Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 21 страниц)

Н. – А уменьшив нагрузку до 10 ом, мы расширили бы полосу до 1000 Мгц!

Л. – В принципе ты прав. Но я готов поспорить с тобой на что угодно, что при анодной нагрузке с сопротивлением 10 ом усиление твоей лампы по напряжению будет значительно меньше единицы.

Н. – Какой ужас! Об этом-то я и не подумал. Но скажи, пожалуйста, ведь и с нагрузкой 1 ком усиление тоже не очень большое?

Полоса и усиление

Л. – Увы! Всякая медаль имеет свою оборотную сторону. Для улучшения дела используют пентоды с большой крутизной, что позволяет и при низком сопротивлении анодной нагрузки получить не такое уже малое усиление. Кроме того, используют известные коррекции, о которых ты уже мне говорил. В частности, можно включить небольшую катушку последовательно анодной нагрузке – параллельная коррекция (рис. 40, а); можно включить эту катушку последовательно с конденсатором связи – последовательная коррекция (рис. 40, б) или применить оба вида коррекции – комбинированная коррекция (рис. 40, в). С помощью этих коррекций, если они хорошо отрегулированы, удается почти удвоить полосу пропускания.

Рис. 40. Высокочастотную коррекцию усилителя можно осуществить с помощью катушки, включенной последовательно с анодной нагрузкой (а – параллельная коррекция), катушки, включенной последовательно с цепочкой связи между двумя каскадами (б – последовательная коррекция), или с помощью двух катушек (в – комбинированная коррекция).

Н. – И до какой частоты можно дойти при использовании всех этих средств?

Л. – Без особого труда удается сделать усилители с верхней границей до 30 или 50 Мгц. Можно еще больше расширить полосу, но для этого требуется особый усилитель, получивший название «усилителя с распределенным усилением»; это своего рода длинная линия с включенной в нее лампой, но о нем мы говорить не будем.

Н. – А можно ли устранить сдвиг фазы в такой широкой полосе частот?

Л. – Это невозможно, да, впрочем, и не нужно. Достаточно, чтобы сдвиг фазы был пропорционален частоте, но это не всегда легко осуществить.

Низкие частоты

Н. – Я догадываюсь, что последует дальше: после рассказа о способах расширения полосы пропускания усилителя в сторону высоких частот вполне логично заняться расширением полосы в сторону низких частот.

Л. – Правильно. Поэтому скажи мне, что ограничивает усиление твоего усилителя на низких частотах.

Н. – Нет ничего легче! Ограничения вносят реактивные сопротивления конденсаторов, особенно конденсаторов С₁ и С₂в твоей схеме на рис. 37. конденсатор С₁ вводит отрицательную обратную связь, а С₂ плохо связывает два каскада. При желании бороться с этими неприятными явлениями я могу увеличить емкость этих конденсаторов.

Л. – Согласен, но возможности этого пути весьма ограниченны. Емкость конденсатора С₁ и так достигает нескольких микрофарад и значительно увеличить ее невозможно, даже если ты доведешь ее до 100 и особенно до 1000 мкф, то неизбежные в таких конденсаторах токи утечки могут влиять на напряжение смещения. Но перейдем к конденсатору С₂; я не советую тебе превышать 1 мкф, ибо в противном случае он станет слишком громоздким, а это приведет к значительным паразитным емкостям, не говоря уже о неизбежном токе утечки, который может сделать положительной сетку следующей лампы. Как видишь, этот путь не дает хороших результатов. Чтобы конденсатор С₁не мешал, его лучше вообще убрать.

Изменим смещение

Н. – Как так? Ведь тогда потенциал катода перестанет быть постоянным и лампа не станет усиливать.

Л. – Позволь мне внести поправку: усиление уменьшится, но лампа будет продолжать усиливать. Своими действиями мы ввели напряжение (напряжение катод – корпус, вернее его переменную составляющую), которое вычтется из входного напряжения, т. е. создастся отрицательная обратная связь. А как ты знаешь, отрицательная обратная связь снижает усиление, но одновременно уменьшает искажения и шум, а также дает нам другие выгоды.

