устройство, предназначенное для усиления
электрических (электромагнитных)
колебаний в системах многоканальной связи, радиоприёмной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. Такое усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания У. э. к.) в результате воздействия на него усиливаемых
колебаний через усилительный элемент - чаще всего
Транзистор, электронную лампу (См.
Электронная лампа)
, Туннельный диод, параметрический диод,
Вариконд или индуктивности катушку (См.
Индуктивности катушка) с сердечником из ферромагнитного материала и др. При этом существенно, что управляемая мощность
P0 (источника питания) заметно превышает управляющую
P1 (источника усиливаемых
колебаний), называется входной мощностью (
рис. 1). Часть
P0, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), именуется выходной мощностью
P2 В отличие от пассивной цепи, т. е. цепи, не содержащей источника энергии, например трансформатора электрического (См.
Трансформатор электрический)
, коэффициент усиления мощности (коэффициент передачи) У. э. к.
Kp = P2/ P1>1
. Наряду с усилением мощности У. э. к. способен усиливать напряжение и ток источника
колебаний, что оценивается коэффициентом усиления напряжения
Ku = U2/
U1 и коэффициентом усиления тока
Ki = I2/
I1 (
U1, I1 и
U2, I2 - напряжение и ток соответственно на входе и выходе У. э. к.).
В одних приборах (например, лабораторных генераторах
электрических колебаний) У. э. к. используется для усиления гармонических
колебаний (См.
Гармонические колебания)
, в других (например,
Радиоприёмниках)
- для усиления сигнала сложной формы, представляющего собой сумму множества гармонических
колебаний с разными частотами и амплитудами. В оощем случае У. э. к. служит для повышения уровня сигналов различного вида, которое оценивается прежде всего величиной
Kp. Простейший У. э. к. выполняют на 1 усилительном элементе. При необходимости получения
Kp, большего, чем такой У. э. к. может обеспечить, применяют более сложный У. э. к., содержащий несколько каскадов усиления (См.
Каскад усиления)
.
В транзисторных У. э. к., собранных на биполярных транзисторах или полевых транзисторах (См.
Полевой транзистор)
, в зависимости от того, какой из выводов усилительного элемента является общим для входа и выхода усилительного каскада, различают каскады с общим эмиттером или истоком (
рис. 2, а и б), с общей базой или затвором (
рис. 2, б и г) и с общим коллектором или стоком. В У. э. к. на биполярных транзисторах из-за наличия входного тока на управление транзистором приходится затрачивать определённую мощность. Этот недостаток в меньшей мере присущ каскадам с общим эмиттером (обладающим сравнительно большим входным сопротивлением - до нескольких
ком)
, в большей - каскадам с общей базой (десятки
ом)
. Кроме того, первые обеспечивают
Kp, на порядок больший, чем вторые (несколько тыс.), что является их основным преимуществом. Каскады с общей базой, однако, более устойчивы в работе, менее критичны к изменениям температуры или смене транзистора, вносят весьма небольшие нелинейные искажения; они используются преимущественно в оконечных ступенях мощных У. э. к. Полевой транзистор по своим основным параметрам (крутизне характеристик, входному сопротивлению, напряжению отсечки и др.) - весьма близкий аналог электронной лампы, используемой в ламповых У э. к. (по способу использования электродов ей аналогичны как полевой, так и биполярный транзисторы: катоду соответствуют исток и эмиттер, сетке - затвор и база, аноду - сток и коллектор). Это позволяет применять результаты исследований ламповых каскадов с общим катодом, сеткой или анодом к соответствующим каскадам на полевых транзисторах.
Всякий У. э. к. характеризуется полосой пропускания (См.
Полоса пропускания) частот. Если нижняя граничная частота полосы сколь угодно близка к нулю, имеем
Постоянного тока усилитель, если же она отделена от нуля конечным интервалом, -
усилитель переменного тока (таков, например,
Видеоусилитель)
. Различают селективные (избирательные) и апериодические (неизбирательные) У. э. к. К селективным относятся усилители
колебаний принимаемой (высокой) и промежуточной частот радиоприёмника; первые обычно содержат каскады с колебательными контурами (См.
