М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 9

Поэтому сложные микросхемы, такие как микропроцессоры и компоненты памяти, бывают выполнены по МОП-технологии. В схемах, носящих название колтлементарной МОП-логики (КМОП; Согпр1егпегагу МОЯ, СМОК) используется чрезвычайно большое входное сопротивление МОП-транзисторов, за счет чего достигается выигрыш, выражающийся в потреблении исключительно малой мощности по сравнению с эквивалентными схемами на биполярных транзисторах. Эти вопросы обсуждаются в дальнейшем в главах 13 и 14, где рассмотрены принцип действия и применение цифровых схем и микропроцессоров. Электронные лампы и электронно- лучевая трубка 3.1 Введение Электронная лампа была первым активным (усиливающим) элементом в электронике.

Сегодня использование электронных ламп для усиления малых сигналов выглядит устаревшим. Однако они все еше находят применение в тех случаях, когда речь идет о больших напряжениях или о высокочастотных сигналах большой мощности. Кроме того, у любителей музыки популярны ламповые усилители звуковой частоты с присущими им особенностями. В частности, плавное изменение характеристик схемы вблизи перегрузок может создавать субъективное впечатление чистоты звука большой силы.

Вот почему инженеру в области электроники полезно иметь, по крайней мере, элементарное представление о лампах и ламповых схемах. В этой главе дается краткий обзор схем на электронных (вакуумных) лампах, включая описание той из них, которая до сих пор используется очень широко, а именно— электронно-лучевой трубки. 3.2 Термоэлектроннвя эмиссия В начале 80-х годов прошлого века Томас Эдисон, занимаясь осветительными приборами с угольной нитью накала, обратил внимание на почернение стеклянного баллона после нескольких часов работы такого устройства.

Пытаясь перехватить хотя бы часть частиц, образующих почернение, он запаял внутрь одной из своих ламп металлическую пластину и удивился, обнаружив, что при подаче на эту пластину положительного напряжения относительно нити накала в цепи течет ток. В течение последующих 20 лет никто не знач, что ток в этом эффекте Эдисона» обусловлен электронами. испускаемыми нагретой нитью и улавливаемыми положительно заряженной пластиной. Чтобы описать этот процесс теплового освобождения частиц, был придуман термин термоионяая эмиссия, а сами свободные частицы стали 48 Электронные ламлы и электронно-лучевая трубка называть термаианами Хотя сегодня слово «ион» означает «атом, потерявший или приобретший электрон», его первоначальное значение было много шире и просто означало любую свободно передвигающуюся частипу (по- гречески, ион — «идущий»).

3.3 Ламповый диод Примерно в то же время, когда Эдисон обнаружил почернение баллонов осветительных ламп, это явление исследовал также Амброз Флеминг, занимавшийся усовершенствованием детектора Маркони для обнаружения радиоволн. В 1904 году он запатентовал свою «пульсирующую» лампу, названную так по той причине, что она позволяет пропускать ток только в одном направлении.

На рис. 3.! показано схематическое изображение лампового диода (двухэлектродной лампы), как теперь принято называть изобретение Флеминга. Нить накаливания окружена свернутой в пилиндр го«истиной, обычно называемой анодом, поскольку ее потенциат, как правило, поддерживается положительным по отношению к нити. Аналогично, нить обычно называют катодам. На рис.

3.2 приведено обозначение диода на схемах, где явным образом указаны катод н анод. Вы«»««ы« Вы «««то«« Рис. 3.! Схематическое изображение лампового лиодд Флеминга. Катод и анод заключены в откдчднный стеклянный бдллон. Ламповый диод 49 ить нькььь (кьх л) Рис. 3.2. Условное обозначение лампового диода.

На рнс. 3.3 показана вольтамперная характеристика лампового диода, причем можно заметить, что она похожа на характеристику р-л перехода, приведенную на рис. 1.11. В отличие от р-л перехода, в ламповом диоде небольшой ток течет в прямом направлении при нулевом напряжении на диоде, Это происходит потому, что нить испускает электроны, отрываюшиеся от интенсивно колеблюшихся при высокой температуре атомов, и электроны имеют при этом определенную скорость.

Малая доля этих электронов достигает анода даже в отсутствие способствуюшего этому электрического поля. Рис. 3.3. Типичная вольтвмпернвя характеристика мвломошного лампового диода Когда на анод подается небольшое положительное напряжение, большее число электронов притягивается им. Олнако не все электроны, эмиттнрованные катодом, достигают анода, так как большое облако электронов между катодом и анодом действует как отрицательный пространственный заряд, оказываюший отталкиваюшее действие на испускаемые катодом электроны. Можно сказать, что этот эффект торможения подобен действию обеднен- 4 Зак. 4729. 50 Электронные лампы и электронно-лучевая трубка ного слоя в полупроводниковом р-и переходе.