Н. – Я высокого мнения о положительных качествах отрицательной обратной связи, но тем не менее очень прискорбно потерять часть усиления, тем более что оно и без того значительно урезано из-за применения низкоомной анодной нагрузки, позволяющей пропустить высокие частоты.

Л. – Мы можем избежать потерь. Для начала можно соединить катод лампы с корпусом, а отрицательное напряжение смещения подать на сетку лампы…

Н. – И из нашей эпохи прогресса электроники ты возвращаешь меня к первым дням истории радио.

Л. – Незнайкин, эволюция техники знает любопытные примеры возврата к прошлому. Но чтобы как-то скрасить возникшее грустное впечатление, я познакомлю тебя с современным прибором – диодом Зенера (стабилитроном).

Н. – Раз современный, значит полупроводниковый.

Л. – Твое заключение правильно, хотя и пришел ты к нему совершенно нелогичным путем. Диод Зенера представляет собой плоскостной кремниевый диод, который при подаче положительного напряжения смешения ведет себя, как все диоды из порядочной семьи: он пропускает ток при минимальном падении напряжения на диоде около 0,7 в, которое почти не зависит от проходящего по нему тока. При подаче напряжения смещения обратного знака, т. е. отрицательного, наш новый знакомый запирается, как и все другие диоды, но в отличие от них при достижении обратным напряжением некоторой величины U_з,именуемой «напряжением Зенера», обратный ток начинает очень быстро возрастать без существенного увеличения напряжения на выводах диода.

Н. – Это своего рода пробой?

Л. – О, нет! Это совсем другое явление: в диоде не возникает никаких повреждений, если только не превысили максимально допустимого относительно большого значения тока. Напряжения Зенера могут заключаться в пределах от 3 до 200 в. При этом наилучшими считаются диоды с напряжением Зенера 8 в.

Н. – Очень занятно, но какое отношение имеет этот полупроводниковый прибор к усилителям?

Л. – Незнайкин, ты просто лишился воображения. Включи такой диод между катодом и корпусом усилителя (рис. 41). Катод будет иметь положительный и почти постоянный потенциал, потому что напряжение на выводах диода Зенера практически не зависит от проходящего по диоду тока, т. е. от анодного тока. У тебя отпадает надобность в конденсаторе, а следовательно, исчезнут и низкочастотные искажения.

Рис. 41. Диод Зенера поддерживает между катодом и корпусом постоянное напряжение U_K= |U₃| (напряжение Зенера), которое не зависит от катодного тока. Этот метод катодного смещения пригоден для самых низких частот.

Н. – Вот это здорово! Любопытный пример сотрудничества полупроводниковых приборов и ламп, которые обычно выступают как смертельные враги.

Л. – Нет, Незнайкин, полупроводниковые приборы лампам не враги, и их можно заставить прекрасно работать вместе. А теперь, когда мы полностью устранили неприятности, которые чинил нам конденсатор С₁, можно заняться и конденсатором С₂.

Прямая связь

Н. – Я предполагаю, что мы и его уберем из схемы.

Л. – И ты не ошибся, но необходимо проявить осторожность. Что произойдет, если анод первой лампы соединить непосредственно с сеткой второй лампы?

Н. – Любознайкин, ведь уже давно я предложил это тебе, но ты совершенно справедливо возразил, что слишком положительная сетка следующей лампы притянула бы к себе все электроны.

Л. – Но теперь, когда я сделал катод следующей лампы еще более положительным, чем сетка, этого не случится. Предположим, что анодное напряжение для питания первой лампы равно 100 в, что напряжение на ее аноде 60 в; тогда, если мы хотим иметь напряжение смещения на сетке второй лампы -4 в, нам нужно будет подать на ее катод напряжение 64 в.

Н. – А система получилась совсем неглупая! Какова же нижняя граница усиливаемой частоты – я не вижу ничего, что могло бы ее ограничивать?

