книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

Упражнения к главе V I I I

1.Почему люминесцентные излучатели света более эффективны, чем те­ пловые (например, лампы накаливания)?

2.Чем ограничиваются максимальные размеры экрана ЭЛТ: а) с электроста­ тическим; б) с магнитным отклонением электронного луча?

Глава IX

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ХИМОТРОННЫЕ

ИЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Вэлектронных и плазменных лампах, транзисторах и фотоэлек­ трических усилительных приборах под воздействием входного сигнала

изменяется внутреннее сопротивление (рис. 46, а), что приводит

Рис. 46.

к изменению тока в цепи нагрузки. Подобный эффект может быть получен при изменении реактивного сопротивления: емкостного (рис. 46, б) или индуктивного (рис. 46, в), что реализуется в диэлек­ трических и магнитных приборах. Химотронные приборы, основанные на электрохимических эффектах в электролитах, также являются управляемыми сопротивлениями. В электроакустических приборах усиление осуществляется за счет взаимодействия акустической волны сигнала в пьезокристалле, по которому протекает электрический ток.

§ 39. Магнитоэлектрические приборы

Действие магнитоэлектрических приборов основано на использо­ вании высокой магнитной проницаемости ферромагнетиков, нелиней­ ной зависимости между напряженностью намагничивающего поля и магнитной индукцией в них, а также наличием гистерезиса.

Магнитная проницаемость, определяемая как отношение магнит­ ной индукции к напряженности намагничивающего поля, в ферро­ магнетиках не является величиной постоянной, а зависит от напря-

100

женности намагничивающего поля. В сравнительно слабых полях магнитная проницаемость может быть исключительно велика и в луч­ ших ферромагнетиках (пермаллое) может доходить до нескольких сотен тысяч. При очень больших полях, в режиме насыщения, маг­ нитная проницаемость приближается к единице. Это явление по­ зволяет создавать магнитные усилители. Устройство простейшего магнитного усилителя предельно просто: на кольцевой ферромагнит­ ный сердечник помещается две катушки — входная (управляющая) и выходная (нагрузочная). В цепь выходной катушки включается сопротивление нагрузки и подается переменное напряжение питания (рис. 47, а). Ток, протекающий в сопротивлении нагрузки, опреде­ ляется напряжением источника питания, сопротивлением нагрузки

Рис. 47.

и индуктивностью выходной обмотки. Индуктивность катушки про­ порциональна числу витков и магнитной проницаемости сердечника. Если магнитная проницаемость велика (что имеет место при малой величине входного сигнала и соответственно малой намагниченности сердечника), то велика индуктивность выходной катушки и, следова­ тельно, велико ее сопротивление, в результате чего ток в нагрузке минимален. При большой величине управляющего тока сердечник переходит в режим насыщения и его магнитная проницаемость мини­ мальна. Вследствие этого минимальна индуктивность выходной катушки и мало ее сопротивление, а ток в нагрузке максимален (рис. 47, б).

Особенностью магнитных усилителей является то, что выходной сигнал является переменным, огибающая которого повторяет форму управляющего сигнала (рис. 47, в ) . Для восстановления исходной формы сигнала выходное напряжение необходимо выпрямить.

Современные магнитные усилители позволяют усиливать электри­ ческие сигналы с частотами до десятков мегагерц. Коэффициент уси­ ления может доходить до нескольких десятков тысяч.

Явление гистерезиса позволяет создавать ферромагнитные запо­ минающие устройства: после любых достаточно сильных магнитных воздействий в ферромагнетиках остается «магнитный след» в виде остаточной магнитной индукции. При этом, если внешнее магнитное

101

поле не слишком велико, чтобы перевести ферромагнетик в режим насыщения, величина остаточной намагниченности пропорциональна величине намагничивающего поля. Это позволяет осуществлять магнитную запись непрерывных электрических сигналов.

