Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 29 страниц)

Что такое вакуумный триод?

Это вакуумный прибор (рис. 4.40) стремя электродами: катодом, сеткой и анодом, обладающий свойством усиления электрического сигнала. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне с вакуумом внутри.

Рис. 4.40. Условное графическое обозначение триода: общее (а) и с косвенным накалом (б)

Катод триода, накаливаемый непосредственно или косвенно с помощью подогревателя, через который протекает ток накала, эмиттирует электроны на основе эффекта термоэмиссии. Количество эмиттерных электронов зависит, в частности, от материала катода и мощности накала. Анод улавливает электроны, излученные катодом. Потенциал анода должен быть положительным относительно катода.

Число попадающих на анод электронов тем больше, чем больше положительный потенциал анода (анодное напряжение). Электроны создают в цепи анода анодный ток. Сетка триода, часто называемая управляющей сеткой, является электродом, расположенным между катодом и анодом. Она имеет форму спирали, навитой из тонкой проволоки. Сетка воздействует на распределение электрического поля между катодом и анодом, в результате чего изменяется число электронов, попадающих на анод, и соответственно сила анодного тока. Сетка обычно имеет отрицательный потенциал относительно катода.

Триоды применяются в качестве усилительных ламп низкой и высокой частоты, малой и большой мощности, а также в качестве генераторных ламп. По сравнению с транзисторами триоды имеют следующие недостатки: большие габаритные размеры, необходимость использования напряжения накала, большое напряжение питания. Достоинствами триодов являются возможность работы с большими токами, высокими напряжениями, малая чувствительность к температуре и ее изменениям, устойчивость к искрению. В маломощных схемах триоды вытеснены транзисторами и интегральными микросхемами.

На каком принципе триод усиливает электрические сигналы?

Сетка расположена к катоду ближе, чем анод, и благодаря этому она значительно сильнее воздействует на количество электронов, доходящих до анода и образующих анодный ток. Небольшое увеличение сеточного напряжения (от —3 до —2 В) вызывает большой рост анодного тока (от 10 до 20 мА), а небольшое уменьшение напряжения на сетке (от —3 до —4 В) дает заметное снижение анодного тока. Изменение анодного тока вызывает изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, находящемся в цепи анода. Изменение падения напряжения на этом сопротивлении во много раз больше, чем изменение напряжения на сетке, а это означает, что в триоде имеет место усиление по напряжению.

Триод обеспечивает также большое усиление по току, поскольку управление в цепи сетки осуществляется напряжением (ток сетки в рабочей точке для усилительной схемы пренебрежимо мал).

Как обозначают токи и напряжения в схемах на лампах?

Их обозначают обычно по тем же принципам, что и на транзисторных схемах, с той лишь разницей, что используются другие буквенные обозначения электродов: анода (А, а), катода (К, к) и сетки (С, с).

В каких схемах триод работает как усилитель?

Триод может работать в трех основных схемах включения, имеющих свои аналоги в транзисторных схемах (рис. 4.41): схема с общей сеткой (ОС) – аналог схемы ОБ, схема с общим катодом (ОК) – аналог схемы ОЭ, схема с общим анодом (ОА) называется катодным повторителем – аналог схемы ОК эмиттерного повторителя. Наиболее часто используемой типовой схемой является схема ОК.

Рис. 4.41. Основные схемы включения триода:

_{а – с общей сеткой; б – с общим катодом; в – с общим анодом}

Какими параметрами характеризуется триод?

Анодный ток триода I_а зависит от анодного U_а и сеточного напряжений U_с. Для маломощного триода анодный ток обычно равен 5—15 мА. Анодные напряжения обычно лежат в пределах 100–300 В. Сеточные напряжения находятся в диапазоне —1…—10 В. Напряжение накала составляет от нескольких до 10–20 В, ток накала обычно меньше 0,5 А, мощность накала для маломощных триодов составляет несколько ватт.

Наиболее полно триод характеризуют три параметра: внутреннее сопротивление, крутизна, коэффициент усиления.