Л. – Совершенно правильно; нельзя видеть то, чего нет! Предельная частота просто равна нулю. Мы получили усилитель постоянного тока: если на вход подать постоянное напряжение, то и на выходе получим такое же.

Н. – Чудесно. Но я вижу в твоей схеме один серьезный недостаток. Напряжение на катоде второй лампы +64 в, следовательно, напряжение анода значительно выше. А если этот анод соединить с сеткой третьей лампы, положение еще ухудшится…

Связь с помощью батареи

Л. – В этом действительно заключается главный недостаток этой системы, которая применяется только для двух или максимум для трех каскадов. Но что ты скажешь о схеме на рис. 42?

Н. – Любопытно! Более или менее обычная схема, но меня удивляет эта батарея, включенная в цепочку связи между анодом Л₁ и сеткой Л₂.

Рис. 42. Батарея с напряжением 64 в позволяет соединить сетку лампы Л₂ с анодом Л₁ и передавать постоянную составляющую.

Л. – Подумай. Она поддерживает на постоянном уровне разность потенциалов между анодом Л₁ и сеткой Л₂; потенциал сетки всегда —64 в относительно анода Л₁ и, следовательно, – 4 в относительно корпуса, когда потенциал анода Л₁ относительно корпуса составляет +60 в. Поэтому катод Л₂ можно соединить с корпусом.

Н. – Очень хитро. Это прекрасное решение проблемы создания многокаскадных усилителей постоянного тока.

Л. – Но оно далеко не идеальное. Прежде всего скажем, что батареи громоздки, много весят, дорого стоят, образуют с корпусом значительные паразитные емкости, а кроме того, истощаются.

Н. – Однако они ведь не отдают никакого тока.

Л. – О, знаешь ли ты, что иногда между рекламными заявлениями и реальной действительностью – целая пропасть. На каждый каскад требуется батарея и лучше заменить батарею небольшой неоновой лампой. Взгляни на схему рис. 43.

Рис. 43. Неоновая лампа Л₃, поддерживаемая в ионизированном состоянии, подключена через резистор к источнику – Е и играет такую же роль, что и батарея на рис. 42.

Когда по маленькой неоновой лампе Л₃ протекает не очень большой ток, на ее выводах поддерживается постоянное напряжение. Сетку лампы Л₂ подключают к источнику достаточно высокого отрицательного напряжения через резистор R₂, обладающий довольно большим сопротивлением. Таким образом заставляют ток проходить через лампу Л₃, поддерживая газ в ней в ионизированном состоянии. Этот ток очень мал по сравнению с анодным током лампы Л₁; неоновая лампа играет роль батареи со схемы на рис. 42. Подобную систему применяют преимущественно в последних каскадах усилителей с прямой связью.

Н. – В принципе твоя неоновая лампа действует как диод Зенера; почему бы не заменить ее одним таким диодом?

Л. – Вообще-то можно, но в схемах с довольно высокими напряжениями и малыми токами предпочтение следует отдать не диодам Зенера, а неоновым лампам. Однако надо учесть, что они обладают одним недостатком: полученное на выводах лампы Л₃ напряжение не совсем постоянно, ибо содержит переменную составляющую (ее называют напряжением «дыхания» или «свиста»); из-за этой помехи данным способом не следует пользоваться в первых каскадах усилителей с характерными для них низкими напряжениями сигнала.

Связь с помощью делителя напряжения

Н. – Что же тогда делать с первыми каскадами?

Л. – Сейчас я расскажу тебе о методе, который годится для всех каскадов. Для облегчения восприятия воспользуюсь числовым примером. Предположим (рис. 44), что напряжение на аноде Л₁ равно +60 в.

Рис. 44. Ток, протекающий по резистору R₂, создает падение напряжения 64 в и тем самым заменяет батарею, показанную на рис. 42.

