76. Принцип действия усилителя

Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления электрического напряжения, тока или мощности при помощи электронных ламп или полупроводниковых приборов.

Рис. 77. Однокаскадный усилитель:

а) принципиальная схема; б) схема замещения

В геофизической аппаратуре такие электронные устройства, как усилители, имеют наибольшее распространение. На сейсмостанциях они используются для усиления сейсмоколебаний. Усилители играют важную роль в электронных схемах аппаратуры радиоактивной разведки, в полевых станциях электроразведки, измерительной аппаратуре, осциллографах и т. п.

Усилитель может содержать один или несколько усилительных каскадов. Усилительный каскад состоит из усилительной лампы или полупроводникового триода и непосредственно присоединенных к ним других элементов схемы (сопротивлений, конденсаторов, трансформаторов и т. п.). В схеме простейшего однокаскадного лампового усилителя (рис. 77) в качестве анодной нагрузки включено активное сопротивление R_a. Подлежащее усилению напряжение U_вх подводится к сеточной цепи лампы.

При отсутствии I в анодной цепи лампы протекает постоянный ток I_a0, величина которого определяется анодным напряжением и постоянным напряжением сеточного смещения U_c0. Появление переменного напряжения U_вхU_c0 с амплитудой U_c1 вызывает изменение анодного тока, в котором появляется переменная составляющая с амплитудой I_a1. На зажимах сопротивления R_a создается напряжение, содержащее постоянную составляющую I_a0R_a и переменную I_a1R_a.

Последняя может быть значительно больше, чем амплитуда U_вх напряжения, поданного на вход усилителя. Путем включения конденсатора, пропускающего только переменный ток, но не пропускающего постоянный ток, можно выделить переменное напряжение с амплитудой U = I_a1R_a, которое и представляет собой усиленное напряжение U_вых на выходе усилителя.

77. Характеристики усилителей

Важнейшими показателями работы усилителя является коэффициент усиления. Коэффициент усиления напряжения или тока представляет собой комплексное число, показывающее отношение соответственно напряжения или тока на выходе усилителя к напряжению или току на выходе:

Выходной мощностью усиления  называется полезная мощность, выделяемая в нагрузочном сопротивлении, включенном на выходе усилительного устройства:

где U_вых – амплитуда выходного напряжения;

z_н – сопротивление нагрузки;

φ_н – угол сдвига фаз между током и напряжением.

Величина амплитуды переменного напряжения сигнала, поступающего на вход усилителя, может изменяться. Пределы изменений амплитуды входного напряжения или мощности при работе усилителя называются динамическим диапазоном. Верхний уровень динамического диапазона, которому соответствует максимальная мощность, ограничивается искажениями, возникающими в усилителях при больших амплитудах вследствие нелинейности характеристик электронных ламп. Нижний уровень динамического диапазона определяется величиной собственных шумов усилителя. Чтобы полезный сигнал не заглушался шумами, минимальное напряжение сигнала должно быть выше уровня этих шумов по меньшей мере на 3–10 дБ.

Собственные шумы усилителя возникают из‑за собственных шумов электронных ламп, из‑за шумов, появляющихся в элементах усилительной схемы, в сопротивлениях, из‑за пульсаций напряжения источников питания, вызывающих помехи с частотой  этих пульсаций (шумы, вызванные этой причиной, называются фоном), иззза электростатических и электромагнитных воздействий внешних цепей, вызывающих помехи в цепи усилителя.

Шумы и помехи, возникающие в первом каскаде усилителя, усиливаются всеми последующими каскадами и сильно сказываются на выходе. Шумы, возникающие в других каскадах и создающие на выходе в десятки и сотни раз меньшее напряжение, практически можно не учитывать. При работе усилитель вносит в усиливаемый сигнал искажения. Различают частотные (амплитудно‑частотные), фазовые (фазочастотные) и нелинейные искажения.

Частотные искажения возникают в результате нее постоянства коэффициента усиления на различных частотах. Их создают элементы усилителя (конденсаторы, дроссели, трансформаторы), сопротивления которых зависят от частоты. Количественно частотные искажения оцениваются при помощи коэффициента частотных искажений М, равного отношению модуля коэффициента усиления на средних частотах K₀ к модулю коэффициента усиления на данной частоте К:

В области высших частот:

а в области низших частот:

где К_В и К_н – модули коэффициентов усиления на высших и низших частотах.

Фазовые искажения возникают из‑за наличия в схеме усилителя элементов, обладающих индуктивностью и емкостью. Эти искажения проявляются в нарушении фазовых соотношений между отдельными гармоническими составляющими сложного сигнала.