Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Впрочем, когда я говорил «катод», я должен был сказать «прямонакальный катод», ибо обычно эти лампы бывают с прямым накалом, благодаря чему удается избежать нагрева сетки. Такова конструкция электрометрических ламп, т. е. ламп, позволяющих производить измерение электрических напряжений без потребления энергии.

Н. — Так вот, наконец, что представляют собой эти знаменитые электрометрические лампы, позволяющие пользоваться резисторами утечки с большим сопротивлением. Каковы их характеристики?

Л. — В некоторых моделях удалось снизить сеточные токи примерно до 10-15 а, т. е. до одной миллиардной доли микроампера. Но я должен тебе сказать, что прекрасные результаты можно получить и с обычными лампами, если их несколько меньше нагревать, чтобы снизить температуру сетки, и работать с небольшим анодным током. Таким способом можно легко добиться сеточного тока меньше 10-11 а. И, наконец, стоит сказать об очень любопытном способе получения высокого входного сопротивления — использовании метода перевернутого (обращенного) триода.

Н. — Ты ставишь его ножками вверх?

Л. — Нет, я ставлю его в схему, изображенную на рис. 46. Да, я понимаю твой ужас. Управляющее напряжение подводится отрицательным полюсом к аноду, сеточный ток служит выходным, а на сетку подается положительный потенциал +U. Чем выше отрицательный потенциал анода, тем больше мешает он электронам попасть на положительную сетку, отражая их к катоду. Положительная сетка мешает ионам достичь анода, последний, будучи холодным, не испускает электронов. Таким образом удается получить псевдотриод с чудовищным входным сопротивлением.

Рис. 46. Обращенный триод. Отрицательный анод отталкивает электроны и таким образом снижает сеточный ток ig. Это — электрометрическая схема.

Н. — А его псевдохарактеристики похожи на характеристики обычного хорошего триода?

Л. — Этого только не хватало! Его характеристики похожи на характеристики электрометрического триода, иначе говоря: очень маленькая крутизна (в среднем 0,1 ма/в); малое внутреннее сопротивление (например, 2 ком); низкий коэффициент усиления (0,2).

Н. — Я абсолютно ничего не понимаю! Ты говоришь мне о малом внутреннем сопротивлении, когда требуются чудовищные входные сопротивления. Затем ты говоришь мне о коэффициенте усиления меньше единицы. Что же я должен делать с такой лампой?

Л. — Сначала я отвечу на твой первый вопрос. Не следует путать входное сопротивление, равное отношению входного напряжения к входному току, с внутренним сопротивлением, равным отношению изменения выходного напряжения к изменению выходного тока. В рассмотренном нами псевдотриоде изменение сеточного напряжения (выход) на 1 в влечет изменение сеточного тока (выходной ток) на 0,5 ма, чему соответствует внутреннее сопротивление 2 ком. Не смешивай с входным током. По вопросу же о коэффициенте усиления я с тобой согласен, что входной каскад на такой лампе выработает значительно меньшее напряжение, чем напряжение, поступающее на его вход.

Но важно другое: ты, например, подаешь на вход напряжение 1 в при входном токе 10-15 а, т. е. 10-15 вт, а на выходе можешь получить напряжение 0,1 в при 0,1 ма или мощность 10-5 вт, т. е. мощность на выходе в 1010 раз больше, чем на входе. Твое «усиление» в 0,1 раза по напряжению соответствует усилению в десять миллиардов раз по мощности. Тебе этого достаточно?

Н. — Я даже могу тебе сказать, что мощность на выходе на 100 дб больше, чем на входе.

Л. — О! Но тем не менее правильно!

Н. — Прошу без особых комплиментов, я всегда такой!

Л. — Подожди минутку, дай мне передохнуть от волнения.

