Такая задача возникает во многих практических случаях. Одним из многочисленных примеров является радиоприемник, который получает от антенны переменное напряжение высокой частоты порядка сотен микровольт (т. е. десятитысячных долей вольта), в то время как для нормальной работы основного его элемента-детектора требуется напряжение порядка долей вольта или единиц вольт.

В современной электронной аппаратуре электрические колебания усиливаются с помощью электронных ламп-триодов, тетродов, пентодов и других многосеточных ламп.

Рис. 143. Входной II выходной сигналы . усилителя

Рис. 144. Графическое нахождение функции га(0 по заданной функции Ug(t)

Устройство электронных усилителей

Принцип триодного усиления

Если между сеткой и катодом триода приложить переменное напряжение и, то, очевидно, сила тока в анодной цепи не будет постоянной, а будет также изменяться во времени в соответствии с изменением сеточного напряжения. Чтобы найти форму кривой анодного тока, воспользуемся сеточными вольтамперными характеристиками триода (см. рис. 77). Изобразив кривую переменного сеточного напряжения на оси времени, направленной вниз, соответствующим построением получим кривую анодного тока на оси времени, направленной вправо (рис. 144).

Если в анодную цепь (рис. 145) включить сопротивление (называемое сопротивлением нагрузки), то анодный ток, протекающий через него, будет создавать между концами сопротивления разность потенциалов и (t)=i (t)R, которая изобразится

кривой рис. 146, а, по своей форме не отличающейся от кривой анодного тока {t).

Кривую напряжения mj , так же как и кривую силы тока

можно рассматривать как су.мму двух составляющих - постоянной Uo и переменной и (рис. 146, б ив). Постоянная составляющая представляет собой среднее значение кривой и

и изображается прямой, проведенной так, чтобы площадь между нею и осью времени была равна площади между кривой Uj

и осью времени. Разность между кривой и (рис. 146) и посто-

янной составляющей Uq (рис. 146, б) дает переменную составляющую напряжения на нагрузке г/. (рис. 146, в).

*д Ал

Рис. 145. Включе- Рис. 146. Напряжение на Рис. 147. Отделение ncj

ние в анодную цепь сопротивлении анодной ременной составляющей

сопротивления на- нагрузки и разложение напряжения от постоян-

грузки его на постоянную и пе- ной с помощью конден-

ременную составляющие сатора

Эту иере.менную составляющую напряжения wx легко отделить от постоянной составляющей Uq, если включить в схему конденсатор так, как показано на рис. 147. Действительно, сопротивление конденсатора постоянному току равно бесконечности и для постоянного тока цепь между точками hl и bi разорвана, поэтому .между точками bi и Ь будет существовать только переменное напряжение вых - Рассматривая схему так, как она изображена на рнс. 142, легко видеть, что напряжение вых между точками bi и 2 является выходным, а напряжение в, между точками Ui и 02 - входным. Благодаря действию конденсатора выходное напряжение не изменится, если точку 62 перенести на катод (рис. 148, а).

Форма кривой выходного напряжения совпадает с формой кривой входного напряжения (рис. 144 и 146). Покажем, что

при некоторых условиях мгновенные значения выходного напряжения по абсолютной величине больше соответствующих мгновенных значений входного напряжения.

Анодный ток в рассматриваемой схеме изменяется под действием приложенного между сеткой и катодом напряжения и. Однако точно такое же изменение анодного тока можно было бы получить, если включить в анодную цепь источник переменной э. д. с, равной [iUbx. (рис. 148). Это следует из того, что изменение сеточного напряжения в р раз больше влияет на анодньн! ток, чем изменение анодного напряжения.

Рис. 148. Перенесение э. д. с. из сеточной цепи в анодную

Следовательно, переменная составляющая анодного тока ia~, а также переменная составляющая напряжения на сопротивлении нагрузки Ывых в схемах рис. 148, а и б одинаковы. Для нахождения величины иых. и а- изобразим отдельно анодную цепь схемы рис. 148, б, причем будем принимать во вни.мание только переменные составляющие токов и напряжений и сопротивление ламп переменному току. Такая схема, называемая эквивалентной схемой усилителя, изображена на рис. 149. Таким образом, из предыдущих рассуждений следует, что усилитель, ко входу которого ириложе1ю напряжение и, можно заменить эквивалентной схемой, составленной из генератора переменной э. д. с. .Шв,( с внутренним сопротивлением Ri, равным внутреннему сопротивлению лампы, и сопротивления Ra, равного сопротивлению нагрузки.

Из эквивалентной схемы рис. 149 легко найти величину пере--меииой слагающей анодного тока

Величина =--

(43) Ra Ri

называется динамической крутизной

лампы.

Из формулы (43) следует, что

Ra + Ri

(44)

На основании этой формулы и формулы (14) .

