книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

п р и Л м . в качестве параметра [Л.6.4.] ^С1К

6.3.3. Зависимость входного сопротивления от частоты и напряжений электродов

Полная входная проводимость равна сумме проводимостей за счет индуктивности вводов и времени пролета электронов

291

откуда

Подставляя сюда (6.31), (6.48), (6.32) и (6.49), получаем для много­ электродной лампы

Если не пренебрегать процессами в цепи второй сетки и воспользо­ ваться для активных составляющих проводимостей и емкостей выраже­ ниями (6.33) (6.50), (6.32) и (6.51), то вместо (6.52) и (6.53) имеем

в основном зависимостью от этих напряжений крутизны характе­ ристики 5кс1. Соответственно этому RBX с ростом Ucl и t/c2 должно уменьшаться. Типичные зависимости такого рода даны на рис. 6.11.

Рнс. 6.11. Зависимость входного сопротивления пентода типа 6Ж1Б от напряжений

а — первой сетки; б — второй сетки

Перейдем к рассмотрению Свх, имея при этом в виду, что фигури­ рующие в (6.53) и (6.55) частичные емкости относятся к «холодной» лам­ пе. Остановимся сначала на случае, когда времена пролета настолько

чина при очень малых углах пролета, очевидно, должна переходить в значение «горячей» статической входной емкости, что подтверж­ дается выражением (6.53). Согласно определению, данному в 3.13.7, «холодная» статическая входная емкость тетрода равна Сс1к + Сс2с1.

293

она изменяется слабо. Если исходить из приближенной формулы (6.53), она вообще не должна зависеть от напряжений, однако по более точной формуле (6.55) за счет множителя рс с ростом (Ус1 несколько увеличи­ вается (рис. 6.12).

§ 6.4. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ час то ты

Важнейшей задачей при разработке ламп для СВЧ является повыше­ ние предельной частоты, на которой лампа еще способна работать. Согласно § 6.1 ограничение рабочего диапазона частот в сторону высо­ ких частот обусловлено уменьшением на них входного сопротивления лампы. Там же приводились факторы, вызывающие это уменьшение. Рассмотрим теперь пути уменьшения влияния отдельных факторов на входное сопротивление.

С с

Рио. 6.13. Схемы включения пентода с двумя катодными вводами:

а — оба ввода включены параллельно; о — один ввод включен во входную» другой — в выход­ ную цепь лампы

1. Как уже указывалось, у ламп обычной конструкции, т. е. вводами в виде проволок или стержней, ограничение работоспособнос­ ти на СВЧ вызвано главным образом влиянием индуктивностей вводов в совокупности с*междуэлектродными емкостями, в первую очередь влиянием индуктивности ввода общего электрода. Отрицательное влия­ ние этой индуктивности сказывается в следующем:

а) увеличивается входная проводимость лампы; б) уменьшается резонансная частота лампы;

в) возникает обратная связь между выходной и входной цепями лампы.

Один из путей уменьшения этого’влияния заключается в том, что к электроду лампы, который в схеме используется как общий, делается несколько вводов, у ламп для схемы с общим катодом, например, — несколько вводов к катоду, для схемы с общей сеткой — несколько

294

вводов к сетке и т. д. Для получения желаемого эффекта возможно два способа включения этих вводов.

1. Все вводы включаются параллельно (рис. 6.13,а). Если пренеб­ регать их взаимной индуктивностью, то действующая индуктивность такого многократного ввода

где L — индуктивность одинарного ввода; п — число параллельно включенных одинарных вводов.

2. Входная цепь и цепи остальных электродов присоединяются к разным вводам общего электрода, так что по индуктивности ввода общего электрода больше не получается связи между выходной и вход­ ной цепями лампы (рис. 6.13,6). Тогда, как легко показать, активная составляющая входной проводимости становится отрицательной и мо­ жет быть использована для компенсации положительной входной про­ водимости, создаваемой другими факторами, как, например, временем пролета, диэлектрическими потерями и т. д. [Л.6.7]. Какому способу включения следует отдать предпочтение, зависит от параметров лампы и режима ее использования. За счет использования многократных вво­ дов входную проводимость обычно удается снизить в 2—3 раза [Л.6.5].

