книги / Основы радиоэлектроники
..pdfЛикэ = 0 h21 = ~ = Р, т. е. изменение тока Д/б приводит к измене-
нию тока А/к, независимого от изменения напряжения икэ. Эту часть полного изменения тока А/к можно рассматривать как действие управляемого генератора тока А/к = рА/б, независимого от Аикэ и определяемого изменением А/б. При Д/б = 0 из второго уравнения системы (3.3) имеем А22= Л4/Дикэ* Эта величина явля ется выходной проводимостью транзистора. Из-за наличия р-п переходов эта проводимость имеет активную и емкостную со ставляющую
/*22 = Свых + У с° С вых-
Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общей базой,
Rвых л
О ВЫх
при работе в активном режиме имеет величину от единиц до десятков килоом.
В таблице 3— 1 приведены формулы A-параметров для раз личных схем включения транзисторов
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3— 1 |
|
С х е м а О Б |
С х е м а О Э |
|
|
С х е м а O K |
|||
|
|
Л 11б |
|
|
|
Л . 1б |
|
/*11 б |
А м . * |
, Л |
|
л и |
, « |
— |
— |
|
|
|
|
1 + А 2 , « |
|||
|
|
1 + Л 2 1б |
|
|
|||
f |
^ 1 1 6 ^ 2 2 6 |
, |
|
|
|
|
|
^ 1 2 6 |
|
“ |
Л 126 |
|
^ 1 2 к ~ |
^ |
|
|
' + |
A 2 . 6 |
|
|
|
|
|
, |
. |
Л2 16 |
|
|
|
|
|
* 2 , 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' + А 21 6 |
|
|
|
|
|
^ 2 2 6 |
. |
А 226 |
|
, |
. |
А2 26 |
|
A2 2 J ~ . . |
|
^ 2 2 к % . . |
|||||
|
|
* + А 21 6 |
|
|
|
|
^21 б |
|
В справочниках указывают некоторые A-параметры и ряд |
технических параметров, наиболее важные из которых: |
|
а) |
предельная частота f„p коэффициента передачи тока для схемы |
с |
ОБ или схемы с ОЭ— частота, на которой модуль коэф |
фициента передачи уменьшается в ч/2 раз от своего значения на низкой частоте. Предельная частота ограничивает ту область частот, в которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров;
б) граничная частота коэффициента передачи тока / гр— частота, при которой модуль коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОЭ, равен единице; в) максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора
Лсмакс— при которой обеспечивается сохранность транзистора. Превышение приводит к перегреву и тепловому пробою транзис тора; г) максимально допустимые напряжения С/кбмакс, £/кэмакс, С/бэмакс,
определяемые электрической прочностью соответствующих пере ходов.
Определение всех A-параметров позволяет получать физиче ски обоснованную эквивалентную схему биполярного транзисто ра, широко применяемую для расчета устройств, построенных с использованием этого транзистора— усилителей, генераторов, преобразователей частоты и др. Если пренебречь обратной связью, то имеем:
Амбэ= А11Д/б
Ык= $Мб+И22Аикэ.
Первое уравнение позволяет описать входную часть эквивалент ной схемы транзистора, где параллельно включены входное со противление RBXи емкость Свх, определяющие входную проводи мость Ап . Второе уравнение свидетельствует о том, что измене ние тока Д/к на выходе транзистора определяется двумя составляющими: управляемым генератором тока Д/б = рД/б и ве личиной А22Дмкэ, определяемой выходной проводимостью А22. Поэтому в выходной цепи эквивалентной схемы транзистора надо включить управляемый генератор тока Д/г и проводимость А22. Полная эквивалентная схема биполярного транзистора без учета обратной связи приведена на рис. 3.30. На низких частотах емкостями можно пренебречь, а значения Лп , Л12, А21, А22 можно найти, рассматривая приращение токов и напряжений на кривых (рис. 3.24 и 3.25). Эта эквивалентная схема очень похожа на эквивалентную схему полевого транзистора (рис. 3.17). Принци пиальное различие между параметрами этих транзисторов состо ит в том, что /?вх биполярного транзистора невелико, поскольку
Aig Air =JdAif=SAUgx______ AiK
Щ х =либэ\ |
м |
' Т нвых ^Вых |
fyx |
|
Рис. 3.30
на входе транзистора имеется открытый эмиттерный р-п переход, а входное сопротивление полевого транзистора с управляющим р-п переходом очень велико, поскольку на входе этого транзисто ра имеется закрытый р-п переход.