Я соединяю анод этой лампы с сеткой следующей резистором R₂ сопротивлением 1 Мом, эта сетка через резистор R₃ сопротивлением 5 Мом подключена к потенциалу – 324 в. Так как сеточный ток в лампе Л₂ полностью отсутствует, один и тот же ток протекает по резисторам R₂ и R₃ (впрочем, этот ток по сравнению с анодным током лампы Л₁ очень невелик). Падение напряжения на выводах резистора R₃ в 5 раз больше падения напряжения на резисторе R₂. Обрати внимание, что полное напряжение на цепочке из двух резисторов R₂ – R₃составляет 60 в + 324 в = 384 в. В этих условиях падение напряжения составит 64 в на R₂и 320 в на R₃, а потенциал сетки лампы Л₂ относительно корпуса будет —4 в. Как ты видишь, резистор R₂ в известной мере играет роль неоновой лампы (см. рис. 43) или батареи (см. рис. 42).

Н. – Здесь я с тобой, Любознайкин, не согласен. Падение напряжения на этом резисторе нестабильное: если потенциал анода Л₁ увеличится, то в такой же мере увеличится и падение напряжения на резисторе.

Л. – Совершенно верно, но падение напряжения изменится в 6 раз меньше, чем изменится анодное напряжение. Иначе говоря, резисторы R₂ и R₃ образуют делитель анодного напряжения с отношением 5:6. Разумеется, что в этом случае на сетке лампы Л₂ мы получим лишь 5/6 переменной составляющей с анода Л₁, но будем иметь по крайней мере 64 в постоянного напряжения. На практике, конечно, не пользуются отрицательным напряжением – 324 в, а применяют принятые значения и соответствующим образом подбирают резисторы R₂ и R₃.

Н. – Система неплохая. Создавая прямую связь, мы начали с батареи, перешли на неоновую лампу и закончили резистором, т. е. шли по пути упрощения. Но в схеме есть один элемент, который меня беспокоит; в цепи сетки лампы Л₂ последовательно включен резистор R₂ сопротивлением 1 Мом, но он неблагоприятно повлияет на усиление высоких частот.

Частотная коррекция делителя

Л. – Изображенная на рис. 44 схема, конечно, гибельна для высоких частот. Но обычно все можно благополучно устроить, включив параллельно резистору R₂ небольшой конденсатор. Конденсатор нужно подобрать таким образом, чтобы произведение его емкости на сопротивление резистора R₂ было равно произведению паразитной емкости входа лампы Л₂ С_вх на R₃, тогда влияние резистора R₂ на высокие частоты будет устранено.

Если C·R₂ = C_вхR_з (или здесь С = 5·С_вх), то делитель напряжения R₂||C/R₃||С_вх «апериодический» (он одинаково пропускает все частоты). Описанное сейчас мною решение считается классическим. Но мне больше нравится другое, более хитрое, которое радисты упорно не хотят знать. Я нашел это решение в одном известном иностранном журнале по электронике, который, по моему мнению, читают очень много специалистов (но вероятно, только я обратил внимание на сообщение о названном решении).

Н. – Скорее объясни мне суть дела: я сгораю от нетерпения узнать от тебя секрет.

Компенсация отводом от анодной нагрузки

Л. – Этот «секрет» напечатан более чем в 50 000 экземпляров. Он заключается в следующем.

В усилителе, схема которого изображена на рис. 44, стараются получить на сетке лампы Л₂ переменную составляющую, которая была бы равна 5/6 того, что имеется на аноде лампы Л₁. Представь себе, что я сделал анодную нагрузку не из одного резистора R₁, а из двух последовательно соединенных резисторов R'₁ и R''₁ (рис. 45). Я могу так подобрать эти резисторы, чтобы сумма их сопротивлений имела такую же величину, что и R₁, а их величины соотносились бы между собой, как R₂ и R₃.

R'₁:R"₁ = R₂:R₃

Иначе говоря, в нашем конкретном случае должно быть:

R"₁ = 5·R'₁

В общей для обоих резисторов точке А переменная составляющая равна 5/6 той, которая имеется в точке В (благодаря делителю напряжения R'₁ – R"₁). Эту переменную составляющую с помощью конденсатора С достаточной емкости мы передадим на сетку лампы Л₂ (точка D); таким образом мы заставим потенциал точки D иметь переменную составляющую, равную 5/6 переменной составляющей в точке В, а именно к этому мы и стремимся.

