно разности между напряжением источника  и падением напряжения на сопротивлении :

Изменение напряжения на сетке вызывает пропорциональное изменение анодного тока, что в свою очередь вызывает изменение анодного напряжения. С увеличением сеточного напряжения возрастает величина тока , а анодное напряжение  уменьшается. Следовательно, сеточное и анодное напряжения изменяются в противофазе и выходной сигнал сдвинут относительно входного по фазе на угол 180°.

Динамическую анодную, или нагрузочную, характеристику усилительной лампы строят следующим образом. На осях координат семейства статических анодных характеристик обозначаются две точки А и В (рис. 8). Точка А соответствует анодному напряжению  при ; точка В — анодному току  при

Рис. 8. Построение динамической анодной характеристики.

Прямая линия, соединяющая точки А и В, и будет динамической характеристикой.

Рабочая точка С расположена на статической характеристике, снятой при сеточном напряжении , и соответствует анодному напряжению . Угол наклона динамической характеристики

.

Для количественного анализа усилительных схем часто электронную лампу заменяют эквивалентным генератором.

Генератором напряжения называют такой генератор, у которого величина вырабатываемого напряжения не зависит от потребляемого тока. К реальным генераторам напряжения относятся такие, у которых внутреннее сопротивление намного меньше сопротивления нагрузки.

У идеального источника тока величина потребляемого тока не должна зависеть от сопротивления нагрузки, подключенного к его зажимам. К реальным генераторам тока относятся такие, у которых внутреннее сопротивление намного превышает сопротивление нагрузки. Если источник переменного напряжения с амплитудой  включить непосредственно в анодную цепь усилителя (вместо лампы), то возникший переменный ток будет намного меньше, чем действующая величина переменной составляющей анодного тока . Для получения тока с амплитудой  необходимо увеличить напряжение источника во столько раз, во сколько изменение сеточного напряжения сильнее влияет на анодный ток, чем изменение анодного напряжения, т. е. в  раз. Поэтому источник напряжения должен вырабатывать э. д. с, равную . Внутреннее сопротивление лампы учитывается включением в эквивалентную схему сопротивления, равного .

На рис. 9 показана эквивалентная схема анодной цепи усилителя (рис. 6), учитывающая действие только переменных составляющих напряжений и токов, поэтому в нее не включен источник постоянного анодного напряжения. В рассматриваемой схеме общим электродом лампы для анодной и сеточной цепей является катод, поэтому она называется схемой усилителя с общим катодом.

Включив источник входного сигнала в разрыв катодного проводника, можно получить схему с общей сеткой (рис. 10, а).

В усилителе с общим анодом (катодном повторителе) нагрузочное сопротивление  включено в катодную цепь лампы (рис. 10, б).

4.Усилители на транзисторах

В транзисторном усилителе управляемой является коллекторная цепь, а управляющей — базовая.

На рис. 11 показана схема простейшего усилителя на транзисторе типа р-п-р. В коллекторной цепи транзистора имеется источник питания , сопротивление нагрузки  и разделительный конденсатор .

	Рис. 11. Схема простейшего усилителя транзисторе (с общим эмиттером).

В базовую цепь включены два источника: источник переменного напряжения с амплитудой  и источник постоянного напряжения смещения  Назначение источника смещения в транзисторном усилителе отличается от аналогичного источника в ламповом усилителе. При токе базы  в коллекторной цепи транзистора протекает настолько незначительный ток, что практически транзистор можно считать запертым. Если бы в базовой цепи отсутствовал источник смещения, то в положительные полупериоды входного напряжения транзистор запирался бы (режим В) и возникали большие нелинейные искажения. Полярность напряжения смещения такова, что оно отпирает транзистор, т. е. служит для создания начального коллекторного тока, что необходимо для режима А. Напряжение  изменяется пропорционально входному сигналу и в коллекторной цепи происходит пропорциональное изменение тока . Ток  создает на сопротивлении  пульсирующее напряжение. Разделительный конденсатор  пропускает на выходные клеммы только переменную составляющую коллекторного напряжения. Подбирая соответствующие величины ,  и тип транзистора, можно получить на выходных клеммах усилителя переменное напряжение, во много раз превышающее амплитуду .

Так как эмиттерный переход транзистора при работе усилителя всегда открыт, то во входной цепи протекает ток  и, следовательно, источник входного напряжения всегда расходует мощность. При одновременном воздействии на участок база — эмиттер двух напряжений  и  в цепи базы протекает пульсирующий ток. Постоянную составляющую создает источник смещения, а переменную — источник входного напряжения. Мощность, потребляемая от источника входного сигнала, , где  и  амплитудные значения тока и напряжения в цепи базы.

Полезная мощность, выделяемая в коллекторном нагрузочном сопротивлении усилителя, , где и амплитудные значения переменных составляющих коллекторного тока и напряжения.

Коэффициент усиления по мощности

;

коэффициент усиления по напряжению ; коэффициент усиления по току. Следовательно,

.

Приближенно можно считать, что величина  равна коэффициенту усиления тока базы :

, а ,

где  — эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора;  — сопротивление участка база — эмиттер транзистора.

С учетом этих выражений коэффициент усиления по мощности

 .

В современных усилителях величина  достигает больших значений (сотни и тысячи).