Взаключении следует отметить, что биполярный транзистор
вусилительных схемах обеспечивает коэффициент усиления на порядок больший, чем полевые транзисторы; биполярные тран зисторы более надежны в работе, т. к. пробой этих транзисторов из-за статического электрического заряда маловероятен по срав нению с полевыми транзисторами. Но схемы с биполярным
транзистором имеют входное сопротивление значительно мень шее, чем схемы с полевым транзистором, биполярные транзисто ры (в отличие от полевых) сильно изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры, что требует усложнения схем для обеспечения термостабильности— т. е. неизменности параметров и характеристик с изменением температуры, биполяр ный транзистор создает большие шумы в схемах усиления и обла дает меньшей стойкостью к действию ионизирующей излучения.
§ 3.5. Электровакуумные приборы
Независимо от функционального назначения все электроваку умные приборы можно разделить на две группы: электронные и газоразрядные (ионные). В электронных приборах процессы протекают в вакууме, а носителями зарядов являются электроны. В газоразрядных приборах используются свойства электрическо го разряда в газах. Рабочий объем таких приборов заполняется инертными газами или парами ртути при давлении 0,133— 1330 ПА. Носителями зарядов в газоразрядных приборах явля ются электроны и ионы, образующиеся в результате ударной ионизации атомов газа.
Для усиления, генерации и нелинейных преобразований сиг налов (модуляции, детектирования и т. д.) раньше широко ис пользовались электровакуумные приборы— электронные лампы (диоды, триоды— аналоги транзисторов, и другие приборы). Сейчас эти приборы используются только в старой аппаратуре: радиоприемниках, телевизорах, в школьном электронном обору довании. В современной аппаратуре электровакуумные приборы заменяются полупроводниковыми.
Имеется однако область, где электровакуумные приборы пре восходят полупроводниковые. С помощью электровакуумных приборов можно создать генераторы мегаваттной мощности (~106 Вт), а с одного полупроводникового прибора удается по лучить примерно в 1000 раз меньшую мощность колебаний.
Наконец, как правило, электровакуумными приборами яв ляются телевизионные передающие и приемные электронно
лучевые трубки. С помощью телевизионной передающей элек тронно-лучевой трубки оптическое изображение преобразуется в электрический видеосигнал, а с помощью приемной теле визионной электронно-лучевой трубки — кинескопа — электриче ский видеосигнал преобразуется в изображение.
Рассмотрим кратко принципы действия электронных ламп. Электровакуумные приборы большой мощности— клистроны, используемые в генераторах сверхвысоких частот, будут рассмот рены в главе «Генераторы».
Телевизионные передающие и приемные трубки рассматрива ются в главе «Телевидение».
Все электровакуумные приборы представляют собой стеклян ный или металлический баллон, из которого выкачан воздух и создан высокий вакуум. Давление внутри баллона составляет 10"4—10“5 ПА. Внутри баллона расположены электроды, между которыми протекает ток, обусловленный движением потока элек тронов.
Практически все электронные лампы имеют катод (рис. 3.31а), из которого при нагревании начинается термоэле ктронная эмиссия (испускание) электронов. Катод изредка дела ется из вольфрама, но как правило — используются оксидные катоды, покрытые окислами щелочноземельных металлов. Ок сидные катоды более экономичны и работают при меньшей температуре (Г=1000 К), чем катоды из чистого вольфрама (Г=2400 К). Плотность тока с поверхности катода определяется температурой Т катода и его свойствами.
j= A T 2e\p(-(p/kT),
где ср — работа выхода электрона с поверхности катода, А — константа, определяемая свойствами катода. Оксидные катоды обладают малой работой выхода ср.