Н. – Четыре твоих резистора образуют два делителя напряжения с одним и тем же коэффициентом; можно ли сказать, что это мост Уитстона?

Л. – Совершенно верно, а теперь я расскажу тебе о преимуществах этой системы. Прежде всего обрати внимание на то, что конденсатор С не обязательно должен иметь точно определенную емкость; достаточно, чтобы она была большой по сравнению с паразитной емкостью входа лампы Л₂ С_вх. В схеме же на рис. 44 нужно было подбирать емкость С в зависимости от паразитной емкости С_вх, следовательно, требовался подстроечный конденсатор. Однако величина С_вх может изменяться при замене лампы и даже у одной лампы при изменении смещения. В схеме на рис. 45 нет ничего похожего. Отпадает необходимость подключать к сетке полупеременный конденсатор (а это всегда сопряжено с неприятностями: такой конденсатор занимает много места, а кроме того, может привести к самовозбуждению схемы). В нашей же схеме достаточно раз и навсегда подогнать резисторы, и все готово; регулировка схемы останется хорошей при любом напряжении смещения и даже при замене лампы Л₂. Обычно я ставлю керамический конденсатор емкостью от 220 до 470 пф, он очень маленький и удобно размещается при монтаже.

Рис. 45. Чтобы показанную на рис. 44 связь сделать апериодической, соединяют конденсатором С точки А и D, замыкая накоротко диагональ уравновешенного моста, так как R'₁:R"₁ = R₂:R₃

Н. – Любознайкин, ты настолько меня убедил, что я намерен вступить почетным членом в «Ассоциацию по Распространению Схем с Прямой Связью с Отводом от Анодной Нагрузки» (АРСПСОАН).

Л. – Пока ограничься вступлением в «Ассоциацию Людей, Которые, Возвращаясь Домой, Не Будят Своих Родственников», потому что сейчас уже час ночи, а я не хочу, чтобы твоя мама меня ругала.

Беседа шестая
ЭЛЕКТРОМЕТРИЯ – СНИЖЕНИЕ ВЫХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Становясь все более требовательным, Незнайкин хочет усовершенствовать усилитель. Он узнает, как повысить входное сопротивление почти до бесконечно большого (в схемах электрометрических усилителей) и как снизить выходное сопротивление. Попутно он обнаруживает, что оптимальное сопротивление нагрузки усилителя может очень сильно отличаться от выходного сопротивления этого усилителя.

Незнайкин – Ты научил меня, как расширить полосу пропускания усилителя в сторону высоких и в сторону низких частот, но я заметил, что ты ничего не рассказал мне об электрометрических усилителях. А это очень важно!

Входное сопротивление

Любознайкин – Я не могу сразу рассказать обо всем, но сегодня мы займемся этим вопросом. Видишь, ли, в электронике часто приходится расширять полосу пропускания усилителей, но не менее полезно повысить их входное сопротивление и снизить выходное.

Н. – Я попросил бы тебя рассказать мне, зачем и какими методами осуществляются изменения этих сопротивлений.

Л. – При работе с усилителем ты подаешь напряжение на его вход, а усиленное напряжение снимаешь с выхода. И у тебя, естественно, возникает желание, чтобы вход потреблял как можно меньший ток от источника напряжения, подлежащего усилению, следовательно, входное сопротивление должно быть высоким. Выход твоего усилителя выполняет роль источника, вырабатывающего сигнал с большим напряжением, чем поданное на вход. Для достижения хороших показателей этот источник должен вырабатывать значительный ток без существенного падения напряжения, т. е. он должен иметь небольшое внутреннее сопротивление.

Н. – Прекрасно, я понял. Значит, входное сопротивление определяется входной емкостью и частотой.

