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

проводимости. Энергетическая спектральная плотность тепловых шумов величина постоянная и от частоты не зависит, а определяется только температурой проводника и величиной его сопротивления

и зависит от частоты, энергетический спектр тепловых шумов также будет зависеть от частоты. В этом случае необходимо учитывать только

через проводник электрического тока и обусловлен тем, что сопроти­ вление проводника непостоянно, а непрерывно и сравнительно мед­ ленно изменяется. Шумы эффекта мерцания особенно сильно про­ являются у различных непроволочных резисторов (угольных, угле­ родистых, металлизированных), в структуре которых при прохожде­

а= 0,6 — 2;

Р= 1 - 2 ;

ф(Т) — функция, учитывающая температуру резистора.

НО

Щумы обычно статистически независимы, поэтому квадратичный эффект результирующего шума равен сумме квадратичных эффектов отдельных шумов:

§ 44. Шумы электронных ламп

Дискретная природа электрического тока проявляется в электрон­ ных лампах в виде шумов дробового эффекта. Анодный ток не яв­ ляется непрерывным, а слагается из огромного числа элементарных импульсов тока: каждый приходящий на анод электрон вызывает появление в анодной цепи элементарного импульса тока.

Поскольку длительность каждого элементарного импульса очень мала, спектр дробового шума чрезвычайно широк, а его энергетиче­

Дробовые шумы усилительных электронных ламп принято выра­ жать или через эффективное значение тока шума в анодной цепи

которое считается приложенным к управляющей сетке данной лампы

впредположении, что эта лампа идеальная и сама шумов не вносит.

Вэтих выражениях: А — постоянная, равная для триода 0,22—0,24; S — крутизна характеристики.

Исследования показывают, что дробовые и тепловые шумы, отли­ чающиеся друг от друга по происхождению, имеют одинаковые стати­ стические характеристики и могут быть выражены одними и теми же формулами, но с разными коэффициентами.

Это позволяет представить электронную лампу в виде эквивалент­ ного сопротивления, подключенного к управляющей сетке нешумящей лампы.

Эквивалентное шумовое сопротивление триода в предположении,

Эквивалентное шумовое сопротивление триодов зависит от режима работы: чем больше крутизна характеристики и, следовательно, больше анодный ток, тем меньше дробовые шумы. Однако это спра­ ведливо при работе в режиме пространственного заряда, когда не все электроны, эмиттированные катодом, уходят к аноду. При работе в режиме насыщения дробовые шумы могут увеличиться в несколько раз.

111

Дробовые шумы многосеточных ламп в несколько раз выше, чем шумы триодов. Это объясняется в первую очередь флюктуациями коэффициента распределения анодного тока.

Эквивалентное шумовое сопротивление пентода может быть опре­ делено как

превышают дробовые шумы. Основной причиной шумов эффекта мер­ цания является несовершенство обработки поверхности катода, про­ являющееся в том, что эмиссионная способность различных участков катода различна и непостоянна во времени. В результате этого вели­ чина анодного тока сравнительно медленно изменяется около своего

Эффект мерцания проявляется тем сильнее, чем больший ток отбирается с поверхности катода. Поэтому усилительные лампы, используемые в первых каскадах усилителей напряжений звуковых

112

и инфразвуковых частот, работают при малых анодных токах и малых анодных напряжениях.

Кроме того, в электронных лампах имеют место шумы, возника­ ющие в результате флюктуации ионного сеточного тока.

В электронных лампах также наблюдаются вибрационные шумы, вызванные колебаниями электродов. Особенно чувствительно при этом изменение промежутка катод — сетка, так как его величина обычно мала и может доходить до 20 мк. Поэтому малейшее колеба­ ние сетки приводит к изменению анодного тока. Основной мерой борьбы с вибрационными шумами является амортизация усилителей и применение нувисторов — ламп сверхжесткой конструкции.

Абсолютное среднеквадратичное значение шумов усилителя, отне­ сенных к его входной цепи, является важным параметром, опреде­ ляющим степень пригодности усилителя для усиления малых сиг­ налов.