По мере того как на анод подается все большее положительное напряжение, эффект пространственного заряда ослабевает и все большее и большее число электронов достигает анода. Если анод сделать отрицательным относительно катода, то электроны, испускаемые катодом, будут отталкиваться обратно к катоду, и в конце концов ток вовсе перестает течь, когда отрицательное напряжение на аноде становится равным нескольким вольтам.

Обратите внимание, что при хорошем вакууме отсутствуют неосновные носители, которые могли бы вызвать обратный ток утечки. Все же, из-за остатков газа в откачанном баллоне и изза утечки по поверхности стекла, какой-то обратный ток сушествует. Но этот ток совершенно другой природы по сравнению с р-п переходом, где наличие неосновных носителей теплового происхождения непосредственно влияет на работу этого полупроводникового прибора. 3.4 Ламповый триод Чтобы можно было управлять анодным током и, таким образом, получить усиливаюший термоэлектронный прибор, нужно было добавить что-то вроде дополнительного электрода. Первым это сделал в 1907 году Ли де Форест, который сконструировал лампу с проволочной решеткой, или сеткой, между катодом и анодом.

Это трехэлектродное устройство, или триод, показано на рис. 3.4; на рис. 3.5 приведено его условное обозначение на схемах. Аноа Сетка Рис. 3.4. Схематическое изображение конструкции лампового триода. Усовершенствование катода 51 Рис. 3.5. Условное обозначение лампового триода на схемах. Обычно сетка поддерживается отрицательной по отношению к катоду и, будучи таковой, она озталкивает обратно к катоду часть эмиттированных им электронов, позволяя лишь определенной доле электронов достигать анода, проходя через отверстия в решетке.

Чем более отрицательным становится напряжение на сетке, тем в большей степени проявляется ее отталкиваюшее действие и тем меньшим становится анодный ток. В конце концов, достигается точка отсечки, когда электроны не достигают анода и ток падает до нуля. В этом смысле лампа ведет себя подобно полевому транзистору: и в триоде, и в полевом транзисторе мы имеем выходной ток, управляемый входным напряжением. Типичная проходная характеристика лампового триода показана на рис.

3.6; интересно сравнить ее с графиком на рис. 2. 5(а) для полевого транзистора. Как и в случае с полевым транзистором, передаточная способность лампы определяется ее крутизной д, где, применительно к лампе, изменение анодного тока М„ — " (обычно в мА/В). изменение напряжения на сетке Л)г„ Крутизну иногда называют взаимной проводимостью; действительно, так можно сказать, исходя из приведенного определения величины я, но это совершенно неуместно.

Соотношение взаимности подразумевает обоюдную зависимость, а это не применимо ни к лампе, ни к полевому транзистору: хотя напряжение на сетке или на затворе и управляет током анода или стока, обратного действия нет, и название крутизна (буквально — сквозная проводимость) является предпочтительным. 3.5 Усовершенствование катода Как уже упоминалось, первоначально в лампах применялись раскаленные добела нити накаливания из вольфрама.

Для достижения желаемой эмиссии 52 Электронные лампы и электронна-лучевая трубка ю Н«пря:к»ч«-«н«л у (»»т»О Рис. 3.6. Типичная проходная характеристика маломощного триода. Обычно на сетку не подают положительного напряжения. электронов была необходима температура нити в 2300 К; такая ярко горла(ая лампа потребляла значительную мошность на подогрев нити накала и имела сравнительно короткий срок жизни.

Вскоре было обнаружено, что нити, покрытые оксидами бария и стронция, обильно испускают электроны всего лишь при 1000 К (красное каление). Таким образом, «тускло горящая» лампа с ее оксидированным католом становится стандартом. В ранних ламповых конструкциях как для анодного питания, так и для пологрева катода применялись источники постоянного напряжения; в первом случае это были источники высокого папряэкения, а во втором — низкого.

Однако значительно улобнее было осушествлять подогрев катода переменным током, беря его напрямую от силового трансформатора. В связи с подогревом катода от источника переменного тока возникли две проблемы. Во-первых, температура нити накала могла колебаться в такт с частотой переменного напряжения, вызывая флуктуации электронного тока с частотой 100 Гц при частоте сети 50 Гц. Во-вторых, часть переменного напряжения, питаюшего нить накала, оказывалась наложенной на вхолной сигнат, поскольку входное напряжение подается между сеткой и катодом, создавая во входном сигнале «фон» с частотой 50-герц.

Обе эти проблемы преодолеваются при использовании катодов с косвенным подогревом (подогревных катодов — Лрим. перев.), которые стали применяться во всех маломошных лампах. В соответствии с названием, катод лелают электрически изолированным от нити накала, что позволяет избежать прямого попадания напряжения сети во входную цепь. Обычно подогреватель изготавливают из вольфрамовой проволоки, покрытой тугоплавким изолирующим материалом и помешенной в тонкий полый никелевый цилиндр, который, будучи покрыт окислами бария и стронция в необходимом для эффективной эмиссии количестве, является собственно катодом.