У пентодов согласно (6.33) имеется возможность увеличить входное сопротивление путем частичной компенсации проводимости; возникаю­ щей за счет индуктивности катодного ввода, проводимостью за счет индуктивности ввода второй сетки. С этой целью у некоторых высоко­ частотных пентодов искусственно увеличивается индуктивность ввода этой сетки [Л.6.6].

Такими путями можно довести предельную рабочую частоту ламп с проволочными вводами до ста-двухсот мегагерц. Для работы в диа­ пазоне дециметровых и сантиметровых волн такад конструкция ламп непригодна по следующим причинам.

1. Чем выше частота, тем меньше должна быть индуктивность вво­ дов, чтобы лампа оставалась работоспособной. При проволочной или стержневой конфигурации ввода невозможно получить достаточно малые индуктивности вводов.

2. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн уже необходимо использование радиотехнических элементов с распределенными по­ стоянными, а не с сосредоточенными. В связи с этим в качестве резо­ нансных контуров в этом диапазоне частот обычно применяются объем­ ные резонаторы вместо параллельно соединенных катушек индуктив­ ности и конденсаторов. Конструкция ламп, в частности ее вводов, долж­ на быть такой, чтобы возможно было органическое сочленение ее с объемным резонатором.

Выполнение этих требований возможно лишь при радикальном из­ менении конструктивного оформления лампы. Конструктивные осо­ бенности ламп для дециметровых и сантиметровых волн заключаются

вследующем.

1.В электротехнике показано, что широкие тонкие ленты обладают

значительно меньшей индуктивностью, чем цилиндрические проводни­

295

ки 1Л.6.1]. Поэтому вводы ламп стали выполнять в виде тонких плос­ ких колец или тонкостенных цилиндров, к краю которых, находящему­ ся внутри баллона, по всему периметру присоединен электрод лампы. Такие вводы получили название д и с к о в ы х . Дисковые вводы были впервые предложены советскими учеными Девятковым, Данильцевым

представляет собой сеточно-анодный контур, справа — сеточно-катод­ ный. Как видно из рисунка, поверхности электродов вместе с вводами органически вписываются в стенки резонаторов и в электрическом от­ ношении представляют с ними одно целое, так же как внутренний объем резонаторов и междуэлектродные пространства лампы. Поэтому влияние индуктивностей вводов и междуэлектродных емкостей больше не требует специального учета, а автоматически учитывается при на­ стройке контуров. У ламп с дисковыми вводами наиболее высокая ра­ бочая частота определяется, таким образом, уже не индуктивностями

иемкостями, а пролетными явлениями.

2.Для уменьшения.влияния времени пролета электронов желатель­ но по возможности уменьшать междуэлектродные расстояния, в пер­ вую очередь расстояние между катодом и первой сеткой.

3.Для уменьшения влияния поверхностного эффекта все металли­ ческие детали ламп внутри и снаружи покрываются тонким слоем се­ ребра, имеющего наилучшую электропроводность из числа металлов, широко применяемых в вакуумной технике.

4.С целью уменьшения диэлектрических потерь для внешней обо­ лочки ламп используется не стекло, а специальная вакуумплотная высокочастотная керамика.

При осуществлении всех этих мер предельная рабочая частота лам­ пы может быть доведена до 10 ГГц, что соответствует длине волны око­

ло 3 см.

ГЛАВА 7

ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

§ 7.1. ВИДЫ ШУМОВ, СОЗДАВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫМИ ЛАМПАМИ

Если рассматривать кривую анодного тока электронной лампы на экране осциллографа, то при достаточно большом усилении можно установить, что значение его по времени не остается постоянным, даже

числе и к электронным лампам, принято пользоваться понятием «шума» или «шумов». Происхождение этого термина связано с шумом, слыши­ мым в громкоговорителе радиоприемника при флуктуациях токов в его цепях. Этот термин применяется и тогда, когда речь идет только о флуктуациях тока, а сам акустический эффект отсутствует, как, на­ пример, в телевидении.