Внутреннее сопротивление триода, или анодное сопротивление, выражается формулой

Обычно его приводят в килоомах.

Крутизна характеристики лампы обозначается как S, выражается формулой

и приводится в миллиамперах на вольт.

Коэффициент усиления обозначается через μ и выражается как

Коэффициент μ является безразмерной величиной. Знак минус означает, что для поддержания постоянного значения I_а приращения ΔU_а и ΔU_с должны быть разного знака. Для трех основных параметров триода существует зависимость μ = R_i·S.

Указанные параметры можно определить непосредственно (измерением) либо на основе статических характеристик триода. Их значения зависят от выбора рабочей точки.

Уравнение анодного тока триода можно записать в следующем виде:

I_a = (1/R_i)·U_a + S·U_c = (E_a/R_a)– (U_a/R_a)

Для типовых маломощных триодов имеем следующие параметры:

R_i = 1—50 кОм; S = 2—15 мА/В; μ = 5-100.

Что можно сказать о триоде как элементе схемы?

Триод является нелинейным активным элементом схемы, параметры которого зависят от условий работы, в основном от постоянных напряжений и токов в схеме, т. е. от рабочей точки и частоты. По сравнению с транзистором триод характеризуется меньшей зависимостью параметров от условий работы, в частности зависимость параметров триода от уровня сигнала является значительно меньшей, чем у транзисторов. Вид эквивалентной схемы зависит от схемы включения триода (ОА, ОК или ОС). Как правило, эквивалентные схемы представляют в виде физических моделей. Эквивалентные схемы для режима малого сигнала используются реже, поскольку физическая модель триода оказывается вполне достаточной как для малых, так и для больших сигналов. Кроме того, образующие эту модель элементы почти не зависят от уровня сигнала. Значения емкостей и индуктивностей, входящих в физическую модель, также почти не зависят от частоты, их реактивное сопротивление является функцией частоты.

По сравнению с биполярным транзистором триод как элемент схемы отличается значительно более высокими входным и выходным сопротивлениями.

Что такое схема ОК и каковы ее свойства?

Схема ОК является типовой схемой работы триода. В этой схеме сигнал подводится между сеткой и катодом, а нагрузка включается между анодом и катодом (рис. 4.42,а). В эквивалентной схеме (рис. 4.42,б) содержатся три междуэлектродные (внутриламповые) емкости С_ск, С_ак, С_са. Их значения зависят от конструкции лампы, формы и размеров отдельных электродов. Обычно они лежат в пределах 2–6 пФ. Емкость С_ас меньше «видимой» со стороны генератора, т. е. входной емкости (динамической). Она выражается следующей формулой:

C_вх = С_ск + С_са·(1 + К_u)

где К – усиление триода по напряжению в данной схеме. Выходная емкость триода также увеличивается при росте усиления.

Рис. 4.42. Триод в усилительной схеме с ОК (а) и его физическая модель (б)

Свойства схемы ОК аналогичны со схемой ОЭ с тем отличием, что численные значения коэффициента усиления и сопротивлений другие. Важным свойством, типичным для триода, является зависимость входной и выходной емкости от усиления по напряжению.

Каковы статические характеристики триода в схеме с ОК?

Типичными статическими характеристиками триода являются: анодная характеристика (рис. 4.43, а) – зависимость анодного тока от анодного напряжения U_а при постоянном значении напряжения U_с, т. с. I_а = f(U_а) при U_c = const; анодно-сеточная характеристика (рис. 4.43, б) – зависимость анодного тока от сеточного напряжения при постоянном напряжении U_a, т, е. I_а = f(U_c) при I_а = const; проходная характеристика – зависимость анодного напряжения от сеточного U_c при постоянном анодном токе, т. е. U_а = f(U_c) при I_а = const.