Ri 1

Ra + Ri

(45)

Динамическая крутизна показывает отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению сеточного напряжения при наличии сопротивления R в анодной цепи; статическая крутизна S показывает ту же величину при отсутствии

сопротивления в анодной цепи. Действительно, при =

-. Зависимость

S,=.S; при;--5,-.0;при

5 от изображается кривой рис. 150, а, построенной пофор-

Ri муле (45).

Рис. 149. Эквивалентная схема усилителя

О ; 1, в Я т i? !

Рис. 150. Зависимость Л Ra

и Sd от отношения

может т. е.

Пепеменная составляющая падения напряжения на нагрузке жет быть получена из формулы (43) умножением ее на R,

Ra + Ri

(46)

Всаичина К = называется коэффициентом усиления уси-

лптеля. Из формулы (46) следует, что

Ru (47)

Ra + Ri

Коэффициент усиления усилителя показывает отношение изме неиия падения напряжения на нагрузке к вызвавшему его изменению сеточного напряжения. Он зависит от коэффициента усиления лампы ц и от отношения сопротивления нагрузки К

К внутреннему сопротивлению лампы R,. Зависимость К от -

может быть выражена кривой рис. 150, б, построенной по формуле .(47). Из кривой видно, что коэффициент усиления может

быть больше и меньше 1. При - -оо К-ц, при - =0 К = 0,

1 Ri

а при ~ = 1 К = -. Из эквивалентной схемы, кривой рис. 150, б

и формулы (47) легко уяснить назначение и роль сопротивления /?а; э. д. с. [xWbx распределяется между сопротивлениями Ri и Ri отчего вых будет тем больше, чем больше Ra по сравнению с Ri . При очень малом сопротивлении нагрузки Ra выходное переменное напряжение не будет больше входного и, следовательно, триод не будет усиливать напряжение. При R равном нулю на выходе усилителя сигнала совсем не будет.

Усилители напряжения, тока и мощности

Графики рис. 150 показывают, что с увеличением отношения

- выходное переменное напряжение ,ых увеличивается, а Ri

переменная составляющая анодного тока ia~ уменьшается (при неизменном значении входного напряжения). Следовательно, невозможно выбрать такой режим, при котором получается одновременно наибольшее выходное напряжение и наибольший выходной ток (переменный). Поэтому отношение выбирают

в зависимости от назначения усилителя. В том случае, когда требуется получить на выходе усилителя возможно большее пе-

ременное напряжение, необходимо выбирать - >1; в этом

случае усилитель называют усилителем напряжения.

Таким усилителем является, например, указанный выше усилитель в радиоприемнике, включенный между антенной и детектором. В том случае, когда требуется получить возможно большую переменную силу тока (например, для управления элект-

ромагнитом) необходимо выбирать -<1; в этом случае уси-

литель называют усилителем силы тока. Если выбрать -~\,

то получается наибольшая мощность переменной составляющей тока и в этом случае усилитель называют усилителем мощности. Это бывает необходимо, например, для возбуждения громкоговорителя радиоприемника, для питания антенны радиопередатчика, для высокочастотного нагрева металла и т. д.

Каскадное соединение усилителей Как было показано выше, коэффициент усиления усилителя не может быть больше коэффициента усиления лампы л. При необходимости получить больший коэффициент усиления к выходу данного усилителя присоединяют вход другого усилителя, к выходу второго - вход третьего и т. д. Такой составной усилитель называется многокаскадным, и каждый из составляющих усилителей - ступенью или каскадом усиления. Его коэффициент усиления К = Ki Ki.-.Kn , т. е. равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов.

Рис. 151. Схема усилителя с реостатно-емкостной связью

Различные схемы усилителей отличаются способом соединения между каскадами. Основная проблема этого соединения заключается в том, чтобы, присоединив катоды всех ламп к общему проводу (обычно к корпусу), защитить сетку последующе лампы от попадания на нее большого постоянного потенциала анода предыдущей лампы (порядка сотен вольт).

В схеме усилителя с реостатно-емкостной связью (рис. 151) для этой цели включают разделительный конденсатор Cg и сопротивление Rg. Конденсатор заряжается до напряжения, равного и противоположного по полярности постоянной составляющей анодного напряжения. В результате, по закону Кирхгофа, постоянное напряжение ка сопротивлении R, приключенном ко входу следующего каскада, равно нулю. Переменное напряжение на этом сопротивлении равно переменной составляющей анодного напряжения при условии, что постоянная времени Rg Cg выбрана достаточно большой. Действительно, при этом условии колебания анодного напряжения не успевают вызвать заряд или разряд конденсатора Cg и поэтому накопленный им заряд и пропорциональное заряду напряжение на нем почти не изменяются. Следовательно, переменное напряжение на конденсаторе Cg почти равно нулю и, согласно закону Кирхгофа, напряжение на сопротивлении Rg (т. е. на входе следующего каскада) почти равно переменной составляющей анодного напряжения.

В схеме усилителя с трансформаторной связью между сеткой и анодном двух соседних каскадов отсутствует связь по постоянному току, а переменная э. д. с. между сеткой и катодом после-