Электронные усилители

Электронные усилители — это устройства для увеличения мощности электрических колебаний без изменения их формы при помощи электронных ламп или полупроводниковых триодов (транзисторов). Электронные усилители широко используются в биологических и медицинских исследованиях как составные части многих измерительных и регистрирующих приборов для повышения их чувствительности. Такая необходимость возникает, в частности, при измерении и регистрации биоэлектрической активности органов и тканей на осциллографах. Осциллографом называют любое устройство для регистрации колебательных процессов в координатах «отклонение — время». К промышленным приборам для регистрации электрических процессов относятся шлейфные (электронно-оптические) осциллографы, содержащие в качестве отклоняющей системы шлейфный гальванометр — петлю обратнопараллельных тонких проводов с наклеенным зеркальцем между полюсами сильного магнита. При прохождении тока петля вместе с зеркальцем поворачивается, а отраженный зеркалом луч падает на движущуюся фотопленку. Распространенные восьмишлейфные осциллографы Н-102 имеют шлейфные гальванометры с внутренним сопротивлением 2—10 Ом и чувствительностью (без усилителей) около 20 мм отклонения на 1 мА тока при частотах до 900 Гц. Аналогичными осциллографами Н-105 производят запись на широкую (120 мм) фотобумагу, причем имеется возможность использовать специальную ультрафиолетовую бумагу, дающую непосредственно видимую запись при дневном свете. Электроннолучевые осциллографы разных систем имеют в качестве основного элемента осциллографическую трубку — стеклянную колбу, с одной стороны имеющую подогревный катод (источник свободных электронов), а с другой — экран, покрытый люминофором, светящимся в точке падения электронного луча. При помощи «блока развертки» луч совершает возвратно-поступательные движения по горизонтальной линии, тогда как под влиянием исследуемых колебаний он отклоняется по вертикали. Электроннолучевые осциллографы промышленных типов имеют усилители в широко используются в медицине в качестве осциллоскопов для визуального наблюдения различных колебательных процессов, а при наличии фотоприставки — для их регистрации. Существуют осциллографы с чернильной записью и магнитописцы (специальные магнитофоны) для клинико-физиологических исследований.

Осциллографы, используемые обычно в клинико-физиологических исследованиях, требуют для полного отклонения величины в десятки и сотни вольт напряжения (электроннолучевые, электромеханические или чернильнопишущие осциллографы) или десятков миллиампер тока (электронно-оптические, или шлейфные), что в тысячи и сотни тысяч раз превышает величину биоэлектрических колебаний. Это противоречие устраняется применением электронных усилителей.

В соединении с измерительными преобразователями неэлектрических величин в электрические (см. Датчики) электронные усилители позволяют регистрировать различные и весьма слабые биофизические и биохимические реакции и процессы в живом организме (пульсовые волны, тоны и шумы сердца, насыщение крови кислородом и др.) и передавать усиленные колебания по радио или телефону (см. Телеметрия). Электронные усилители используются также в приборах для формирования и усиления электрических колебаний различной формы в целях воздействия на органы и ткани (электронные стимуляторы), а также для управления подачей световых и звуковых раздражителей (фотофоностимуляторы).

Принцип работы электронных усилителей, как и усилителей любого типа, состоит в том, что подлежащие усилению слабые колебания используются для управления потоком энергии, полученной от специального источника питания (батареи аккумуляторов, выпрямители и т. д.). В качестве управляемого элемента (переменного электрического сопротивления) служит электронная лампа, в которой расположены три металлических электрода — катод, анод и управляющая сетка. Для постоянного разогрева катода используют дополнительный источник энергии. Катод и анод лампы подключены во внешнюю цепь, содержащую источник питания и нагрузку. Усиливаемые колебания электрического напряжения подаются на входные клеммы между сеткой и катодом. При отсутствии сигнала на входе через лампу течет постоянный ток, а при изменении потенциала сетки по отношению к катоду увеличивается или уменьшается поток электронов (это равносильно изменению сопротивления лампы).

В зависимости от типа нагрузки (осциллографа) и выходной величины различают каскады (ступени) электронных усилителей: напряжения, тока и мощности. Практически с одного каскада можно получить усиление до 100— 200. При необходимости иметь большее усиление используют многокаскадные усилители, в которых выходные клеммы предыдущего каскада соединяются с входными клеммами последующего.

Получили распространение электронные усилители на полупроводниковых триодах (транзисторах). В простейшем случае схема включения транзистора аналогична схеме с электронной лампой. Во внешнюю цепь включают электроды: эмиттер (аналог катода) и коллектор (аналог анода), управляющим электродом является база (аналог сетки). Усиление по напряжению может достигать 100, а по мощности — до 1000 на один каскад. Преимуществами полупроводниковых триодов являются малые размеры, большой срок работы, отсутствие источников питания для накала (и поэтому мгновенная подготовка к работе), малое потребление энергии, что позволяет, например, изготовлять усилители и электронные стимуляторы объемом в несколько кубических сантиметров для вживления в грудную полость, сверхминиатюрные передатчики для эндорадиозондирования (см.) и других целей.

Основными характеристиками электронных усилителей являются: 1) коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов; 2) частотная и фазовая характеристики — графическое или табличное задание зависимости коэффициентов усиления и сдвига фазы колебаний от их частоты; 3) переходная характеристика — изображение формы усиленной кривой во времени при подаче на вход сигнала прямоугольной формы; 4) амплитудная характеристика — зависимость амплитуды колебаний на выходе от величины амплитуды на входе; 5) коэффициент нелинейности — отклонение амплитудной характеристики (в процентах) от прямой линии; 6) уровень шумов — величина эффективного напряжения собственных помех, отнесенного к входу усилителя.