Колебательный контур) (или
Резонаторами)
, настроенными на одну и ту же частоту, вторые - полосовые электрические фильтры (См.
Фильтр электрический)
, позволяющие приблизить форму амплитудно-частотной характеристики (См.
Амплитудно-частотная характеристика) У. э. к. к идеальной (прямоугольной). В группу апериодических У. э. к. входят усилители звуковой частоты, видеоусилители, усилители импульсных сигналов и др.
Примеры практического использования У. э. к. Усилитель промежуточной частоты радиоприёмного устройства в одних вариантах содержит несколько каскадов с двухконтурными (рис. 3) или более сложными электрическими фильтрами, в других он может представлять собой апериодический усилитель с высокоселективными системами во входной и выходной цепях.
В мощных радиопередающих устройствах находит применение ламповый
усилитель ВЧ. В оконечном каскаде такого У. э. к. (
рис. 4) нагрузкой служит передающая антенна, обычно связанная с усилителем посредством
Фидера
.
В транзисторных усилителях систем многоканальной связи ширина полосы зависит от числа телефонных каналов: при 300 каналах она лежит в пределах 60-1300
кгц, при 1920 - верхняя граница приближается к 9
Мгц, при 10800 - к 60
Мгц. Например,
усилитель на 300 каналов (
рис. 5) обычно содержит 3 каскада с общим эмиттером, охваченных глубокой смешанной обратной связью (См.
Обратная связь) (последовательно-параллельной по входу и выходу), позволяющей получить достаточно высокую выходную мощность и удовлетворить весьма жёстким требованиям, предъявляемым к допустимому уровню нелинейных искажений в системах дальней телефонной связи. При помощи такой обратной связи удаётся также реализовать не зависящие от усилительных свойств каскадов входное и выходное сопротивления и притом таких значений, которые обеспечивают
Согласование с подключенными к У. э. к. линиями, например коаксиальными кабелями (См.
Коаксиальный кабель)
.
Транзистор T4, включенный по схеме с общей базой, соединён последовательно с транзистором T3, образуя с ним т. н. каскодный усилит. каскад (с широкой полосой пропускания и повышенной линейностью).
Операционный
усилитель, применяемый для выполнения определённых математических операций - суммирования, дифференцирования, интегрирования и т.д., - представляет сооой
усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления
KU (достигающим 10
5), обычно в интегральном исполнении (см.
Микроэлектроника)
. В комплексе с внешними элементами, образующими цепь обратной связи, операционный
усилитель получил название решающего усилителя (См.
Решающий усилитель)
, он используется в вычислительной технике. В операционном усилителе (
рис. 6) имеются неинвертирующий вход (обеспечивающий в процессе усиления совпадение полярностей поданного на него сигнала и сигнала на выходе) и инвертирующий (полярность изменяется на противоположную). Это свойство придаёт усилителю его первый каскад, выполненный по т. н. дифференциальной схеме, реагирующей на разность входных напряжений (в результате сигналы с разной полярностью складываются, а с одинаковой - вычитаются и при столь большом
KU практически не влияют на выходной сигнал). Инвертирующий вход обычно используется и для создания отрицательной или частотно-зависимой обратной связи.
Усилитель звуковой частоты, используемый, например, при звукоусилении (См.
Звукоусиление)
, обычно заканчивается двухтактным каскадом усиления.
Такой каскад содержит 2 усилительных элемента, работающих со сдвигом фаз (См.
Сдвиг фаз) усиливаемых
колебаний на 180°. Для возбуждения двухтактного каскада, состоящего из однотипных усилительных элементов (например, транзисторов
р - п - р -типа), используют фазоинверсный предоконечный каскад
(Фазоинвертор) или трансформатор, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки (
рис. 7); каскад, содержащий разнотипные элементы (т. н. комплементарные структуры, например транзисторы
р - n - р- и
n - р - n -типов), возбуждается от источника однофазного напряжения, т. е. от обычного однотактного каскада, и в этом случае отпадает необходимость применения трансформатора. По сравнению с однотактным каскадом двухтактный позволяет получать гораздо большую выходную мощность с меньшими нелинейными искажениями. Распространены бестрансформаторные У. э. к. звуковой частоты на транзисторах: одиночных комплементарных (с выходной мощностью до 1
вт) и т. н. составных (с выходной мощностью несколько десятков
вт и более). Отсутствие трансформаторов допускает изготовление У. э. к. в виде полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.
