Для вычисления флуктуационных токов в триодах и других лампах с сетками используют ту же ф-лу (13.20), что и для дио да, но учитывают в коэффициенте F2 возрастание шумов, вы званное токораспределением между положительно заряженными электродами и динатронным эффектом (если последний имеет место). Так, по измерениям Стретта, для триодов /72 = 0,05, а для высокочастотных пентодов обычной конструкции F2 = 0,28, т. е. более чем в пять раз больше по сравнению с триодами.
§ 13.6. Шумовые параметры электронных ламп
Для количественной оценки уровня собственных шумов в лампах с сетками обычно пользуются не непосредственно вели
чиной /«, (13.20), а более сложными параметрами, вводимы ми путём «пересчёта» шумов из анодной цепи в цепь управляю щей сетки. К числу таких параметров относятся: эквивалентное напряжение шума на сетке Ucul , удельное эквивалентное на
пряжение шума на сетке Ucul и эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов . Второй и третий параметры яв ляются взаимозаменяемыми.
Эквивалентное напряжение шума на сетке определяется сле
дующим образом |
(рис. 13.20). Лампу |
считают |
идеальной |
(не |
|
шумящей), а ток флуктуаций в её |
|
анодной цепи, обусловленный рас |
|
смотренными в предыдущем парагра |
|
фе причинами, |
считают |
вызванным |
|
действием |
генератора |
шумовой |
|
эдс, |
|
включённого |
в |
цепь |
управляющей |
|
сетки. Напряжение |
этого |
генератора |
|
Исш должно быть таким, чтобы выз |
|
вать прохождение в анодной цепи пе |
|
ременного |
тока, |
выделяющего |
в |
на |
|
грузочном |
сопротивлении |
такую |
же |
мощность, что и переменный ток флуктуаций |
1Ш. Другими сло |
вами, должно выполняться соотношение: |
Iut=SUclu (при ма |
лых амплитудах переменного напряжения на сетке ia~ = |
Sec^ |
где 5 — крутизна |
характеристики |
анодного |
тока). |
Следова |
тельно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и сш = Y |
' |
|
|
|
|
|
(13-21) |
Формула (13.21) может служить определением эквивалентно го напряжения шума на сетке. Благодаря такому выбору шу мового параметра можно непосредственно сравнить напряжение полезного сигнала U с, действующее в цепи управляющей сетки, с «напряжением шумов» ИсШ, т. е. найти отношение сигнал/шум. Это позволяет более полно, чем с помощью параметра 1Ш, оце нить шумовые свойства ламп в усилительных схемах.
Как следует из ф-лы (13.21), величина шумового параметра Uclu зависит не только от флуктуационных токов в лампе, но и от её усилительных свойств (через крутизну S). Чем большее усиление переменного напряжения способна давать лампа, тем меньшее напряжение UCUI потребуется для того, чтобы вызвать прохождение в её анодной цепи тока, равного 1Ш, тем лучше бу дет отношение сигнала к шуму.
Возводя ур-ние (13.21) в квадрат и подставляя в него выра
жение для 12ш из (13.20), |
получаем следующую формулу: |
^ |
= |
(13-22) |
которая показывает, что эквивалентное шуму напряжение на сетке зависит не только от свойств лампы, но и от схемы (от полосы пропускания усилителя Дf ).
Для того чтобы дать оценку самой лампе в отношении соз даваемого ею шума независимо от полосы пропускания усили теля, 'берут удельное эквивалентное напряжение шума на сетке,
отнесённое к полосе частот A f = l кгц
|
U |
= |
= |
S ' |
(13.23) |
|
|
сш \Y а } |
|
Величину |
этого |
напряжения |
U’cul |
измеряют в мкв/кгцV». |
Удельное |
эквивалентное |
напряжение |
шума на сетке в на |
ших лампах равно: в триодах 0,15-*- 0,25 мкв/кгц1/2,в экраниро ванных тетродах 0,65 ч- 0,70 мкв/кгц*!2 и в металлических высо
кочастотных пентодах 0,40 ч- 0,45 мкв/кгц*I*.