Кроме абсолютной оценки шумов часто используется относитель­ ная оценка, так называемый коэффициент шумов или шум-фактор. Под коэффициентом шумов понимается отношение

тронного прибора в целом, не выделяя и не учитывая в отдельности

Коэффициент шума у современных электронных ламп обычно не превышает 2—3 дб. В настоящее время одной из лучших низкочас­ тотных электронных ламп с минимальными шумами является нувистор типа 6С62Н, у которого среднее значение шума, приведенного к цепи управляющей сетки, не превышает 0,7 мкв (в полосе частот 20 гц — 20 кгц). При этом коэффициент шумов на частотах 100— 1000 гц не превышает 0,1 дб.

§45. Шумы биполярных транзисторов

Утранзисторов наблюдаются шумы эффекта мерцания, дробовые

итепловые.

Тепловые шумы возникают в распределенных сопротивлениях эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. Распре­ деленные сопротивления эмиттерной и коллекторной областей по сравнению с распределенным сопротивлением базы весьма малы

и могут не учитываться. Величина тепловых шумов за счет сопроти­ вления базы определяется как

Дробовые шумы в транзисторах возникают при протекании тока через эмиттерный и коллекторный переходы, а также в результате перераспределения тока эмиттера между базой и коллектором.

Шумы коллекторного перехода определяются по формуле

вида нерегулярностями в кристаллической решетке полупроводника, а также процессами, происходящими на его поверхности: образова­ нием тонких проводящих пленок, шунтирующих переходы, нерегу­ лярной утечкой тока в цепях коллектор — база, база — эмиттер, коллектор — эмиттер и т. д. Шумы эффекта мерцания являются след­ ствием несовершенства технологии изготовления транзисторов.

Величина шумов эффекта мерцания обратно пропорциональна частоте

р == 0 , 5 - 1 , 5 .

Шум-фактор у лучших высокочастотных транзисторов (например, П416Б, ГТ310А) не превышает 1 дб. В области низких частот образцы транзисторов (П28, КТ312) имеют коэффициент шума 1,5—3 дб.

§46. Шумы полевых транзисторов

Вполевых транзисторах наблюдаются: тепловые шумы токопроводящего канала; дробовые шумы тока затвора; шумы эффекта мер­ цания.

Среднеквадратичное значение тока дробового шума в основном определяется током затвора 13

114

Шумы эффекта мерцания зависят от многих причин и в первую очередь определяются чистотой исходных материалов и состоянием поверхности кристалла

Ul. м = BUtS-if* Д/ф (Т), (114)

где В — конструктивная постоянная; U о — напряжение исток — сток;

а= 0,5 — 1,5;

Р= 1 — 2.

Лучшие образцы полевых транзи­ сторов на частотах 100—1000 гц имеют коэффициент шума не более 0,5 дб.

На рис. 52 приводится усред­ ненная зависимость шум-фактора

годнейшие сопротивления источников сигнала. В случае биполяр­

4.Имеют ли место тепловые и мерцательные шумы в приборах стимулиро­ ванного излучения?

5.Ограничивает ли дискретная природа электрического тока возможность работы с сигналами, период которых сравним с длительностью элементарных импульсов тока, вызываемых перемещениями отдельных электронов?

Глава X I

НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Под надежностью электронного прибора принято понимать веро­ ятность сохранения его работоспособности в течение заданного ин­ тервала времени. При этом в известных пределах допустимо измене­ ние основных параметров: уменьшение коэффициента усиления, изменение входного и выходного сопротивлений, увеличение шумов и т. д. В общем случае выход приборов из строя — отказ или резкое изменение их параметров — является событием случайным. Вероят­ ность отказа в течение заданного промежутка времени с достаточной степенью точности подчиняется экспоненциальному закону

сивность отказов аппаратуры, содержащей М одинаковых приборов, увеличивается в М раз:

Таким образом, чем надежнее должна быть аппаратура в целом, тем надежнее должен быть каждый отдельный ее элемент. Например, если в аппаратуре содержится 103 одинаковых приборов и каждый из них имеет среднее время безотказной работы 103 ч, то в среднем каждый час аппаратура будет выходить из строя. Экспоненциальная зависимость вероятности выхода прибора из строя приводит к тому, что по истечении среднего времени безотказной работы работоспособ­ ность сохраняет лишь 30—40% приборов. Поэтому для повышения надежности аппаратуру на малонадежных приборах необходимо предварительно «тренировать», постепенно заменяя выбывшие при­ боры новыми.