Ламповый
усилитель большой мощности используется на узлах проводного вещания (См.
Проводное вещание)
и в радиопередатчиках (в качестве модуляционного устройства). Он обычно содержит 4 двухтактных каскада, охваченных сравнительно глубокой отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений, снижения фона на выходе и получения небольшого выходного сопротивления.
Лит.: Лурье Б. Я., Проектирование транзисторных усилителей с глубокой обратной связью, М., 1965; Калихман С. Г., Левин Я. М., Основы теории расчёта радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах, М., 1969: Радиопередающие устройства, М., 1969; Цыкин Г. С., Усилительные устройства, М., 1971; Войшвилло Г. В., Усилительные устройства, М., 1975.
Г. В. Войшвилло.
Рис. 1. Структурная схема усилителя электрических колебаний: 1 - источник сигнала; 2 - усилитель; 3 - нагрузка; 4 - источник питания; е1 - источник усиливаемых колебаний; R1, R2 - эквивалентные сопротивления источника усиливаемых колебаний и нагрузки; I1, P1, U1 - соответственно ток, мощность и напряжение на входе усилителя; I2, P2, U2 - ток, мощность и напряжение на выходе усилителя; P0 - мощность источника питания.
Рис. 2. Принципиальные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах: с общим эмиттером (а), общим истоком (б), общей базой (в) и общим затвором (г); Э, К, Б - эмиттер, коллектор и база биполярного транзистора; И, З, С - исток, затвор и сток полевого транзистора; еr - источник усиливаемых колебаний; Rг, Rн - эквивалентные сопротивления входной цепи и нагрузки; Ебэ, Екэ, Ези, Еси - источники постоянного тока соответственно в цепях база - эмиттер, коллектор - эмиттер, затвор - исток, сток - исток. Название типа усилителя определяется тем, какая область (электрод) транзистора является общей для цепи источника усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.
Рис. 3. Схема каскада усилителя электрических колебаний промежуточной частоты с двухконтурной колебательной системой: T1, Т2 - транзисторы; R1-R6 - резисторы; Сб - блокировочный конденсатор; C1, C2, L1, L2 - конденсаторы и катушки индуктивности колебательных контуров; C3 - развязывающий конденсатор; Е - источник постоянного тока в цепи питания транзисторов.
Рис. 4. Схема оконечного усилительного каскада радиопередающего устройства с фильтром нижних частот: Л - электронная лампа (тетрод); А - антенна; L1, L2 и C1-C3 - катушки индуктивности и конденсаторы, образующие фильтр нижних частот; L3 - дроссель в цепи питания лампы; C4 - разделительный конденсатор; Ea и Еэ - источники постоянного тока в анодной цепи и цепи экранирующей сетки.
Рис. 5. Упрощённая схема линейного усилителя связи на 300 каналов: Tp1, Tp2 - входной и выходной трансформаторы с сердечниками из магнитодиэлектрика; T1-T4 - транзисторы; R1-R9 - резисторы; C1, C2 - конденсаторы; LCR - корректирующая цепь, служащая для обеспечения устойчивости усилителя; Eк - источник постоянного электрического тока.
Рис. 6. Структурная схема операционного усилителя: 1 - неинвертирующий вход; 2 - инвертирующий вход; 3 - общий провод; 4 - выход.
Рис. 7. Принципиальная схема транзисторного двухтактного каскада: Tp1, Tp2 - входной и выходной трансформаторы; T1, T2 - транзисторы; R1, R2 - резисторы делителя напряжения, необходимые для получения требуемого напряжения смещения на базах; Рэ - резисторы в цепи эмиттеров, предназначенные для симметрирования плеч каскада и дополнительной стабилизации режима работы каскада: Eк - источник постоянного тока.