Запоминание дискретных электрических сигналов осуществляется при помощи ферромагнетиков с прямоугольной петлей гистерезиса, характерной особенностью которых является наличие лишь двух возможных состояний намагниченности, соответствующих насыще­ нию в одной или другой полярности. Изменение магнитного состоя­ ния в них может произойти лишь тогда, когда внешнее магнитное воздействие превысит величину коэрцитивной силы. Если воздействие слабее, то перемагничивания не происходит. Это позволяет на основе таких ферромагнетиков создавать различные переключающие при­ боры, логические и счетные устройства, импульсные усилители и фор­ мирователи, делители частоты следования импульсов, реле времени и т. п.

§40. Диэлектрические приборы

Вдиэлектриках в нормальных условиях нет электронов прово­

денсатора, то электрическая емкость последнего будет зависеть от напряжения на его обкладках (рис. 48, а). Примерно такую же (но обратную) характеристику имеют и полупроводниковые варикапы, рассмотренные выше.

Это позволяет создавать диэлектрические усилители, схема одного из них приведена на рис. 48, б. Ток, протекающий в цепи нагрузки, определяется как

102

При изменении входного напряжения меняется емкость управля­ емого конденсатора, а следовательно, и его реактивное сопротивле­ ние, что влечет за собой изменение тока в цепи нагрузки. На измене­ ние емкости конденсатора затрачивается чрезвычайно малая мощность входного сигнала, вследствие чего усиление диэлектрического уси­ лителя может быть очень большим.

В сегнетоэлектриках наблюдается гистерезис: поляризовавшийся под действием внешнего электрического поля, сегнетоэлектрик после прекращения действия электрического поля остается поляризован­ ным. Это используется при создании различных запоминающих и переключающих устройств, обладающих высокой экономичностью, быстродействием и очень малыми размерами.

Поскольку в идеальных диэлектриках нет ни носителей заряда,

предельно просто: катодом служит пленка алюминия, поверхность которой окисляется, образуя при этом тонкий (до нескольких ми­ крон) диэлектрический слой, поверх диэлектрика наносятся тонкая пленка золота, являющаяся анодом. Под действием поля положи­ тельно заряженного анода электроны туннельно проходят диэлек­ трический слой, образуя анодный ток значительной величины; при обратной полярности приложенного напряжения ток через диод

лура, поверх которой нанесена пленка сульфата кадмия, на которую, в свою очередь, напыляется катод из индия. В этой трехслойной структуре теллур и сульфат кадмия, являющийся полупроводником

кадмия, затем в пленку теллура. Переход в обратном направлении затруднен полем п—р перехода. Работа инжекционного диода напо­ минает работу полупроводникового и вакуумного электронного диодов. Действительно, электроны инжектируются в высокоомный полупроводник, в котором чрезвычайно мало свободных электронов и ионов, так что ничто не препятствует их прохождению к аноду. При этом движущиеся электроны создают область пространственного заряда, как и в вакуумном диоде, вследствие чего их анодные вольтамперные характеристики почти тождественны. В то же время для получения односторонней проводимости используется п—р переход, как и в обычном полупроводниковом диоде.

Если в слой сульфата кадмия между анодом и катодом инжек­ ционного диода поместить управляющую сетку, выполненную в виде проводящих полосок, образующих дополнительный п—р переход,

103

то получится инжекционный триод. Работает он примерно так же, как и вакуумный триод: управляющая сетка, помещенная вблизи катода, может своим полем препятствовать или способствовать про­ хождению электронов и тем самым изменять величину тока. Инжекционные диоды и триоды сочетают в себе положительные качества электронных ламп и полупроводниковых приборов обычной кон­ струкции. Они не требуют подогрева катода, работают в широком диапазоне температур, могут работать на СВЧ, так как в них ско­ рость движения электронов весьма велика, а междуэлектродные расстояния малы. Производство инжекционных диодов и триодов может быть полностью автоматизировано.