§ 47. Надежность электронных ламп

Различают частичные и полные отказы. Частичные отказы обу­ словлены постепенным изменением параметров ламп — уменьше­ нием крутизны характеристики, увеличением шумов и снижением входного сопротивления, уменьшением выходной мощности, умень­ шением токов анода и экранной сетки. Это происходит вследствие потерь эмиссионной способности катода, распыления активного

116

или нарушением вакуума вследствие разрушения колбы лампы. Полные отказы возникают при резких нарушениях режима ра­ боты, например при внезапном увеличении напряжения питания, механических ударах и т. д. Кроме того, во время первых сотен часов работы полные отказы могут быть обусловлены проявлением

скрытых производственных дефектов.

На рис. 53, а приведена зависимость отказов электронных ламп от времени. Максимум отказов приходится на первые 100—200 ч, когда в основном выявляются производственные дефекты. Затем идет

пологий участок (500—5000 ч), на котором интенсивность отказов практически постоянна (рис. 53, б), далее происходит увеличение отказов вследствие старения ламп. Для работы в особо сложных условиях применяются сверхдолговечные лампы, у которых пологий участок кривой отказов простирается до 105 ч. Интенсивность отказов у лучших электронных ламп достигает 10" 6 1/ч. У обычных ламп Я = 10"8 - М О " 4 1/ч.

§ 48. Надежность полупроводниковых приборов

Современные полупроводниковые приборы имеют среднее время безотказной работы до 108 ч (около 10* лет). Существует 4 вида отказов полупроводниковых приборов: короткое замыкание между электродами; пробой п—р перехода; обрыв в цепи электродов; изменение электрических параметров. Это обусловлено самыми разно­ образными физико-химическими процессами, происходящими в полу­ проводниковых кристаллах. Главным фактором, ускоряющим проте­ кание процессов, которые приводят к выходу из строя полупровод­ никовых приборов, является температура: при увеличении темпера­ туры от 40 до 80° С интенсивность отказов увеличивается в среднем в 10 раз. Наиболее часто отказы полупроводниковых приборов про­ исходят из-за дефектов на поверхности кристаллической структуры. При воздействии влаги и газов происходит разрушение поверхности кристалла полупроводника и возникают слои отрицательных или

117

положительных зарядов, вызывающих изменение концентрации носителей зарядов вблизи п—р перехода. Это сильно увеличивает обратный ток перехода, уменьшает пробивное напряжение и коэффи­

ственно увеличена за счет стабилизации условий на поверхности кристалла и ее защиты от внешних воздействий, что осуществляется помещением кристалла внутрь герметичного металлического или пластмассового корпуса. Кроме того, применяется инертное покрытие кристаллов различными защитными лаками. В последнее время для защиты поверхности кремниевых транзисторов используют дву­ слойные пленки нитрида кремния и двуокиси кремния. Эта комбини­ рованная защитная пленка создает очень стабильное условие на поверхности кремния. В связи с этим оказалось возможным кремние­ вые приборы выполнять без защитного герметичного корпуса, за­ крывая кристалл полупроводника (после покрытия этой пленкой) простейшей светозащитной пластмассой.

Причиной отказов являются также кратковременные перегрузки из-за резкого изменения напряжения питания или вследствие удар­ ных механических деформаций.

§ 49. Надежность плазменных приборов

Отсутствие у большинства плазменных приборов термоэлектрон­ ного катода, являющегося причиной малой надежности электронных ламп, более чем на два порядка увеличивает их надежность по сравне­ нию с лампами. Средний срок службы тиратрона тлеющего разряда в режиме малых токов достигает 105 ч, а у лучших образцов интен­ сивность отказов достигает той же величины, что и у полупроводни­ ковых приборов — 10"8 1/ч.