Как видно из семейств анодных характеристик, анодный ток быстро возрастает при небольшом увеличении сеточного напряжения. При росте анодного напряжения он также растет, но не столь быстро. Ток не достигает уровня насыщения из-за использования оксидных катодов. Однако это не означает, что ток, протекающий через лампу, может быть произвольно большим. Существуют ограничения максимального тока с точки зрения как срока службы катода, так и максимальной мощности, которая может быть введена в лампу. Максимальные токи указываются в справочниках.

Из сеточной характеристики видно, что при небольших положительных напряжениях на сетке начинает протекать сеточный ток.

Значение этого тока зависит от анодного напряжения. Появление сеточного тока является нежелательным явлением и вызывает искажения выходного сигнала, поэтому рабочую точку лампы, работающей в качестве усилителя, следует выбирать таким образом, чтобы работа происходила без сеточного тока даже при небольших амплитудах входного сигнала[15]15
  Это не относится к резонансным усилителям, которые могут давать малые искажения даже при заходе в область сеточных токов.


[Закрыть].

Рис. 4.43. Статические выходные (а) I_а = f(U_а)) и передаточные (характеристики (б) U_c= const при I_а = f(U_c)

Что такое схема ОА и каковы ее свойства?

Схему включения триода ОА часто называют катодным повторителем. Входной сигнал подается между сеткой и анодом, а нагрузку включают между катодом и анодом (см. рис. 4.41, в).

На основе эквивалентной схемы можно показать, что входная емкость относительно мала. Мало также выходное сопротивление (R_вых ~= 1/S), в то же время очень велико входное сопротивление. Усиление по напряжению схемы ОА несколько меньше единицы.

Схему ОА часто применяют в качестве трансформатора сопротивлений благодаря высокому входному сопротивлению этой схемы (около 1 МОм) и малому выходному сопротивлению (около 76 Ом). Коэффициент передачи по напряжению такого «трансформатора» близок к. единице; малые емкости схемы ОА позволяют пропускать широкую полосу частот.

Что такое схема ОС и каковы ее свойства?

В триодной схеме ОС входной сигнал подводится между сеткой и катодом, а нагрузка включается между анодом и сеткой (см. рис. 4.41, а).

Можно показать, что выходная емкость схемы ОС относительно мала, а выходное сопротивление велико. Большим достоинством схемы ОС является очень малая емкость между входом и выходом, что особенно ценно при работе с высокочастотным сигналом. Входное сопротивление схемы ОС мало (R_вх ~= 1/S) и равно примерно 200 Ом. Усиление схемы по напряжению ближе к получаемому в схеме ОК, тогда как усиление по току примерно равно единице. Схема ОС находит применение в диапазоне высоких частот.

Как выбирают рабочую точку триода?

Рабочую точку триода выбирают так же, как и у транзистора. На семействе статических характеристик I_а = f(U_а) строят нагрузочную прямую. Положение рабочей точки выбирают так, чтобы получить соответствующую линейность выходного колебания без захода в область, в которой протекает сеточный ток, и не превысить допустимую мощность потерь на аноде. Это – наибольшая допустимая мощность рассеяния. Она равна произведению тока I_а и напряжения на аноде U_а, ее значение (около 1 Вт) указано в справочниках. При выборе рабочей точки следует также помнить о том, что нельзя превышать максимальных значений анодного тока напряжения, указанных заводом-изготовителем.

Как подается смещение на электроды триода?

Напряжения смещения подаются на электроды триода проще, чем у транзисторов. Для смещения триода, так же как и транзистора, в общем достаточно одного источника постоянного напряжения (положительного) стой лишь разницей, что напряжение должно быть намного больше, чем напряжение источника питания транзистора (около 200 В). Кроме того, в большинстве случаев нет необходимости в использовании стабилизирующих схем, так как работа триода очень слабо зависит от температуры окружающей среды.

Пример типичной триодной схемы с цепью питания приведен на рис. 4.44, а. На анод подается положительное напряжение, подключаемое через сопротивление нагрузки. Это последовательное питание анода, при котором анодное напряжение уменьшается по сравнению с источником на значение падения напряжения на этом сопротивлении. Иногда анод питают непосредственно от источника. Минуя сопротивление нагрузки, как это показано, например, на рис. 4.44, б.