§ 41 . Гальваномагнитные приборы

Если пластинку проводника или полупроводника, по которой протекает электрический ток, поместить в магнитное поле, то оно искривит траектории носителей зарядов. Вследствие этого между боковыми гранями возникает э. д. с. Холла (или гальваномагнит­ ная э. д. с ) , пропорциональная силе тока и напряженности магнит­ ного поля. Это явление используется при создании различных при­ боров для измерения токов и магнитных полей — галъваномагнитных приборов.

Гальваномагнитные эффекты наблюдаются не только в полупро­ водниках и проводниках, но и в жидкостях и в газовой плазме, везде, где движутся носители тока и действуют магнитные поля.

В полупроводниках действие магнитного поля приводит к появле­ нию не только э. д. с ; искривление траектории электронов и дырок уменьшает скорость их движения вдоль заданной оси, что равно­ значно увеличению электрического сопротивления. У некоторых полупроводников относительное увеличение сопротивления в магнит­ ном поле велико и может доходить до 105 раз.

Например, в кристалле антимонида индия можно вырастить игольчатые кристаллы антимонида никеля, которые могут быть строго ориентированы в заданном направлении. Антимонид никеля проводит ток лучше, чем антимонид индия, и если пропустить ток через кристалл перпендикулярно к иглам антимонида никеля, то проводимость будет определяться только антимонидом индия.

Если магнитное поле действует перпендикулярно кристаллу, то возникает э. д. с. Холла, но она будет замыкаться накоротко хорошо проводящими иглами антимонида никеля. При этом действие магнит­ ного поля на движущиеся в антимониде индия электроны сохра­ нится и не будет компенсироваться холловским полем, что приведет к большому магнитосопротивлению пластинки. Сопротивление воз­ растает во много раз даже при слабых магнитных полях.

На эффекте Холла основана работа разнообразных датчиков, позволяющих измерять: переменные и постоянные магнитные поля, тока и мощности, давление, микроперемещения и вибрации, спектры

104

и фазовые соотношения между гармониками в сложных периодических напряжениях. Магниторезистивный эффект используется в усилите­ лях и генераторах, модуляторах и детекторах, делителях и умножи­ телях, сумматорах, преобразователях, электрических компасах, дозиметрах нейтронных потоков

ит. д.

Вчастности, прибор выпол­

нальна потребляемой мощности. При подаче на оба входа напряже­

в электролитах при протекании электрического тока. С помощью химотронных приборов можно усиливать, преобразовывать, запоми­ нать и генерировать электрические сигналы самой разнообразной формы. Отличительной особенностью химотронных приборов яв­ ляется простота конструкции, малое потребление энергии питания, неограниченный срок службы, малые габариты, малый вес, высокая надежность. Часто один химотронный прибор может заменить целое устройство, выполнение которого на полупроводниковых приборах может потребовать несколько десятков транзисторов, диодов и дру­ гих элементов.

Устройство химотронного диода показано на рис. 50, а. Стеклян­ ная ампула с объемом в несколько десятков мм3 заполнена электро­ литом (водным раствором йодистого калия), в который введены пла­ тиновое острие анода и плоская платиновая пластинка катода. При включении диода в электрическую цепь положительные ионы электролита начинают перемещаться к катоду, а отрицательные — к аноду и на поверхностях анода и катода начинают протекать окис­ лительно-восстановительные процессы. Если площади электродов одинаковы, то окислительно-восстановительные процессы уравнове­

При напряжении в 0,2—0,3 в происходит насыщение анодного тока,

105

что позволяет использовать химотронные диоды в качестве стабилиза­ торов напряжения.

Если площадь анода на несколько порядков меньше площади катода, то вольт-амперная характеристика становится резко несим­ метричной — ток протекает преимущественно в одном направлении.

