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【模拟电子】从放大器说起(二):电子管(ZT)

89723221@qq.com 在 2013-9-27 建立的討論區

在之前的章节已经说道,如果要实现一个放大器的功能,需要一个固定的放大倍数(Gain),这也就是说输出信号应该是跟随输入信号变化而变化,换句话说输出信号应该要受到输入信号的控制。


在电子学中使用的最多的两个物理量就是电压和电流,这也是比较容易控制和相互转换的两个物理量。那么由这两个量就可以引申出4个不同的控制模式:电压->电流,电压->电压,电流->电流以及电流->电压。最简单的电阻就可以实现电流->电压,或者电压->电流的转换,但是与变压器相同的,电阻也是无源器件,这意味着输出端无法提供比输入更多的能量。


我们当然希望能有一个理想当中的对输入没有影响的可控源,但是,在有源放大电路出现之前,这些概念还基本上只是纸上谈兵。


李·德佛瑞斯特(Lee De Forest) 在1907年制作出第一个基于真空电子管原理的三极管,开启了用电压来控制电流的新时代。


真空管的基本原理是:当一个极板上的电子被加热之后会被激发,变成自由度很高的电子,在电场的影响下会飞向电势高的方向。需要注意的是,这里因为被激发的是电子,因此携带的是负电荷, 因此电子向电势高的地方“飞”去,电流(在这里是等效的正电荷流动)还是从电势高的地方流向电势的地方。

二极管示意图



在真空二极管当中有两块极板和一条加热用的灯丝(Heater),靠近灯丝一边的为发射电子的阴极(Cathode),远离灯丝的地方有一个接收电子的极板为阳极(Plate) 。在阳极电压高于阴极的时候,自由电子可以从阴极飞到阳极去;而当阳极电压低于阴极时,因为阳极没有被加热,无法产生自由电子,所以没有电子从阳极飞向阴极,产生不了电流。这样就形成了二极管单向导通的特性。


从二极管的工作原理可以看出,如果阴极和阳极之间电压发生变化那么就会影响电子的流速(电场的大小决定了在电子上施加的力的大小) ,因此可以形成一个简单的电压->电流的控制,但是与电阻相似,所有产生的负载电流都会流经用来控制的电压源上,也就是说所有的能量仍然来自于控制用的电压源,并没有我们所期望的那样用一个小的能量去控制一个更大的能量。


三极管示意图


为了实现以小控大的目的,后来我们在二极管的阳极和阴极之间加入了一个新的“栅极”(Grid),之所以命名为栅极是因为它不是一个完整的极板而是一种栅栏或者是网状的结构。这样就可以在提供控制电子流速的电压同时,让绝大部分电子穿过栅极仍然进入阳极。



三极管栅极控制示意图


然而,三级管的栅极仍然会吸收一部分的电子形成栅极电流,因此并不能成为完全的高阻抗输入(对于电压型信号来说,高阻抗输入即为不吸收能量的一种输入形式;相对的对于电流型信号低阻抗输入为较为理想的输入形式)。 因此在需要放大倍数比较大的场合也会使用多级串联的方式。


真空电子管需要灯丝加热阴极,所以功耗巨大。而且在真空管内的结构复杂,因此并没有普及到千家万户。但是它仍然作为雷达,计算机,音频功率放大器等等当时尖端科技最重要组成部分,扮演了自己在历史上光荣角色。

結果