Ну вот, я почти пришел в себя. Теперь, чтобы закончить с этим вопросом, я скажу тебе, что обычно после электрометрических ламп ставят усилители постоянного тока, основная трудность использования которых связана с явлением дрейфа. Если ты не подаешь на вход никакого напряжения, то анодный ток первой лампы может немного измениться из-за изменения накала, напряжения питания, даже из-за старения самой лампы или изменения температуры окружающей среды. В результате происходит медленное изменение выходного напряжения. Обычно его характеризуют дрейфом, приведенным ко входу, т. е. напряжением, которое необходимо подать на вход, чтобы без каких-либо иных причин вызвать наблюдаемое изменение выходного напряжения.

Н. — А сильно ли мешает этот дрейф?

Л. — О, да! И особенно, когда хотят измерить входное напряжение с точностью до милливольта или еще точней (например, в случае измерения pH). Для борьбы с дрейфом пользуются симметричными усилителями.

Н. — Пушпульного типа?

Л. — Довольно похожего. Таким образом удается достаточно хорошо компенсировать дрейф, вызываемый изменением нагрева или напряжения питания, потому что эти изменения одинаково воздействуют на обе лампы каскада, а используется разность их анодных токов. Для получения лучших результатов имеется большое количество усовершенствованных схем, которые ты несомненно увидишь в журнальных статьях. Например, делают усилитель (как с электрометрической, так и с обычной лампой на входе), у которого после 15-минутного прогрева, необходимого для стабилизации режимов, приведенный к входу дрейф меньше 0,1 мв за 24 ч.

Н. — Ну, так эти знаменитые электрометрические усилители не столь уж сложны: специальная лампа на входе (или обычная, но включенная по специальной схеме)… и дело в шляпе.

Л. — Верно, сложность не так велика. Но такие схемы при монтаже требуют аккуратности и соответствующих мер предосторожности. Чтобы при напряжении 1 в токи утечки не превышали 10-15 а, требуется изоляция 1015 ом, а это, позволю тебе заметить, не так легко сделать. Не может быть и речи об использовании в качестве изоляционных материалов бакелита, картона и других широко применяемых материалов. Требуются кварц, хорошее стекло, плексиглас и некоторые пластмассы (полиэтилен, фторопласт). Особенно непримиримо нужно бороться с влажностью. Часто всю электронную часть помещают в герметизированную коробку, содержащую влагопоглотитель; выводы усилителя выходят из этой коробки через изоляционные бусины.

Мне представляется полезным сказать тебе, что коаксиальный кабель с полиэтиленовой изоляцией, если он хорошего качества, обладает достаточной изоляцией для большинства электрометрических измерений. Все другие способы подключения, кроме голого провода, укрепленного на прекрасных изоляторах, следует признать негодными.

А теперь подготовься к эффектному прыжку: с миллиардов мегом на входе до нескольких ом на выходе.

Н. — Но это «прыжок смерти» или я сам себя не знаю. Как же ты снизишь выходное сопротивление до нескольких ом? С помощью трансформатора?

Л. — В некоторых случаях это возможно, но, как правило, усилители должны иметь такую полосу пропускания, которая исключает использование трансформатора, в особенности, у усилителей постоянного тока. Немного позже ты увидишь, как использование отрицательной обратной связи помогает значительно снизить выходное внутреннее сопротивление усилителя; а пока мы ограничимся лишь одним из способов ее использования, а именно, включением нагрузки в цепь катода или, как иначе называют эту схему, — катодный повторитель.

Н. — О, я достаточно хорошо знаю эту схему в фазосдвигающей системе возбуждения пушпульного каскада. Но я не вижу, как…

Л. — Не торопись, Незнайкин. Речь идет об одном частном случае применения схемы катодного повторителя. Однако изображенная на рис. 47 схема существенно отличается от обычной.

Рис. 47. Катодный повторитель. Результирующее напряжение между сеткой и катодом лампы равно разности входного Uвх и выходного Uвых напряжений.

Как ты видишь, анод лампы непосредственно соединен с положительным полюсом источника питания, между катодом и корпусом включен резистор (с выводов этого резистора я и снимаю выходное напряжение Uвых). Входное напряжение Uвх прикладывается между сеткой и корпусом, создавая на сетке положительное напряжение относительно корпуса и…