книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой

Рис. 16. Характеристики ламп ЭМ-4 (а— д) и 6С53-Н (е) в диодном включении.

включении при различных значениях напряжения на­

кала.

Из рис. 16 и табл. 5 следует, что линейность в обла­ сти малых токов и стабильность характеристик улучша­ ются при уменьшении напряжения накала до 30—40%' номинального зиачеиия.

Значительный интерес представляет металлокерамическнй триод 6С53Н, который в диодном трехзажимном включении с заземленной сеткой (напряжение накала

Рис. 17. Принципиальные схемы триодного (а) и пентодиого (б) включений миогоэлек-

тродиой лампы в логарифмическом режиме.

снижено до 3 В) имеет очень малую (до сотых долей пикофарады) емкость между анодом и катодом. Это де­ лает его перспективным для применения в быстродейст­ вующих логарифмических усилителях.

В электровакуумных триодах и пентодах зависимость напряжения на аноде (или экранирующей сетке) от на­ пряжения на управляющей сетке является линейной, т. е. представляет собой логарифмическую функцию тока управляющей сетки [Л. 29]. При работе в качестве лога­ рифмирующего преобразователя триоды и пентоды вклю­ чаются по схеме со свободной («плавающей») сеткой (рис. 17). Измеряемый ток подается непосредственно на управляющую сетку лампы. При триодном включе­ нии лампы выходное напряжение снимается непосред­ ственно с анода, в цепь которого включена анодная на­ грузка R. При пентодном включении лампы выходное напряжение снимается с экранирующей сетки; при этом УПТ используется как регулятор анодного тока лампы, обеспечивая постоянство значения анодного тока путем изменения напряжения на экранирующей сетке.

41

В общем случае зависимость анодного тока триода / а от напряжения на электродах имеет вид

где В — конструктивный параметр; На, Uc — напряжения на аноде и на сетке лампы; ц — коэффициент усиления лампы.

При значениях сопротивления анодной нагрузки зна­ чительно больших внутреннего сопротивления лампы анодный ток лампы мало зависит от напряжения управ­ ляющей сетки, т. е. входного тока I. В этом случае (9) можно представить в виде

— постоянные коэффициенты.

Таким образом, характеристика триода аналогично характеристике диода описывается полиномом первой степени с логарифмическим аргументом.

При пентодном включении лампы аналогичная зави­ симость существует между током управляющей сетки и напряжением на экранирующей сетке при постоянном значении анодного тока [Л. 19]. Поддержание постоян­ ного значения анодного тока осуществляется, как пра­ вило, с помощью специального усилителя постоянного тока, вход которого подключается к аноду лампы, а с вы­ хода подается обратная связь на экранирующую сетку.

Поскольку выходное напряжение пропорционально напряжению на управляющей сетке лампы, особенности триодных и пентодных ЛЭ (диапазон токов, нелиней­ ность и т. п.) определяются в основном свойствами ло­ гарифмирующего участка лампы (сетка — катод), т. е. так же, как и в диодном включении. Однако характери­ стика лампы в триодном и пентодном включениях зна­ чительно стабильнее, чем характеристики диодов, при изменениях напряжения накала и во времени. Теория этого вопроса рассмотрена в [Л. 25, 29, 81].

42

Исследования ламп в триодном и пентодном включе­ ниях проводились многими исследователями. Наиболь­ ший интерес представляют результаты, полученные в [Л. 25, 81]. Выборочные данные из этих работ приве­ дены в табл. 6.

В [Л. 25] характеристики ламп снимались в схеме с дифференциальным включением ламп, на сетку одной из которых подавался измеряемый ток, а на сетку дру-

43

В [Л. 31] характеристики ламп исследовались в обыч­ ном включении. Дрейф для лампы 6788 после 200 ч тре­ нировки составил 0,006%/ч, для лампы 6689 после 300 ч тренировки 0,01 %/ч.

Результаты исследования отечественных электроме­ трических ламп ЭМ-4, ЭМ-5 н ЭМ-7 в трнодном включе­ нии и ламп 1Ж24Б и 6ЖШ-В в пентодпом включении

приведены в табл. 7 и на рис. 18, 19 и 20.

Как видно из табл. 7, диапазон характеристик ламп в пеитодном включении несколько уже, а крутизна — значительно (примерно на порядок) больше по сравне­ нию с соответствующими параметрами триодов.

На рис. 18 приведены зависимости параметров ха­ рактеристики триода ЭМИ от напряжения накала и анодного тока лампы. На основании этих зависимостей можно прийти к выводу, что при уменьшении напряже­ ния накала нестабильность характеристики, вызываемая относительным изменением напряжения накала, умень­ шается, а влияние изменения анодного тока по харак­ теру аналогично влиянию изменения напряжения накала в электровакуумных диодах. Так, погрешность измерения тока 10-10 А при напряжении накала 0,6 и 1,2 В соста­

изменения анодного тока.

Аналогичные зависимости параметров от напряже­ ния накала и анодного тока имеет триод ЭМ-7 (рис, 19),

ется жестких требований по линейности характеристики и погрешности измерения тока, поскольку напряжение нелинейности у этих приборов достигает довольно боль­ ших значений и, кроме того, параметры характеристики изменяются под действием протекающего тока. В боль­ шинстве случаев необходимо производить эксперимен­ тальный подбор диодов, поскольку параметры их харак­ теристик имеют значительный разброс.