Л. – Да, это верно для высоких частот. Но на низких частотах входная емкость не оказывает никакого влияния, так как ее реактивное сопротивление составляет несколько миллионов мегом, получить которые ты безусловно не можешь.

Н. – Понятно, к чему ты подводишь: имеется резистор утечки, который нужно включить между сеткой и корпусом, чтобы отводить электроны, имевшие глупость остановиться на сетке. Я вижу, он включен параллельно входу. Не достаточно ли взять этот резистор с большим сопротивлением, чтобы получить высокое входное сопротивление?

Сеточные токи

Л. – Это невозможно без существенных осложнений. В самом деле, через резистор утечки приходится не только эвакуировать электроны, но и восполнять уходящие с сетки.

Н. – Как могут электроны уходить с сетки, ведь она не горячая.

Л. – Ты так думаешь, а ну-ка встань на место сетки…

Н. – Сжалься, там же вакуум…

Л. – Согласен. Но представь себе сетку, находящуюся на расстоянии в несколько десятых или сотых долей миллиметра от раскаленного катода, излучающего на нее тепло: предотвратить нагрев сетки очень трудно. А кроме того, не следует забывать о возможности фотоэлектронной эмиссии с сетки.

Впрочем, эту эмиссию можно существенно уменьшить, если окрасить стеклянную колбу лампы в черный цвет (правда, все равно останется свет от катода, но он, к счастью, довольно слабый).

Н. – Это любопытные, но в общем скорее полезные явления, так как они отводят электроны с сетки, тогда как другие электроны имеют тенденцию там остаться.

Л. – Но, Незнайкин, электроны остаются на сетке только при очень малом смещении. При нормальной работе с сетки уходит значительно больше электронов, чем поступает, и к тому же этот эффект усугубляется приходом на сетку положительных зарядов, приносимых ионами.

Н. – Откуда появляются ионы? Ведь в электронной лампе господствует вакуум, иначе говоря, пустота.

Л. – В нашем мире ничто, в том числе и вакуум, несовершенно. В лампе даже при хорошем вакууме остается очень большое количество молекул газа. Под воздействием электрического поля между катодом и анодом и особенно от ударов электронов молекулы газа ионизируются. В результате появляются положительные ионы, устремляющиеся к сетке и усиливающие эффект, создаваемый эмиссией электронов. Я должен сказать тебе, что создаваемый ионами ток значительно больше тока, возникающего вследствие ухода электронов.

Н. – Какое обилие причин возникновения сеточных токов! И тем более любопытно, что до сих пор они мне никогда не мешали.

Л. – Надеюсь, ты не думаешь, что сеточный ток расплавит выводы сетки? В обычной лампе (возьмем в качестве примера лампу с анодным током 4 ма) сеточный ток при отрицательном смещении находится на уровне 0,01 мка или еще меньше. На резисторе утечки 1 Мом (обычно следует ставить еще меньше) падение напряжения составит всего лишь 0,01 в, и ты не сможешь его заметить. Но если бы резистор утечки имел величину 100 или 1000 Мом, то сеточный ток превратился бы в катастрофу.

Н. – Что же тогда делать?

Электрометрическая лампа

Л. – Прежде всего мы можем использовать специальные лампы с особо глубоким вакуумом, работающие для снижения ионизации с анодным напряжением всего в несколько вольт. В качестве таких ламп часто используют тетроды, но в отличие от обычных ламп роль управляющей сетки выполняет наиболее удаленная от катода сетка. Первая отталкивает ионы, потому что на ней создают небольшой положительный потенциал.

Впрочем, когда я говорил «катод», я должен был сказать «прямонакальный катод», ибо обычно эти лампы бывают с прямым накалом, благодаря чему удается избежать нагрева сетки. Такова конструкция электрометрических ламп, т. е. ламп, позволяющих производить измерение электрических напряжений без потребления энергии.

Н. – Так вот, наконец, что представляют собой эти знаменитые электрометрические лампы, позволяющие пользоваться резисторами утечки с большим сопротивлением. Каковы их характеристики?