Рис. 4.44. Последовательная (а) и параллельная (б) схема питания анода триода

Сетка триода должна иметь отрицательный потенциал по отношению к катоду, поэтому берут источник небольшого отрицательного напряжения. Однако в большинстве случаев используют автоматическое смещение, не требующее применения дополнительного источника. Для этого в цепь катода триода включают резистор R_к, на котором возникает падение напряжения, связанное с протекающим через лампу анодным током. Это падение напряжения имеет такой знак, при котором катод лампы смещается положительно относительно массы. Соединение сетки с массой через резистор R_c равнозначно отрицательному смещению сетки относительно катода. На резисторе R_c не возникает падения напряжения, если лампа работает без тока сетки. Однако резистор R_c необходим для работы лампы, поскольку через него замыкается цепь сетка – катод. Сопротивление резистора R_c обычно равно 1 МОм. Сопротивление резистора R_к составляет от нескольких сотен омов до 10–20 кОм. Для того чтобы переменные колебания не создавали на резисторе R_к падения напряжения, его шунтируют конденсатором. В противном случае возникает отрицательная обратная связь (см. гл. 8), снижающая коэффициент усиления.

Следует помнить, что описанный способ подачи смещения на сетку не удается применить для биполярного транзистора из-за противоположного знака напряжения, требуемого для смещения базы относительно эмиттера.

На чем основана работа триода в диапазоне высоких частот?

При работе транзистора в диапазоне высоких частот существенную роль играют междуэлектродные емкости и индуктивности вводов электродов (особенно катода), которые в диапазоне средних и низких частот малы и ими можно пренебречь. Большое значение имеет также время пролета электронов между катодом и анодом, влияющие на входную проводимость лампы.

Для работы в диапазоне высоких частот конструируют специальные триоды (с плоскими электродами), работающие на частотах до 6 ГГц.

Как работает триод в режиме переключения при большом сигнале?

Триод как элемент, используемый в режиме ключа (при переключении), в общем создает меньше трудностей, чем биполярный транзистор. Его существенным преимуществом является работа без сеточного тока, благодаря чему не появляется нагрузка для управляющего источника и управление по напряжению не встречает трудностей. Кроме того, не возникают явления, связанные с рекомбинацией и накоплением зарядов, благодаря чему легче удается получить форму выходного колебания, близкую к форме входной. Некоторое уменьшение крутизны фронтов может возникнуть из-за междуэлектродных емкостей. Недостатком триода как переключателя является необходимость использования большего управляющего сигнала, чем для транзистора, а также относительно высокое внутреннее сопротивление во время протекания тока. На этом сопротивлении возникает относительно большое падение напряжения, снижающее падение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Триод является элементом, который не создает трудностей при работе с большим сигналом. При питании анода напряжением, равным, например, 280 В, получают выходные сигналы с амплитудой около 100 В. Кроме того, гораздо легче достичь относительно больших мощностей, чем от полупроводниковых элементов. Для сверхмощных триодов (около нескольких сотен киловатт) применяют специальное охлаждение.

Какие шумовые свойства имеет триод?

Источником шумов в триоде является прежде всего эмиссия электронов из катода. Шумы имеют флуктуационный (стохастический) характер. Шумы в схеме с триодом зависят, в частности, от сопротивления управляющего источника и ширины полосы пропускаемых частот. В общем шумы устройств на триодах больше, чем шумы устройств на современных транзисторах, особенно в диапазоне дециметровых волн.

Глава 5
ДРУГИЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Что такое меза-транзистор?