Кремниевые диффузионные и планарные транзисторы в трехзажнмном включении обеспечивают лучшую ли­ нейность характеристики измерительного усилителя. Из­ менение параметров их характеристик под действием протекающего тока незначительно. Разброс параметров также незначителен и может быть компенсирован регу­ лировкой соответствующих корректирующих элементов усилителя, что устраняет необходимость индивидуально­ го отбора транзисторов. Однако в наиболее ответствен­ ных случаях желателен отбор с делыо уменьшения по­ грешности усилителя, вызываемой некоторым изменением параметров характеристики транзистора под действием

10~и до 10- 4—10-3 А с погрешностью примерно 2— 10%'.

Двухзажимное диодное включение электровакуумных ламп уступает трехзажимному в отношении линейности характеристики и межэлектродной емкости. В связи с этим более перспективным для применения в измери­ тельных усилителях является трехзажимное включение, особенно при пониженном напряжении накала. На осно­ ве такого включения могут быть выполнены измеритель­ ные усилители с минимальным измеряемым током до 10-14 А и динамическим диапазоном до 6 и более декад.

Нелинейность характеристики ЛЭ может при этом нахо­ диться в диапазоне 3—5%. Существенное внимание не­ обходимо уделять отбору и тренировке ЛЭ, а также ста­ билизации параметров их режима.

Триодиое и пентодное включения электровакуумных ЛЭ целесообразно применять в простейших измеритель­ ных усилителях с минимальным измеряемым током 10—14— 10-12 А. Следует иметь в виду, что быстродейст­

вие в этом случае получается сравнительно низким, по­ скольку оно определяется динамическим сопротивлением участка сетка — катод лампы и емкостью цепи, подклю­ ченной к сетке. Как и при диодном включении, необхд-

46

дымы отбор и тренировка ЛЭ и стабилизация электриче­ ского режима. Применение ламп с катодной сеткой представляется нецелесообразным, поскольку параме­ тры логарифмической характеристики в значительной степени зависят от напряжения на катодной сетке.

В заключение следует отметить, что практически все применяемые в настоящее время ЛЭ, а также методы их испытания по техническим условиям заводов-пзготовите- лей разработаны для использования в целях, совершенно отличных от целей использования логарифмического преобразования тока в напряжение. Между тем дальней­ ший прогресс в области логарифмической измерительной аппаратуры настоятельно требует разработки специаль­ ных полупроводниковых и электровакуумных ЛЭ с нор­ мированными техническими параметрами (динамическим диапазоном, крутизной и смещением логарифмической характеристики, нелинейностью и нестабильностью ха­ рактеристики и т. п.), а также методов их испытаний.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

8. Основные схемы логарифмических измерительных усилителей

элемент и линейный усилитель мощности выходного на­ пряжения элемента. Известно несколько разновидностей схем логарифмических измерительных усилителей, раз­ личающихся способом соединения ЛЭ с линейным уси­ лителем мощности [Л. 4].

Логарифмический измерительный усилитель с вклю­ чением диодных ЛЭ на входе электрометрического уси­ лителя (рис. 21,а) является исторически первой [Л. G6]

конструкцией и иногда встречается в настоящее время. В состав усилителя входят диодный электровакуумный или полупроводниковый ЛЭ, осуществляющий логариф-

47

МПчеСкое преобразование измеряемого тока в НапряЖё^ ние, электрометрический линейный усилитель мощности ЭМУ и источник дополнительного напряжения УдопИсточник дополнительного напряжения необходим для компенсации неизменяющейся составляющей выходного напряжения ЛЭ с целью сужения диапазона входных

Рис. 21. Основные схемы логарифмических измерительных усилителей.

напряжений ЭМУ. Дополнительное напряжение выби­ рается, как правило, таким, чтобы в одной из точек диа­ пазона измеряемых токов входное (а, следовательно, и выходное) напряжение ЭМУ равнялось нулю. В общем случае имеется ряд способов включения источника до­ полнительного напряжения. Однако в целях общности анализа будем рассматривать в качестве /7Д0П напряже­ ние, приведенное ко входу ЭМУ.

48

Передаточная характеристика усилителя по схеменй рис. 2 1,а описывается выражением

где К — коэффициент усиления ЭМУ; Ло= /С(а0+С/Доп) и

Ai=Kcii — соответственно смещение и крутизна переда­ точной характеристики логарифмического измерительно­ го усилителя (по аналогии с соответствующими парамет­ рами характеристики ЛЭ); Д (/) =KAU(I) — напряжение

(рис. 21,6). Назначение элементов этой схемы такое же, как и элементов предыдущей. Передаточная характери­ стика данного усилителя может быть представлена вы­ ражением (Ю), если принять за К отношение выходного напряжения ЭМУ к напряжению в цепи обратной связи

(Н л.Э + Ндоп) •

Транзисторные ЛЭ также включаются в цепь парал­ лельной отрицательной обратной связи ЭМУ по напря­ жению (рис. 21,в). При этом обеспечиваются условие равенства потенциалов коллектора и базы и близкое к нулю значение сопротивления в цепи эмиттера, что необходимо для получения оптимальной линейности. Пе­ редаточная характеристика схемы на рис. 2 1,в также описывается выражением ( 10) при соблюдении условий

предыдущего примера.

Триодные и пентодные ЛЭ включаются на входе линейного УПТ, поскольку их выходные сопротивления достаточно малы, что устраняет необходимость приме­ нения ЭМУ (рис. 21,г и д). Очевидно, что передаточная характеристика таких усилителей также может быть представлена в виде (10). Отличием схемы пентодного включения ЛЭ является необходимость применения двух источников напряжения, каждый из которых предназна­ чен для компенсации неизменяющихся составляющих анодного U и экранного £/ДОп напряжений.