Недостатком химотронного диода является относительно малый ток (десятки — сотни микроампер), а также относительно большое время установления. После включения прибора проходит несколько десятков секунд, прежде чем в нем устанавливается нормальный про­ цесс. Для увеличения рабочего тока и снижения времени установле­ ния катод часто делают подогревным. При этом ток увеличивается

в десятки раз, а время установления становится весьма малым и не превышает нескольких секунд. К недостаткам химотронных диодов относится также довольно сильная зависимость параметров от тем­ пературы, например прямой и обратный токи возрастают на 2 — 3% на каждый градус.

Химотронный диод является многофункциональным прибором, он может быть использован как интегратор, как счетчик времениt счетчик количества электричества и т. д. Например, если между катодом и анодом установить пористую перегородку, которая при отсутствии внешнего воздействия препятствует перемешиванию электролита анодной и катодной областей, то получится инте­ гратор. При включении анодного напряжения в зависимости от его величины и времени действия произойдет частичное перемешивание растворов: ионы из анодной области будут перемещаться в катодную» а им навстречу будут диффундировать отрицательные ионы. При перемешивании электролитов происходит изменение их прозрач­ ности, удельного веса или цвета, что и является основой для отсчета измеряемой величины. Если анодное напряжение постоянно, то интегратор может быть использован как счетчик времени. Для изме­ рения количества электричества, прошедшего через прибор, он вклю­ чается в электрическую цепь на заданное время. Точность отсчета интегратора может составлять 1—2% за время в несколько тысяч часов. Для более точного определения количества электричества, прошедшего через интегратор, можно измерить концентрационную

106

э. д. с. между электродами. Особенностью двухэлектродных интегра­ торов является то, что весьма затруднительно считывать результат во время прохождения тока, т. е. нельзя осуществлять текущий кон­ троль за измерением. Этот недостаток устранен у многоэлектродных интеграторов. Если в анодный отсек интегратора поместить вспомога­ тельный электрод, то он образует дополнительную электрохими­ ческую ячейку с основным электродом. Предельный ток ячейки пропорционален концентрации ионов и, если подключить к этим электродам микроамперметр, по его показаниям можно судить о из­ менении концентрации ионов в отсеке. При этом микроамперметр может быть отградуирован непосредственно в единицах количества электричества.

В последнее время разработаны твердофазные интеграторы, прин­ цип действия которых основан на изменении состояния самих элек­ тродов или на переносе вещества с одного электрода на другой (кулономеры и мемисторы). Мемисторами называются управляемые элек­ трохимические сопротивления. Мемистор, как и обычный химотронный диод, состоит из двух электродов, помещенных в раствор элек­ тролита. Один из электродов — резистивный — имеет два вывода и выполняется из родия. Второй электрод обычно выполняется из

электрод на резистивном электроде выделяется медь, уменьшая его сопротивление. Величина этого сопротивления может изменяться от нескольких сотен до нескольких омов. Важной особенностью мемисторов является память: при отключении от электрической сети измеренный сигнал сохраняется очень долго.

На основе химотронного диода, введя несколько дополнительных электродов, регулирующих скорость протекания окислительно-вос­ становительных процессов на аноде и катоде, можно создать усили­ тельные химотронные приборы — триоды, тетроды и пентоды. Химотронные усилительные приборы имеют достаточно высокие усили­ тельные свойства, например крутизна характеристики достигает нескольких десятков ма/в, коэффициент усиления по напряжению может доходить до нескольких тысяч. При этом собственные шумы в несколько раз меньше шумов транзисторов или электронных ламп. Напряжение анодного питания также весьма мало, составляет деся­ тые доли вольта, вследствие чего потребляемая энергия питания не превышает десятых и даже сотых долей милливатта. На рис. 50, г приводится схема трехэлектродного химотронного усилителя. Рас­ стояние между общим и выходным электродом обычно не превышает 0,2 мм, а между входным и выходным — 1,5 мм. При подаче сигнала на вход изменяется концентрация ионов в межэлектродном простран­ стве: она повышается или убывает в зависимости от полярности при­ ложенного напряжения. Прибор имеет массу не более 0,5 г, крутизна характеристики — не хуже 10—15 ма/в, частотный диапазон — от нуля до 10 ГЦ.