Для нагрева катода, как правило, используется специальный вольфрамовый проводник — нить накала, расположенный внутри цилиндрического катода (рис. 3.31а). При пропускании через цепь накала переменного или постоянного тока докрасна раскаляется нить накала и соответственно нагревается катод. Из катода начинают вылетать электроны, и вокруг катода возникает элек тронное облако (рис. 3.31а). Между электронным облаком, за ряженным отрицательно, и катодом, из которого вылетели элек троны и который теперь заряжен положительно, возникает элек трическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электро нов. Заряд электронного облака называют пространственным (объемным) зарядом. Если окружить катод цилиндрическим ано дом, то мы получим простейшую двухэлектродную лампу-диод, содержащую два электрода: катод и анод. Условное обозначение электровакуумного диода приведено на рис. 3.316. Прикладывая между анодом и катодом напряжение иа> 0 таким образом, что
Нить накала |
|
Анод |
|
Катод |
А |
Электронное |
|
облако |
|
а
Рис. 3.31 а,6
положительный потенциал приложен к аноду, а отрицатель ный— к катоду (рис. 3.32а), удается создать в пространстве меж ду анодом и катодом электрическое поле, позволяющее электро нам из электронного облака достигать анода. Появляется ано дный ток /а. При наличии значительного пространственного заряда зависимость анодного тока /а от напряжения между ано дом и катодом иа имеет вид:
4 = ки212 (ма > 0).
Когда ма становится большим, пространственный заряд исчезает, ток анода /а перестает расти с ростом иа и достигает насыщения (рис. 3.326). Величина тока насыщения определяется температу рой катода Тх, которая тем больше, чем больше напряжение накала ии. При изменении полярности напряжения между анодом и катодом (ма < 0), когда к аноду приложен отрицательный потен циал, а к катоду положительный, между анодом и катодом возникает поле, препятствующее электронам из электронного облака достигнуть анода. В этом случае анодный ток практиче ски равен нулю (рис. 3.326). Таким образом, электровакуумный
La
а |
5 |
Нить накала
ч. ffC ^ |
^АноЭ |
А |
J |
^КатоЭ |
|
<"~т |
I ^ Сетка |
|
а |
6 |
|
Рис. 3.33 а, б |
диод проводит ток только в одном направлении и обладает односторонней проводимостью. Поэтому эти диоды исполь зуются для выпрямления переменного тока и детектирова ния амплитудно-модулированных сигналов. Электровакуумный диод характеризуется крутизной анодной характеристики диода
-J и дифференциальным внутренним сопротивле-
нием диода R i= Aua/Aiil=\/S. Обычно 5= 0,1^10 мА/В,
R t= 100-=-10000 Ом. Кроме того, диод характеризуется мощно стью P=iaua, рассеиваемой на аноде. Эта мощность не должна превышать предельно допустимого значения Рапред, иначе анод перегреется и разрушится.
Для управления анодным током между катодом и анодом вводят третий электрод— сетку (рис. 3.33а). В результате получа ется трехэлектродная лампа — триод. Схемное обозначение три ода приведено на рис. 3.336.
Изменяя напряжение между сеткой и катодом иС9 можно изменять электрическое поле в пространстве сетке-катод и из менять анодный ток, который является функцией двух напряже ний иа и ыс. Поскольку сетка расположена ближе к катоду, чем анод, она сильнее влияет на /а, чем напряжение иа. Напряжен ность электрического поля между сеткой и катодом определяется эквивалентным напряжением u= uc + Dua, где D< 1— проницае мость лампы. Обычно D = 0,1 0,01. При uc——Dua эквивалент ное напряжение и и электрическое поле между сеткой и катодом равны нулю, анодный ток также практически равен нулю. Лампа запирается. С ростом ис анодный ток возрастает (рис. 3.34). Зависимости iQ (ис) при разных ua = const называются анодно сеточными характеристиками лампы. С помощью анодно-сеточ ной характеристики можно найти важный параметр триода — крутизну анодно-сеточной характеристики S=Aia/Auc при
иа = const. Для приемно-усилительных ламп S'=1H-3 мА/В. Зави симости анодного тока /а от напряжения на аноде ма при разных мс = const называют анодными характеристиками триода (рис. 3.35). Из анодной характеристики легко найти параметр триода— дифференциальное внутреннее сопротивление Л,= = Аиа/Д/а/мс = const. Обычно Д, = 0,5 н-50 кОм. Триод характери зуется также статическим коэффициентом усиления ц, показыва ющим насколько эффективней на анодный ток действует измене ние сеточного напряжения по сравнению с изменением анодного напряжения
Ц = Д « а = \/D.