Ещё удобнее оценить уровень шума в лампе величиной экви валентного сопротивления внутриламповых шумов. Такой спо соб оценки ламповых шумов основан на том, что всякое сопро тивление «шумит», так как в нём создаются флуктуационные токи за счёт собственных тепловых скоростей электронов.
Электроны проводимости, участвуя в тепловом движении, перемещаются внутри проводника во всевозможных направле ниях, в результате чего в каждом достаточно малом объёме про водника число находящихся там электронов оказывается непо стоянным. Заряды и потенциалы этих объёмов будут вообще различными, что приводит к возникновению уравнивающих то ков. Флуктуации тока создают флуктуации напряжения на за жимах проводника тем большие, чем больше величина сопротив ления проводника. Разложение переменного напряжения флук туаций в интеграл Фурье даёт равномерный спектр частот теп ловых шумов, подобно спектру дробового эффекта. Для вы
числения эффективного значения напряжения |
флуктуаций в |
полосе частот Д f пользуются |
формулой |
|
£/* = |
4kTR Д f, |
(13.24) |
где R —■величина «шумящего» сопротивления, Т — его абсолют ная температура, k — постоянная Больцмана.
Эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов опре деляется из условия, что, будучи включено в цепь управляющей сетки, это сопротивление своим флуктуационным напряжением создаёт в анодной цепи ток флуктуаций такой же, какой соз даётся в лампе за счёт её физических свойств. Очевидно, что для выполнения этого условия напряжение флуктуаций эквивалент ного сопротивления должно равняться эквивалентному напря жению шума на сетке^сш в заданной полосе частот. Поэтому дляопределения эквивалентного по шуму сопротивления при равниваем выражения (13.22) и (13.24)
4 k T R ^ f = 2eIaF * ^ b f |
(13.25) |
и определяем из этого уравнения величину /?ш
/?ш = |
— |
F 4 a ^ - . |
'(13.26) |
ш |
2kT |
а S2 |
|
Выразив в ф-ле (13.26) 1а в ма, S в Maje и подставив чис ленные значения е, k и 7’=290°К (комнатная температура), по лучим Rw в ом
|
Rm— 2- 10iF2/ a- ~ . |
|
|
(13.2Г) |
Для триодов Rm обычно составляет от 0,5 до |
1,5 |
ком; |
для |
высокочастотных пентодов обычной конструкции |
Rut = 2-5-5 ком, |
для экранированных тетродов /?ш = 30 -5-40 ком. |
В специальных |
конструкциях «малошумящих» |
триодов и пентодов |
достигнуто |
Rm порядка 100-5- 300 ом. |
|
|
|
|
|
|
|
Из ф-л (13.23) и (13.26) можно установить следующее соот |
ношение между удельным эквивалентным напряжением |
шума |
на сетке U'cU1 и эквивалентным |
сопротивлением внутриламповых |
шумов Rm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R = |
е |
F2 2е!ад2 |
1 |
/ц> \а |
|
|
(13.28) |
“ |
2kT |
2eS2 |
|
AkT |
' сш' |
|
|
|
|
|
|
|
Принимая 7’=290°К и измеряя |
Rmв ком и U'cut |
в мкв/кгц^/г^ |
(юлучим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я ш ~63 (U’cm)\ |
|
|
|
(13.29) |
На практике часто пользуются следующими приближёнными |
формулами для вычисления шумовых параметров: |
|
|
|
1) в триоде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
(13.30) |
Эта. формула получается из выражений (13.27) и (13.19) при замене в последнем средней крутизны диода S0 крутизной трио
да S |
и подстановке Т к для оксидного катода |
|
1100°К. Если кру |
тизна выражена в ма/в, то R m получается в ком. |
2) |
в пентоде |
|
|
|
|
|
Rm |
h i — !л------( 1 + |
8 - ^ |
. |
(13.31) |
|
|
S Ia ^r 1съ \ |
S ) |
|
|
Здесь токи / а и / с2 |
взяты в ма, крутизна S |
в ма/в и сопротив |
ление |
R,u в ком. Множитель перед скобками |
|
приближённо оп |
ределяет шумы в триоде [ср. с ф-лой (13.30)], второй член в скоб ках, численно равный в большинстве ламп нескольким едини цам (3-^-5), показывает, какое увеличение шумов имеет место в пентоде по сравнению с триодами из-за флуктуаций токораспределения между анодом и экранирующей сеткой. При 1С2->-0 шумы пентода приближаются к шумам триода.
