Активные приборы для усиления электрических сигналов

Для усиления электрических сигналов ныне используется три типа электронных приборов:

• Вакуумные приборы - электронные лампы
  
• Полупроводниковые приборы - в основном транзисторы различных типов и видов
  
• Интегральные микросхемы (ИС) - законченные функциональные устройства, содержащие от нескольких десятков до нескольких миллионов (и больше) транзисторов

Многим кажется, что лампусики уже неиспользуются, т. к. их время уже ушло, однако, это вовсе не так. В некоторых типах устройств применение транзисторов (тем более ИС) невозможно. К транзисторным усилителям относятся устройства, выполненные как на биполярных, так и на полевых транхзисторах, а также их комбинации. Ну и проще всего построить усилитель на специализированной микросхеме, коих сейчас превеликое множество.

Что же из себя представляет электронная лампа? Конструктивно лампа представляет собой стеклянный баллон с глубоким вакуумом, внутри которого расположен ряд электродов. Для тех, кто в танке, вакуум - это по сути пустота, т. е. ничего. Другими словами, из чего-либо выкачивается весь воздух и там остается пустота, т. е. вакуум. В вакууме электроны распространяются беспрепятственно. Простейшая лампа - это диод (ди- по-русски означает два). Диод содержит два электрода - анод и катод, разогреваемый нитью накала. Катод покрыт специальным веществом, способствующим излучению электронов. Если к аноду приложить отрицательное напряжение, то электроны, обладающие отрицательным зарядом, будут отталкиваться от него и в цепи "катод-анод" тока не будет. При положительном напряжении на аноде электроны притягиваются к нему, и ток протекает. Чем выше напряжение на аноде, тем выше ток.

Диод не в состоянии усиливать ток. Другими словами, диод не может управлять током анода. Как-то давно Ли де Форест воткнул между анодом и катодом (ближе к катоду) ещё один электрод - сетку. Получилась трехэлектродная лампа - триод. На сетку подают отрицательное напряжение и чем оно выше, тем меньшая часть электронов проходит к аноду, чем меньше напряжение на сетке, тем больше электронов долетают до анода. Другими словами, напряжением на сетке управляют анодным током. На рис. 1 показана схема включения триода.

Рис. 1 - Схема включения триода

На рисунке 2 представлено семейство выходных ВАХ триода. Выходные ВАХ - это зависимость анодного тока I_а от анодного напряжения U_а для ряда фиксированных напряжений на сетке. А семейством называется потому, что таких зависисмостей множество.

Рис. 2 - Семейство выходных характеристик триода

Как видно, кривые семейства выходных характеристик имеют заметный наклон, характеризующийся для каждой точки любой кривой выходным сопротивлением лампусика:

Помимо этого, лампы характеризуются еще двумя параметрами - крутизной:

Эти параметры являются дифференциальными, т. е. малосигнальными, т. к. изменяются при малых приращениях соответствующих напряжений и токов и относятся к определенной точке, называемой рабочей (например, точка Т). Для установки рабочей точки надо задать постоянные напряжения на сетке и на аноде. Эти напряжения называются напряжением смещения.

Триоды имеют существенный недостаток - между электродами триода имеет место сильная электрическая связь, т. к. анод и сетка расположены близко друг от друга. Поэтому электрическое поле анода влияет на поле сетки. Другими словами, это взаимодействие проявляется как внутренняя отрицательная обратная связь (ООС). Она (ООС) и обуславливает рост анодного тока с ростом напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке. Благодаря этому триоды имеют низкое внутреннее сопротивление R_i.

Для увеличения внутреннего коэффициента усиления в лампу была введена дополнительная экранирующаяя сетка, на которую подается большое постоянное напряжение положительной полярности. Она экранирует управляющую сетку и предотвращает влияние электрического поля анода на электрическое поле управлдяющей сетки. Такие лампы называются тетродами (по-гречески "тетра" означает "четыре").

В последствии в лампу добавили еще одну сетку - защитную. Её назначение - отбрасывать на анод вторичные электроны, возникающие при бомбардировке анода первичными электронами. Защитная сетка подключается обычно к земле или к катоду. Первичные электроны, ускоренные полем экранирующей сетки, легко пролетают через защитную сетку, а вторичные электроны с малой энергией отбрасываются ею назад на анод. Такие лампы называются пентодами ("пента" по-гречески означает "пять").

Настоящей революцией явилось изобретение транзистора. Про устройство и физические процессы в транзисторе подробно описано здесь, схемы включения находятся здесь, про полевой транзистор читать сюда.

В отличие от ламп, транзисторы существуют двух типов проводимости, меньше по массе и габаритам. Все это в совокупности с большими токами коллектора облегчает построение усилителей с прямой (непосредственной) связью с нагрузкой. У транзисторов нет нити накаливания, потребляющей дополнительную энергию и рано или поздно сгорающей, нет и раскаленного катода, эмиссия электронов которого со временем ухудшается. Зато транзисторы больше, чем лапмпы подвержены электрическому пробою, нелинейность выходных характеристик транзисторов выражена более резко, так что при перегрузках транзисторы создают заметно большие искажения.