Л. – В некоторых моделях удалось снизить сеточные токи примерно до 10^-15 а, т. е. до одной миллиардной доли микроампера. Но я должен тебе сказать, что прекрасные результаты можно получить и с обычными лампами, если их несколько меньше нагревать, чтобы снизить температуру сетки, и работать с небольшим анодным током. Таким способом можно легко добиться сеточного тока меньше 10^-11 а. И, наконец, стоит сказать об очень любопытном способе получения высокого входного сопротивления – использовании метода перевернутого (обращенного) триода.

Н. – Ты ставишь его ножками вверх?

Л. – Нет, я ставлю его в схему, изображенную на рис. 46. Да, я понимаю твой ужас. Управляющее напряжение подводится отрицательным полюсом к аноду, сеточный ток служит выходным, а на сетку подается положительный потенциал +U. Чем выше отрицательный потенциал анода, тем больше мешает он электронам попасть на положительную сетку, отражая их к катоду. Положительная сетка мешает ионам достичь анода, последний, будучи холодным, не испускает электронов. Таким образом удается получить псевдотриод с чудовищным входным сопротивлением.

Рис. 46. Обращенный триод. Отрицательный анод отталкивает электроны и таким образом снижает сеточный ток i_g. Это – электрометрическая схема.

Н. – А его псевдохарактеристики похожи на характеристики обычного хорошего триода?

Л. – Этого только не хватало! Его характеристики похожи на характеристики электрометрического триода, иначе говоря: очень маленькая крутизна (в среднем 0,1 ма/в); малое внутреннее сопротивление (например, 2 ком); низкий коэффициент усиления (0,2).

Усиление по напряжению и по току

Н. – Я абсолютно ничего не понимаю! Ты говоришь мне о малом внутреннем сопротивлении, когда требуются чудовищные входные сопротивления. Затем ты говоришь мне о коэффициенте усиления меньше единицы. Что же я должен делать с такой лампой?

Л. – Сначала я отвечу на твой первый вопрос. Не следует путать входное сопротивление, равное отношению входного напряжения к входному току, с внутренним сопротивлением, равным отношению изменения выходного напряжения к изменению выходного тока. В рассмотренном нами псевдотриоде изменение сеточного напряжения (выход) на 1 в влечет изменение сеточного тока (выходной ток) на 0,5 ма, чему соответствует внутреннее сопротивление 2 ком. Не смешивай с входным током. По вопросу же о коэффициенте усиления я с тобой согласен, что входной каскад на такой лампе выработает значительно меньшее напряжение, чем напряжение, поступающее на его вход.

Но важно другое: ты, например, подаешь на вход напряжение 1 в при входном токе 10^-15 а, т. е. 10^-15 вт, а на выходе можешь получить напряжение 0,1 в при 0,1 ма или мощность 10^-5 вт, т. е. мощность на выходе в 10¹⁰ раз больше, чем на входе. Твое «усиление» в 0,1 раза по напряжению соответствует усилению в десять миллиардов раз по мощности. Тебе этого достаточно?

Н. – Я даже могу тебе сказать, что мощность на выходе на 100 дб больше, чем на входе.

Л. – О! Но тем не менее правильно!

Н. – Прошу без особых комплиментов, я всегда такой!

Дрейф

Л. – Подожди минутку, дай мне передохнуть от волнения.

Ну вот, я почти пришел в себя. Теперь, чтобы закончить с этим вопросом, я скажу тебе, что обычно после электрометрических ламп ставят усилители постоянного тока, основная трудность использования которых связана с явлением дрейфа. Если ты не подаешь на вход никакого напряжения, то анодный ток первой лампы может немного измениться из-за изменения накала, напряжения питания, даже из-за старения самой лампы или изменения температуры окружающей среды. В результате происходит медленное изменение выходного напряжения. Обычно его характеризуют дрейфом, приведенным ко входу, т. е. напряжением, которое необходимо подать на вход, чтобы без каких-либо иных причин вызвать наблюдаемое изменение выходного напряжения.

Н. – А сильно ли мешает этот дрейф?