§ 50. Радиационная стойкость электронных приборов

Электронные лампы сравнительно устойчивы к воздействию про­ никающей радиации — некоторые образцы металлокерамических ламп выдерживают потоки нейтронов с плотностью до 101 8 нейтр/с - см2

в 101 5 нейтр/с-см2 в течение нескольких минут выходят из строя: происходит растрескивание стекла, уменьшение эмиссионной спо­ собности катода, возрастание тока утечки между электродами, ухуд­ шение вакуума и увеличение шумов. Также губительно действует радиация и на плазменные приборы, большинство которых имеет стеклянные баллоны и активированные холодные катоды.

Полупроводниковые приборы (кроме туннельных диодов) еще более чувствительны к проникающей радиации. В частности, при

118

воздействии в течение 1 мин потока нейтронов с интенсивностью10 1 2 нейтр/с-см2 происходит полный отказ 15% полевых транзисто­ ров, 20—30% диодов и 70—80% биполярных транзисторов.

нием новых веществ в результате радиационных делений, что при­ водит к резкому изменению электропроводности. В ряде случаев наблюдается даже изменение типа проводимости.

триоды, Н — двойные триоды, Э — тетроды, П — лучевые тетроды или мощные пентоды, Р — двойные тетроды и пентоды, К, Ж — пентоды, А, И — много­ сеточные и комбинированные смесительные лампы, Б — диод-пентоды, В — лампы со вторично-электронной эмиссией, Г — диод-триоды, Е — электросвето­ вые индикаторы, Л — электронно-лучевые лампы, Ф — триод-пентоды, 3-й элемент обозначения — число, указывающее порядковый номер заводской разработки; 4-й элемент обозначения — буква, указывающая на конструктивное оформление: Р — стеклянный баллон диаметром до 5 мм, А — стеклянный бал­ лон диаметром до 8 мм, Б — стеклянный баллон диаметром до 10,2 мм, Г — стеклянный баллон диаметром до 19 мм, П — стеклянный баллон диаметром до 22,5 мм, С — стеклянный баллон,диаметром свыше 22,5 мм, Н — нувистор, Д — лампа с дисковыми выводными электродами (отсутствие четвертого эле­ мента указывает на металлический баллон); 5-й элемент обозначения — буква, указывающая на особый признак конструктивного выполнения лампы: Е —

1-й элемент обозначения — буквы, указывающие на тип лампы и область ее применения: ГК — генераторные лампы для работы на частотах до 30 мгц, ГУ — генераторные лампы для работы на частотах до 300 мгц, ГС — генератор­ ные лампы для работы на частотах свыше 300 мгц, ГМ — модуляторная лампа, ГИ — импульсная генераторная лампа, ГМИ — модуляторная импульсная лам­ па, ГП — регулирующая лампа непрерывного действия; 2-й элемент обозначе­ ния — порядковый номер заводской разработки; 3-й элемент обозначения — буква, указывающая на тип охлаждения: А — водяное, В — воздушное, П — испарительное (отсутствие буквы означает естественное охлаждение).

Электронные лампы с управлением положения электронного луча в про­ странстве и электросветовые приборы.

1-й элемент обозначения — число, округленно указывающее на диаметр (или размер по диагонали) экрана в сантиметрах; 2-й элемент обозначения — буквы, указывающие на тип лампы: ЛО — ЭЛТ с электростатическим управле­ нием, Л К , ЛМ — кинескопы (с магнитным отклонением), ЛС — характроны, Л Н — запоминающие приборы, ЛНС — запоминающие приборы со знаковой индикацией; 3-й элемент обозначения — номер заводской разработки; 4-й эле­ мент обозначения — цвет свечения экрана электросветовых приборов: А — синее, В, М — голубое, Г — темновая запись, Д — голубовато-зеленое, дли­ тельное послесвечение, Е — двухцветное, И — желто-зеленое, К — розовое, У — светло-зеленое, Р — сине-фиолетовое, С — оранжевое.

119