Измерение уровня внутриламповых шумов величиной экви валентного сопротивления имеет то преимущество, что позво ляет арифметическим суммированием находить общий шум лам пы и тех сопротивлений, которые в усилительных схемах обыч
но бывают включены в цепь сетки, тогда как |
при |
измерении |
шума лампы эквивалентным напряжением UCIU общий шум дол |
жен определяться геометрической суммой |
|
|
V.= VU'- +Ui-- |
|
( 13- 32) |
где URut — флуктуационное напряжение шума |
на |
сопротивле |
нии, включённом в цепь сетки.§ |
|
|
§13.7. Зависимость шумов от конструкции
ирабочего режима лампы
Зависимость шумов от конструкции лампы
Шум пентода зависит от соотношения токов 1а я Ici: чем больше ток / с2, тем сильнее проявляются флуктуации анодно го тока [ф-ла (13.31)]. Для уменьшения тока экранирующей сетки следует делать её более редкой, из более тонкой проволо
ки и работать при небольших £/с2 . Фокусировка |
"электронных |
потоков в лучи, способствуя уменьшению тока |
/ с2 , позволяет |
тем самым значительно уменьшить внутриламповые шумы. При мером ламп, где шумы уменьшены благодаря более совершенной электронной оптике, являются пентоды со стержневыми электро дами (§11.5).
Весьма |
эффективным способом уменьшения уровня |
шумов |
в лампах |
является увеличение крутизны характеристики S. В |
современных широкополосных пентодах и триодах с |
большой |
крутизной |
(18 20 ма/в и более), получающейся за счёт умень- |
шения расстояния катод—управляющая |
сетка |
до 20 40 мк. |
удаётся снизить уровень шумов до 7?ш = 100 |
300 ом. |
Для уменьшения величины коэффициента F2 применяют ок |
сидные катоды с большим запасом тока |
эмиссии. |
Решающее значение для чувствительности |
приёмно-усили |
тельного устройства имеет шум, даваемый первой лампой, на сет ку которой подаётся сигнал из антенны, так как шум этой лам пы усиливается наравне с сигналом всеми последующими сту пенями усилителя. В качестве первой лампы, усиливающей сиг нал по высокой частоте, используются, как правило, пентоды и триоды с малым уровнем шумов.
В некоторых супергетеродинных приёмниках первой лампой яв ляется преобразовательная (смесительная) лампа. Для расчёта
шумов в этих лампах |
используются ф-лы (13.22) |
и (13.26), |
в |
которые надо подставить значение анодного тока |
1а |
рабочего |
режима при переменном напряжении на гетеродинной |
сетке |
и |
крутизну преобразования Snp вместо статической |
крутизны |
S. |
Так как S„p равняется |
примерно-|-S^axe и, кроме того, |
вследст |
вие большего числа |
положительно заряженных |
электродов |
коэффициент F2 в гептодах всегда больше, чем в пентодах, шум в гептодах значительно превосходит шум пентодов и оценивает ся величиной эквивалентного сопротивления Rm порядка 70 -г- 80 ком. Это сопротивление зависит от амплитуды перемен ного напряжения гетеродина и при увеличении 0 тг несколько уменьшается.