Дмс L = const
Параметры ц, S, R t связаны соотношением
\i = SRi,
которое можно подставить в виде
SRiD= 1.
Это соотношение называют основным соотношением триода. Триод может использоваться для усиления, генерации и нели
нейных преобразований сигналов.
Недостатками триода являются: высокая проницаемость D, малое внутреннее сопротивление R { и малый статический коэф фициент усиления ц, а также большие значения межэлектродных емкостей: сетка-катод Сск, анод-сетка Сас и анод-катод Сак.
Устранение недостатков триода достигается в многосеточных лампах. В тетроде (лампе с четырьмя электродами) вводится дополнительная экранирующая сетка между управляющей сет кой и анодом. На эту сетку подается постоянный положительный потенциал относительно катода. В результате внутреннее сопро тивление R. и статический коэффициент усиления ц резко воз растают, а емкости Сса и Сск резко уменьшаются. Условное обозначение тетрода приведено на рис. 3.36. Однако при малых анодных напряжениях в тетроде наблюдается нежелательный
динатронный эффект, когда электроны, па дающие на анод, выбивают с его поверхности вторичные электроны, попадающие на экра нирующую сетку. В результате в некотором диапазоне изменений ма ток /а не растет с ро стом ма, а падает (рис. 3.37 Ама— область динатронного эффекта). Для устранения динатронного эффекта между экранирующей сеткой и анодом вводят ещё одну— антидинатронную сетку С,, потенциал которой от
Рис. 3.36
носительно катода равен нулю. Получивша яся электронная лампа с пятью электродами
называется пентодом. Она также характеризуется высокими зна чениями ц> 1000, 105 Ом, малыми значениями Сск, Са1с. Ус ловное обозначение пентода приведено на рис. 3.38. Динатрон ный эффект удается устранить и в тетродах специальной кон струкции— лучевых тетродах, в которых создается высокая концентрация потоков электронов вблизи анода. Условное обо значение лучевого тетрода приведено на рис. 3.39.
С целью уменьшения габаритов радиоаппаратуры, ее стоимо сти и расхода энергии были созданы лампы, содержащие в одном баллоне две или больше независимо друг от друга работающие лампы, например, двойной диод, двой ной триод, триод-пентод, пентод-двойной диод. Такие электронные лампы называ
ются комбинированными. Приемно-усилительные лампы имеют
обозначения, состоящие из 4 элементов: 1— число, округленно обозначающее на пряжение накала, 2— буква, обозначаю щая тип лампы (Д — диоды, X — двойные диоды, С — триоды, Н — пентоды и луче вые тетроды, Ж — пентоды с короткой характеристикой, К — пентоды с удлинен ной характеристикой, Р — двойные тетро ды, Ф — триод-пентоды). 3-й элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки, 4-й— буква, характеризую щая конструктивное оформление лампы. (С— стеклянный корпус, К — керамиче
С, ский, П — пальчиковые лампы и т. д.). Пример: 6 С4П — напряжение накала
6,3 В, триод, номер разработки 4, паль чиковая.