В зависимости от характера явления, вызывающего флуктуации анодного тока лампы, нужно различать следующие два основных вида шумов:

1)генерационно-рекомбинационные;

2)модуляционные.

Г е н е р а ц и о н н о - р е к о м б и н а ц и о н н ы.е ш у м ы — это шумы, вызванные, с одной стороны, атомистической природой элементарного заряда электричества, с другой — статистическим ха­ рактером, т. е. беспорядочностью появления (генерации) или исчезно­

297

вения (рекомбинации) свободных носителей заряда в рабочем объеме прибора. Этот термин взят из теории полупроводниковых приборов. Применительно к электронным лампам он относится к флуктуациям ■тока, вызванным случайным характером выхода каждого отдельного электрона из поверхности электродов, или, в многоэлектродных систе­ мах, случайным характером распределения электронов между элект­ родами.

Исходя из физического процесса, являющегося источником этого вида флуктуаций, в электронных лампах могут иметь место четыре

катодом. Флуктуации тока в цепях электродов лампы за счет такого

Соответствующего флуктуирующего тока через телефон возникает шум, напоминающий удары дробинок об стенку;

б) шумы токораспределения; в) шумы за счет вторичной эмиссии;

г) шумы за счет флуктуаций наведенного тока.и падения напря­ жения на индуктивности вводов при работе ламп на СВЧ.

М о д у л я ц и о н н ы е ш у м ы представляют собой шумы, воз­ никающие за счет беспорядочной, самопроизвольной модуляции по­ тока электронов, составляющего анодный ток лампы. Так как физи­ ческие процессы, приводящие к такой модуляции, обычно протекают очень медленно, то модуляционные шумы проявляются преимущест­ венно в области низких частот. Поэтому модуляционные шумы ламп

мают низкочастотный шум, возникающий за счет флуктуаций тока эмиссии катода вследствие случайных колебаний работы выхода от­ дельных малых участков его поверхности. В специальной литературе этот вид шума обычно называется ф л и к к е р - ш у м о м ;

б) низкочастотный шум за счет воздействия положительных ионов на отрицательный пространственный заряд перед катодом.

Перечисленные виды шумов обусловлены природой физических процессов, на которых основано действие ламп. Однако существует ряд источников шумовых помех другого происхождения. Колебания тока в цепях электродов, имеющие место независимо от наличия на сетке лампы переменного напряжения, могут также возникнуть по следующим причинам:

1)из-за механических колебаний отдельных деталей системы элект­ родов;

2)из-за различного вида дефектов ламп.

Среди шумов механического происхождения в зависимости от ме­ ханизма возбуждения колебаний деталей нужно различать:

а) микрофонный эффект; б) виброшумы.

298

Под м и к р о ф о н н ы м э ф ф е к т о м понимают возникнове­ ние переменной составляющей анодного тока за счет возбуждения собственных колебаний той или иной детали лампы, например нити катода у ламп с катодом прямого накала, витков сетки и т. д. За счет таких колебаний может иметь место периодическое изменение междуэлектродных расстояний и тем самым модуляция анодного тока. Эти колебания могут возникнуть за счет кратковременного сотрясения лампы, например в результате легкого удара о баллон. Название эффекта обусловлено тем, что возбуждение подобных колебаний может иметь место в приемнике под воздействием звукового поля собствен­ ного динамика, вследствие чего лампа действует подобно микрофону.