Большой собственный шум преобразовательных и смеситель ных ламп вызывает необходимость применять в хороших приём никах усиление по высокой частоте на пентодах или триодах до преобразовательной ступени; хотя усиление, даваемое таким усилителем, может быть и невелико, но отношение сигнал/шум на входе приёмйика, определяющее его чувствительность, де лается более выгодным.
Зависимость шумов от рабочего режима лампы
Влияние рабочего режима на уровень собственных шумов электронных ламп может быть выяснено на основании анализа приведённых в предыдущих параграфах ф-л (13.22), (13.31) и др. Вытекающие из этих формул зависимости шумовых пара метров от напряжений на электродах лампы подтверждаются эк спериментальными измерениями. На рис. 13.21 показаны кривые
зависимости Яш усилительной лампы от напряжений U , Ucu Uса и Uа.
При повышении напряжения накала (рис. 13.21а) увеличи вается ток эмиссии, что при постоянных напряжениях на электро дах приводит к увеличению плотности пространственного заря314
да; вследствие этого коэффициент F2 уменьшается и уровень соз дающегося в лампе шума понижается. Это подтверждает вы годность работы при сильном пространственном заряде и сви детельствует о преимуществах усилительных ламп с большим, на первый взгляд, казалось бы, излишним током эмиссии.
Кривая рис. 13.216 показывает, что наименьший уровень шумов существует при некотором оптимальном напряжении на управляющей сетке Uci onm ■ При увеличении отрицательного смещения на сетке по сравнению с Uci onm шум в лампе значи тельно повышается; это объясняется уменьшением крутизны S вследствие перехода рабочей точки на нижний пологий участок характеристики Ia=W c\)- Происходящее при этом одновремен но уменьшение токов I а и / с2 не может скомпенсировать рост
Рис. 13.21
шумового параметра из-за снижения крутизны вплоть до значе ний Uci , приближающихся к напряжению запирания. При от
рицательных напряжениях |
на сетке, близких к нулю |
< |
< \ис1 опОТ|), уровень |
шумов |
несколько увеличивается, так |
как |
рост токов 1а и I са |
при приближении напряжения на управляю |
щей сетке к нулю происходит более резко, чем увеличение кру тизны.
Зависимость |
Rm= f(Ucz) (рис. 13.21в) также имеет минимум |
при некотором |
напряжении на экранирующей сетке |
UC2 onm- |
При {/са > ^ са опт эквивалентное сопротивление внутриламповых шумов возрастает из-за большой величины тэков /„ и / са (глав ным'образом, последнего). При t/c2< UC2 0nm Уровень шумов увеличивается вследствие значительного снижения крутизны ха рактеристики.
С ростом анодного напряжения уровень шумов монотонно снижается (рис. 13.21г ). При малых анодных напряжениях, когда ещё сказывается величина собственных начальных скоро стей электронов, шум лампы больше, чем при повышенных Ua, когда относительная величина собственных скоростей электро нов по сравнению со скоростью, получаемой электронами в силь ном анодном поле, делается весьма малой. Если (например, в триоде) анодное напряжение Ua увеличивается настолько, что приближается режим насыщения, уровень шумов в лампе начи нает возрастать из-за увеличения коэффициента F2 [ф-ла (13.18)
и др.].
Приведённые выше данные показывают, что правильный вы бор рабочего режима важен для обеспечения лучших шумовых свойств ламп в схемах. Поддержание постоянства напряжения накала (UH—UH0) , необходимое для правильной эксплуатации катодов (§ 3.4), имеет существенное значение и для предотвра щения повышенных шумов ламп.
Шумы в лампах на сверхвысоких частотах
В § 13.5 было сказано, что спектр флуктуационного тока в электронных лампах равномерен и поэтому уровень шума не за висит от частоты принимаемых сигналов. Но это справедливо только при работе лампы на таких частотах, при которых мож но пренебрегать инерцией электронов. В диапазоне сверхвысоких частот уровень собственных шумов усилительной лампы изменя ется по сравнению с тем уровнем, который лампа имеет в диапа зоне более низких частот. Это изменение вызывают две причины, действующие в противоположных направлениях.