Для кинескопов: 1-й элемент— число, соответствующее диагонали экрана, 2-й элемент— буквы Л К, 3-й элемент — но-
мер разработки, 4-й — буква, указываю |
А |
щая тип люминофора экрана (Б — белый, |
|
Ц — для цветного изображения). |
|
Пример: 61 ЛК 1Б— диагональ экра |
|
на 61 см, кинескоп, номер разработки 1, |
|
белый экран. |
|
§3.6. Газоразрядные приборы
Вгазоразрядных приборах электроны, эмиттируемые катодом, двигаются в ат
мосфере газа. Сталкиваясь с атомами газа, электроны отдают свою энергию и производят возбуждение или ударную иони зацию атомов. В последнем случае образуются новые электроны
иположительные ионы. Разряды в газе принято делить на неса мостоятельные и самостоятельные. Несамостоятельным называ ется такой разряд, который может длительно существовать при условии подведения энергии извне, например нагреве катода,
радиоактивном облучении, облучении космическими лучами и т. д. При самостоятельном разряде электроны и ионы образу ются за счет энергии поля и самого разряда. Наиболее широко применяются приборы самостоятельного разряда. Вольтамперная характеристика газоразрядного прибора приведена на рис. 3.40. На участке ОА ток через прибор определяется несамо стоятельным, тихим разрядом. На участке АБ возникает само стоятельный тлеющий разряд. Движущиеся электроны приоб ретают скорость, достаточную для ионизации газа, а положи тельные ионы, бомбардируя катод, выбивают из него электроны. Разряд не прекращается при охлаждении катода. Характерным для тлеющего разряда является значительное изменение тока А/а при малом изменении анодного на пряжения Дма. Это объясняется тем, что тлеющий разряд начинается в ограниченном объеме пространства и охватывает лишь часть поверхности катода. При небольшом увеличении Дма разряд распределяется на всю по верхность катода. По мере повыше ния анодного напряжения (участок ВГ) разряд переходит в дуговой.
Широкое применение нашли при боры, работающие в режиме тлеюще го разряда. Это неоновые лампы, циф ровые индикаторные приборы и т. д. Двухэлектродные неоновые лампы ис пользуются в качестве индикаторов
о 4- сигналов или напряжений, в реле време ни и т. д. В цифровых индикаторных
|
лампах в стеклянном баллоне размеще |
|
ны девять катодов, выполненных по про |
|
филю цифр 0, 1, 2...9 из проволоки, |
|
а анод выполнен из проволочной сетки. |
|
Все электроды имеют самостоятельные |
о — |
выводы. При подаче напряжения на один |
из катодов в прикатодной области воз |
|
Рис. 3.41 |
никает тлеющий разряд, воспроизводя |
|
щий форму этого катода. |
Широко используются двухэлектродные сигнальные лампы — светодиоды, в которых при наличии напряжения между электро дами возникает тлеющий разряд. Сигнальные лампы применя ются для индикации наличия напряжения в цепях постоянного или переменного тока.
Управляемым газоразрядным прибором является тиратрон. Кроме анода и катода, этот прибор имеет одну или две управля ющие сетки. Баллон тиратрона заполнен смесью неона и аргона. На рис. 3.41 изображена схема включения триодного тиратрона МТХ-90. При напряжении ис = 70-г-90 В между сеткой и катодом возникает начальный разряд. Ток анода при этом равен нулю.
При некотором значении сеточного тока, называемом током зажигания, энергия электронов достаточна для развития тлеющего разряда в проме жутке анод-катод. Теперь эмиссия электронов из катода происходит за счет бомбардировки его поверхности ионами. После возникновения тле ющего разряда между анодом и като дом сетка теряет свои управляющие свойства (рис. 3.42), т. к. заряженные частицы создают вокруг нее плотную оболочку, нейтрализующую поле сет ки. На рис. 3.43 приведена характе ристика зажигания тиратрона — зави симость напряжения на аноде иа, при котором возникает тлеющий разряд от тока сетки /с. Прекратить ток через тиратрон можно, уменьшив на время деионизации (исчезновение иониза ции) газа напряжение иадо величины, когда тлеющий разряд прекращается. После этого сетка вновь обладает управляющими свойствами и может вызвать зажигание тиратрона.