В и б р о ш у м а м и называются шумы, появляющиеся при ра­ боте ламп в условиях вибрации. Они возникают за счет перемещений отдельных недостаточно жестко закрепленных деталей под действием переменных сил, обусловленных сообщаемым лампе переменным уско­ рением. Эти перемещения также, могут приводить к периодическим изменениям взаимного расположения электродов и тем самым к пе­ ременным составляющим токов. Уровень виброшумов зависит от жесткости конструкции системы электродов, от амплитуды и частоты вибраций, а также от расположения лампы относительно направле­ ния смещения. Он резко увеличивается, когда частота вибраций сов­ падает с резонансной частотой какой-либо детали, т. е. когда одно­ временно имеет место микрофонный эффект.

Шумы за счет дефектов ламп могут быть самого различного про­ исхождения и характера. Так, например, наличие токов утечки между катодом и подогревателем приводит к помехе в виде гудения на час­ тоте напряжения накала. Плохое крепление деталей при одновремен­ ном наличии токов утечки между электродами может приводить к кратковременным щелчкам (вроде тресков) при случайном сотрясе­ нии лампы, так как при этом вследствие незначительного перемеще­ ния какой-либо из деталей путь тока утечки может быть нарушен. Плохой вакуум из-за ионизации остаточных газов ведет к резкому возрастанию общего уровня шумов и т. д.

Когда ставится задача о получении ламп с малым уровнем шума, между шумами, обусловленными процессами, на которых основан принцип действия лампы, и второй группой источников шумов имеет­ ся существенная разница. В то время'как шумы первой группы прин­ ципиально не устранимы, шумы второй могут быть сведены до очень низкого уровня путем конструктивных и технологических мероприя­ тий.

Вопрос об уровне шумов, возникающих в радиоаппаратуре,' и, тем самым, и об уровне шумов использованных в ней ламп имеет большое практическое значение. Оно заключается в том, что отношение уровня помех на выходе аппаратуры к величине получаемого здесь полезного сигнала определяет наименьшее значение сигнала на входе, которое еще может быть зарегистрировано данной аппаратурой, т. е. опреде­ ляет чувствительность аппаратуры. Чтобы иметь возможность на фоне помех еще надежно регистрировать сигнал, нужно, чтобы величина сигнала в определенное количество раз превышала уровень помех.

299

В этой главе разбираются только шумы за счет флуктуациоиных явлений.

§ 7.2. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ *

Согласно сказанному в предыдущем параграфе шумы электронных ламп обусловлены физическими процессами, имеющими статисти­ ческий характер. Поэтому выражения, характеризующие уровень возникающих в лампах шумов, будут базироваться на закономернос­ тях теории вероятностей [Л.7.1], [Л.7.2]. Далее приводятся основные сведения из теории вероятностей, необходимые для вывода этих вы­ ражений [Л.7.3].

7.2.1. Случайные величины и их законы распределения

С л у ч а й н о й в е л и ч и н о й называется величина, которая в результате опыта может принять то или иное значение, причем за­ ранее неизвестно, какое именно. Эти значения могут быть дискретны­ ми или непрерывно заполнять некоторый интервал на числовой оси. Соответственно различают дискретные и непрерывные случайные ве­ личины.

Основной характеристикой случайной величины является распре­ деление вероятностей того, что она примет то или иное определенное значение. Далее приводятся законы распределения вероятностей, необходимые для рассмотрения флуктуаций токов в электронных лампах.

I. Биномиальное распределение

Предположим, что при каком-либо опыте могут произойти только события А или В. Событие В, следовательно, заключается в том, что событие А не наступает, и наоборот. Пусть вероятность наступления события А будет р, события В — q. Так как может произойти только или событие А или событие В, то р + q = 1 или

p = \ — q.

Определим теперь, какова вероятность того, что за N независи­ мых опытов п раз произойдет событие А и N — п раз — событие В, независимо от их последовательности. Пример: у игрока имеется 10 ло­ терейных билетов (N = 10). Какова вероятность, что в тираже вы­ игрывают 5 билетов (п = 5)? Предположим, что при N опытах события получились в последовательности

АВАА... А.

* Приводимые здесь сведения из теории вероятностей подобраны под утлом зренця анализа шумов в электронных лампах. Их изложение не претендует на особую математическую строгость.

300