Первой причиной являются токи, наводимые в цепи управ ляющей сетки при сверхвысоких частотах (§ 12.2). Флуктуа ции конвекционного тока, проходящего в лампе, вызывают флук туации и в наведённом сеточном токе, который, проходя через контур или какое-либо другое сопротивление, включённое в цепь сетки, создаёт на нём переменное напряжение флуктуаций. Это напряжение усиливается лампой и вызывает в анодной цепи флуктуации тока дополнительно к тем, которые там имеются за счёт уже известных нам причин. Вычисления показывают, что величина флуктуационного тока в сеточной цепи зависит от активной входной проводимости, создающейся из-за инерции электронов, и может быть вычислена по формуле
/щ * = 4£ (57) gex тA f. |
(13.33) |
Чем больше частота принимаемых сигналов, тем выше будет уровень шумов, но при частотах, когда время пролёта сравнива ется с периодом усиливаемых колебаний и превышает его, уро вень шумов несколько снижается. Причина, вызывающая это сни жение шума, заключается в том, что в непрерывном спектре флуктуационного тока амплитуды составляющих таких выооких
частот (соответствующих волнам сантиметрового диапазона) получаются меньше, чем при более низких частотах.
Низкочастотные шумы в лампах
Одновременно с шумом, создаваемым дробовым эффектом, в лампах наблюдаются шумы за счёт поверхностного флуктуа-
ционного эффекта (называемого также эффектом мерцания,
или фликкер-эффектом). Это явление заключается в том, что у накалённого катода неравномерно изменяется эмиссионная спо собность отдельных участков его поверхности вследствие нерав номерного образования и изменения активного слоя. Поэтому ве личина эмиссии с таких участков, а следовательно, и полная ве личина тока эмиссии катода непрерывно колеблется. Опыт по казывает, что эти колебания происходят с низкой частотой (по рядка звуковых частот). Уменьшение шумов, вызванных поверх ностным флуктуационным эффектом, достигается применением более стойких по своим качествам катодов.
|
|
|
|
|
|
Шумы, вызванные действием внешних причин |
|
Кроме внутренних шумов в лампе, |
большой |
помехой при |
приёме являются шумы, создаваемые внешними причинами. |
|
К этим шумам относятся следующие. |
|
колебаний |
её |
Во-первых, |
при сотрясении лампы вследствие |
электродов и периодического изменения |
расстояний |
между ни |
ми анодный |
ток начинает пульсировать со звуковой |
частотой |
(лампа «звенит»). Это явление, называемое микрофонным |
эф |
фектом, устраняется более жёстким и прочным |
закреплением |
электродов в лампе и амортизацией ламп в приёмнике или все го приёмника в целом при помощи резиновых или пружинных подвесов. Для оценки величины микрофонного эффекта усили тельной лампы в анодную цепь этой лампы включают нагру зочное активное сопротивление и, создавая сотрясение лампы ударом определённой силы, измеряют максимальную амплиту ду переменного напряжения, получающегося на нагрузочном со противлении, и длительность возникающих в лампе колебаний.
Для удобства сравнения ламп между собой значение макси мальной амплитуды пересчитывается на управляющую сетку, для чего следует значение максимальной амплитуды, измеренное на нагрузочном сопротивлении, разделить на динамический коэффициент усиления испытуемой лампы. Эквивалентное на пряжение микрофонного эффекта на управляющей сетке оцени вается в вольтах. Длительность колебаний, определяемая как время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается до 5% от начальной максимальной амплитуды, измеряется в се кундах.
Во-вторых, при сотрясении, вследствие взаимного перемещения и касания плохо укреплённых деталей арматуры лампы могут происходить прерывистые скачкообразные изменения анодного тока, которые обнаруживаются в телефоне, включённом в анод ную цепь лампы, как отдельные щелчки и трески. Особенно вредны эти внутриламповые трески в высокочастотных лам пах, в которых они могут совершенно заглушить 'Подаваемые на сетку этих ламп очень слабые сигналы высокой частоты от приём ной антенны. Поэтому лампа, в которой при толчках её получают ся трески, к нормальному использованию непригодна.