Это транзистор, выполненный таким образом, что на пластинке полупроводника, образующей коллектор, с помощью диффузии создается область базы, а на поверхности пластины напыляются выводы базы и эмиттера в виде полосок (рис. 5.1). Избыток материала, непосредственно не прилегающий к области базы, удаляется путем травления. Название «меза» (от испанского – стол) связано с характерной формой транзистора, сделанного этим методом. Существуют меза-транзисторы, выполненные на основе эпитаксиальных пленок и характеризующиеся очень узкими р-n переходами. Меза-транзисторы имеют высокую граничную частоту (несколько сотен мегагерц), особенно в эпитаксиальном исполнении, и также могут иметь большую выходную мощность.

Рис. 5.1. Структура диффузионного меза-транзистора

Что таксе планарный транзистор?

Это диффузионный транзистор плоской конструкции, в котором оба перехода выполнены методом диффузии и расположены на одной и той же стороне кремниевой пластины (рис. 5.2). Поверхность такого транзистора покрыта тонким защитным слоем двуокиси кремния, благодаря чему обеспечивается высокое постоянство параметров во времени, в частности малые токи утечки и высокая надежность.

Рис. 5.2. Структура планарного транзистора

_{(1 – слой двуокиси кремния)}

Что такое однопереходный транзистор?

Это транзистор с одним переходом, созданный путем вплавления стерженька из p-материала (алюминий) в монокристаллическую пластинку из материала n-типа (кремнии). К пластинке присоединены два вывода, играющие роль баз, стерженек, расположенный несимметрично относительно база – эмиттер. Такой транзистор называют также двухбазовым диодом (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Структура однопереходного транзистора (а) и его графическое изображение (б):

_{1 – стержень р-типа; 2 – р-n-переход: 3 – пластина n-типа; 4 – омические контакты}

Сопротивление между базами составляет около нескольких тысяч ом. Обычно база Б₂ смещена в положительную сторону относительно базы Б₁. При подведении к эмиттеру соответствующего положительного напряжения протекает большой ток эмиттера (при небольшом падении напряжения между эмиттером Э и базой Б₁). При этом на эмиттерной характеристике транзистора наблюдается область отрицательного сопротивления (рис. 5.4), благодаря чему однопереходный транзистор находит применение в генераторах и триггерах, а также в цепях регулирования. В области отрицательного сопротивления осуществляется очень быстрое переключение.

Рис. 5.4. Статическая характеристика однопереходного транзистора

_{(1 – область отрицательного сопротивления)}

Что такое полевой транзистор с двумя затворами?

Это полевой МОП транзистор с каналом типа n (или р) с двумя затворами, управляющими током стока (рис. 5.5). При таком решении в схеме с общим источником достигается хорошая развязка входных и выходных цепей, что позволяет транзистору работать в качестве усилителя высокой частоты до частот около 1000 МГц. При этом трудности, связанные с обратным проникновением сигналов, не возникают. Полевые транзисторы с двумя затворами часто применяют в смесителях в диапазоне высоких частот.

Рис. 5.5. Структура полевого транзистора с двумя затворами с каналом n-типа (а) и его условное графическое обозначение (б):

_{1 – изолирующий слой; 2 – подложка р-типа; 3 – исток n; 4 – островок; 5 – сток n}

Что такое транзистор с неоднородной базой?

Это планарный транзистор, в котором между базой и коллектором располагается i-слой собственного полупроводника. При этом уменьшается область, обедненная носителями (вблизи перехода коллектор – база) при обратном смещении коллектора, сокращается время пролета носителей на участке база – коллектор и тем самым достигается увеличение максимальной частоты транзистора. Графическое изображение транзисторов с неоднородной базой представлено на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Условное графическое обозначение транзистора с неоднородной базой типа p-n-i-p (а) и р-n-i-n (б)

Что такое фототранзистор?

Это трехслойный полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами и тремя или двумя выводами, в котором выходной ток изменяется с помощью внешнего облучения (освещения) и электрического сигнала, подводимого к транзистору. Освещение влияет на сопротивление области эмиттер – база. Фототранзистор обладает большей чувствительностью, чем фотодиод, и находит применение в измерительных схемах и автоматике. Существуют также полевые фототранзисторы, работающие с очень малыми входными токами и малыми шумами.