Л. – О, да! И особенно, когда хотят измерить входное напряжение с точностью до милливольта или еще точней (например, в случае измерения pH). Для борьбы с дрейфом пользуются симметричными усилителями.

Н. – Пушпульного типа?

Л. – Довольно похожего. Таким образом удается достаточно хорошо компенсировать дрейф, вызываемый изменением нагрева или напряжения питания, потому что эти изменения одинаково воздействуют на обе лампы каскада, а используется разность их анодных токов. Для получения лучших результатов имеется большое количество усовершенствованных схем, которые ты несомненно увидишь в журнальных статьях. Например, делают усилитель (как с электрометрической, так и с обычной лампой на входе), у которого после 15-минутного прогрева, необходимого для стабилизации режимов, приведенный к входу дрейф меньше 0,1 мв за 24 ч.

Н. – Ну, так эти знаменитые электрометрические усилители не столь уж сложны: специальная лампа на входе (или обычная, но включенная по специальной схеме)… и дело в шляпе.

Проблема изоляции

Л. – Верно, сложность не так велика. Но такие схемы при монтаже требуют аккуратности и соответствующих мер предосторожности. Чтобы при напряжении 1 в токи утечки не превышали 10^-15 а, требуется изоляция 10¹⁵ ом, а это, позволю тебе заметить, не так легко сделать. Не может быть и речи об использовании в качестве изоляционных материалов бакелита, картона и других широко применяемых материалов. Требуются кварц, хорошее стекло, плексиглас и некоторые пластмассы (полиэтилен, фторопласт). Особенно непримиримо нужно бороться с влажностью. Часто всю электронную часть помещают в герметизированную коробку, содержащую влагопоглотитель; выводы усилителя выходят из этой коробки через изоляционные бусины.

Мне представляется полезным сказать тебе, что коаксиальный кабель с полиэтиленовой изоляцией, если он хорошего качества, обладает достаточной изоляцией для большинства электрометрических измерений. Все другие способы подключения, кроме голого провода, укрепленного на прекрасных изоляторах, следует признать негодными.

А теперь подготовься к эффектному прыжку: с миллиардов мегом на входе до нескольких ом на выходе.

Снижение выходного сопротивления

Н. – Но это «прыжок смерти» или я сам себя не знаю. Как же ты снизишь выходное сопротивление до нескольких ом? С помощью трансформатора?

Л. – В некоторых случаях это возможно, но, как правило, усилители должны иметь такую полосу пропускания, которая исключает использование трансформатора, в особенности, у усилителей постоянного тока. Немного позже ты увидишь, как использование отрицательной обратной связи помогает значительно снизить выходное внутреннее сопротивление усилителя; а пока мы ограничимся лишь одним из способов ее использования, а именно, включением нагрузки в цепь катода или, как иначе называют эту схему, – катодный повторитель.

Н. – О, я достаточно хорошо знаю эту схему в фазосдвигающей системе возбуждения пушпульного каскада. Но я не вижу, как…

Л. – Не торопись, Незнайкин. Речь идет об одном частном случае применения схемы катодного повторителя. Однако изображенная на рис. 47 схема существенно отличается от обычной.

Рис. 47. Катодный повторитель. Результирующее напряжение между сеткой и катодом лампы равно разности входного U_вх и выходного U_вых напряжений.

Как ты видишь, анод лампы непосредственно соединен с положительным полюсом источника питания, между катодом и корпусом включен резистор (с выводов этого резистора я и снимаю выходное напряжение U_вых). Входное напряжение U_вх прикладывается между сеткой и корпусом, создавая на сетке положительное напряжение относительно корпуса и…

Н. – Какой ужас! Положительная сетка!

Л. – Не беспокойся. Сетка действительно положительная относительно корпуса, но катод будет еще более положительным вследствие вызываемого катодным током лампы падения напряжения на резисторе R. Следовательно, положительная относительно корпуса сетка будет отрицательной по отношению к катоду, «как принято в лучших домах» (именно так выразился бы один мой приятель).