107

Крупным недостатком современных химотронных приборов яв­ ляется то, что они не могут работать на частотах выше нескольких сотен герц вследствие малой подвижности ионов электролитов.

§43. Электроакустические усилительные приборы

Внекоторых полупроводниках (например, сульфиде и селениде кадмия) наблюдается пьезоэлектрический эффект, позволяющий создавать электроакустические усилительные приборы.

Если к торцам полупроводникового кристалла, обладающего пьезоэффектом, приложить постоянное напряжение такой величины, чтобы скорость движения электронов вдоль оси кристалла превышала скорость распространения ультразвуковой волны, то амплитуда волны будет возрастать по мере движения вдоль оси кристалла.

чего ультразвуковой волне передается энергия потока электронов. Но это возможно только в том случае, если скорость движения элек­ тронов несколько больше скорости распространения ультразвуковой волны. Если скорость движения электронов будет меньше скорости распространения ультразвуковой волны, то волна будет ослабляться (по такому же принципу работают лампы бегущей волны, рассмотрен­ ные выше). Устройство электроакустического усилителя чрезвычайно просто: к торцам полупроводникового стержня (длиной 1—2 см) из сульфида кадмия приложено ускоряющее напряжение и присоеди­ нены электромеханические преобразователи, преобразующие элек­

Если освещать кристалл сульфида кадмия и одновременно про­ пускать через него ультразвуковое колебание, то при этом возникает электрическое поле, которое создает э. д. с , направленную вдоль распространения волны. Во время экспериментов было получено напряжение более 100 в на 1 см длины кристалла. Это является эф­ фективным способом преобразования механической энергии непо­ средственно в электрическую. С образца сульфида кадмия размером 10 X 10 X 10 мм была получена электрическая мощность 50 вт при к. п. д. до 40% .

Упражнения к главе I X

1.Чем вызывается гистерезис: а) в ферромагнетиках; б) в сегнетоэлектриках?

2.Как сказывается повышение температуры на характеристики магнитных

идиэлектрических запоминающих устройств?

3.Чем ограничивается быстродействие: а) магнитных; б) диэлектрических усилителей?

108

4. Почему при освещении некоторых полупроводниковых пьезоэлектриков одновременно с механическими воздействиями в них возникает электриче­ ское поле?

5. Как сказывается на работе химотронных приборов воздействие сильных магнитных полей?

Глава X

ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Под шумами понимаются случайные самопроизвольные измене­ ния (флюктуации) напряжений и токов в электронных приборах. Флюктуационные шумы обусловлены дискретной природой электри­ ческого тока и различными физико-химическими процессами, проис­ ходящими в приборах. Электрический ток является результатом на­ правленного перемещения электронов (или ионов), заряд которых дискретен, поэтому электрический ток оказывается состоящим из огромного числа сверхкоротких импульсов тока, разделенных чрез­ вычайно малыми промежутками времени. Длительность каждого элементарного импульса тока в среднем составляет 5 - 1 0 " 1 0 сек, а интервал между импульсами

тока, в электронных приборах имеют место шумы, вызываемые эф­ фектом случайного перераспределения токов между электродами, локальными изменениями на поверхностях катодов и кристаллов, процессами ионизации и рекомбинации и т. д. Собственные шумы усилительных электронных приборов в значительной мере ограничи­ вают возможности радиоэлектронной аппаратуры. Современные уси­ лители могут обеспечить практически любое, сколь угодно большое усиление электрического сигнала, но это не означает, что величина усиливаемого сигнала может быть как угодно мала. Если величина сигнала оказывается соизмеримой с величиной собственных шумов электронных приборов усилителя, то различение усиленного сигнала на фоне шумов затрудняется и даже может стать невозможным.

На зажимах любого электрического проводника, находящегося при температуре выше абсолютного нуля, имеется напряжение шу­ мов, появляющееся в результате теплового движения электронов

109