Наконец, следует напомнить ещё о пульсациях анодного тока, получающихся при питании катода усилительной лампы пере менным током; эти пульсации создают в приёмнике характерное гудение (низкочастотный «фон»), способы устранения или умень шения которого были рассмотрены ранее (§ 3.3.).
§ 13.8. Электронно-световые индикаторы
Электронно-световой индикатор — это электронный прибор, в котором имеется люминесцирующий экран, светящийся под вли янием бомбардировки электронами, причём величина поверхности свечения зависит от величины управ ляющего напряжения, подаваемого на прибор. Электронно-световые индика торы находят широкое применение в радиоприёмной и радиоизмерительной аппаратуре в качестве указателей на стройки, нулевых приборов, индикато
ров сигнала и т. д.
Простейшая конструкция электрон
ного индикатора (рис. 13.22) |
состоит |
из конусообразного экрана, |
катода, |
расположенного по оси конуса экрана, и управляющего электрода. Внутрен няя поверхность экрана, обращённая к катоду, покрыта люминесцирующим ве
ществом ( виллемитом) и при бомбардировке её электронами светится зелёным цветом. Экран имеет относительно катода вы сокий положительный потенциал; если бы управляющего элек трода не было, то поле между экраном и катодом было бы ра
диальным во всех |
направлениях |
(рис. 13.23а) |
и |
электро |
ны, двигаясь к экрану по радиусам, |
вызывали |
бы |
равномер |
ное свечение всей поверхности экрана. При |
наличии |
управ |
ляющего электрода |
картина поля искажается. |
Если потенциал |
управляющего электрода меньше того потенциала, который имел ся бы в месте нахождения управляющего электрода при радиаль ном поле, то градиент потенциала в пространстве между управ ляющим электродом и экраном увеличивается и эквипотенциаль318
ные линии поля в этом пространстве сгущаются (рис. 13.236,). Траектории электронов при этом искривляются так, что на неко торый участок поверхности экрана, расположенный против управ ляющего электрода, электроны не попадают. На экране будет
Рис. 13.23
трода искажение поля уменьшается и тёмный сектор на экране делается меньше. Когда поле станет радиальным (такое же, как на рис. 13.23а), тёмный сектор исчезает, экран светится весь рав номерно. Если дальше увеличивать потенциал управляющего электрода, приближая его к потенциалу экрана, то поле иска жается так, что траектории электронов огибают управляющий электрод (рис. 13.23'?). На участок, расположенный против уп равляющего электрода, падают электроны сразу с обеих сторон, вследствие чего интенсивность свечения в этом месте возраста ет — на экране появляется более светлая полоска. Характеристикой индикатора яв
|
|
|
|
|
|
ляется |
кривая, показывающая |
зависи |
мость величины угла тёмного сектора от |
отношения напряжений |
управляющего |
электрода и экрана. Такая характеристи |
ка |
представлена на рис. |
13.24. |
Отрица |
тельные |
углы этого графика соответству |
ют возникновению более светлого сектора |
на |
экране. |
индикатора в при |
|
Для использования |
ёмнике его монтируют |
в одном |
баллоне |
вместе с триодом; на рис. |
13.25 изображена конструкция такой |
комбинированной лампы |
типа |
6Е1П. Экран Э, покрытый вил- |
лемитом, в целях сохранения достаточной его величины при размещении в небольшом баллоне пальчиковой лампы имеет форму раковины и размещается вертикально в верхней части баллона. Два горизонтально расположенных стержня У образуют управля ющий электрод. Подогревный оксидный катод К фасонного профиля размещён в средней части баллона горизонтально и перед ним находится сетка С', соединённая с катодом и служа щая для ограничения величины тока, идущего на экран. Нижняя плоская часть катода совместно с сеткой С и анодом А образуют триодную систему индикатора.
