模擬電子—從放大器說起（二）：電子管

　　在之前的章節(jié)已經(jīng)說道，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)放大器的功能，需要一個(gè)固定的放大倍數(shù)(Gain)，這也就是說輸出信號(hào)應(yīng)該是跟隨輸入信號(hào)變化而變化，換句話說輸出信號(hào)應(yīng)該要受到輸入信號(hào)的控制。

　　在電子學(xué)中使用的最多的兩個(gè)物理量就是電壓和電流，這也是比較容易控制和相互轉(zhuǎn)換的兩個(gè)物理量。那么由這兩個(gè)量就可以引申出4個(gè)不同的控制模式：電壓->電流，電壓->電壓，電流->電流以及電流->電壓。最簡單的電阻就可以實(shí)現(xiàn)電流->電壓，或者電壓->電流的轉(zhuǎn)換，但是與變壓器相同的，電阻也是無源器件，這意味著輸出端無法提供比輸入更多的能量。

　　我們當(dāng)然希望能有一個(gè)理想當(dāng)中的對(duì)輸入沒有影響的可控源，但是，在有源放大電路出現(xiàn)之前，這些概念還基本上只是紙上談兵。

　　李·德佛瑞斯特(Lee De Forest) 在1907年制作出第一個(gè)基于真空電子管原理的三極管，開啟了用電壓來控制電流的新時(shí)代。

　　真空管的基本原理是：當(dāng)一個(gè)極板上的電子被加熱之后會(huì)被激發(fā)，變成自由度很高的電子，在電場的影響下會(huì)飛向電勢高的方向。需要注意的是，這里因?yàn)楸患ぐl(fā)的是電子，因此攜帶的是負(fù)電荷， 因此電子向電勢高的地方“飛”去，電流(在這里是等效的正電荷流動(dòng))還是從電勢高的地方流向電勢的地方。

二極管示意圖

　　在真空二極管當(dāng)中有兩塊極板和一條加熱用的燈絲(Heater)，靠近燈絲一邊的為發(fā)射電子的陰極(Cathode)，遠(yuǎn)離燈絲的地方有一個(gè)接收電子的極板為陽極(Plate) 。在陽極電壓高于陰極的時(shí)候，自由電子可以從陰極飛到陽極去;而當(dāng)陽極電壓低于陰極時(shí)，因?yàn)殛枠O沒有被加熱，無法產(chǎn)生自由電子，所以沒有電子從陽極飛向陰極，產(chǎn)生不了電流。這樣就形成了二極管單向?qū)ǖ奶匦浴?/p>

　　從二極管的工作原理可以看出，如果陰極和陽極之間電壓發(fā)生變化那么就會(huì)影響電子的流速(電場的大小決定了在電子上施加的力的大小) ，因此可以形成一個(gè)簡單的電壓->電流的控制，但是與電阻相似，所有產(chǎn)生的負(fù)載電流都會(huì)流經(jīng)用來控制的電壓源上，也就是說所有的能量仍然來自于控制用的電壓源，并沒有我們所期望的那樣用一個(gè)小的能量去控制一個(gè)更大的能量。

三極管示意圖

　　為了實(shí)現(xiàn)以小控大的目的，后來我們?cè)诙O管的陽極和陰極之間加入了一個(gè)新的“柵極”(Grid)，之所以命名為柵極是因?yàn)樗皇且粋€(gè)完整的極板而是一種柵欄或者是網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。這樣就可以在提供控制電子流速的電壓同時(shí)，讓絕大部分電子穿過柵極仍然進(jìn)入陽極。

三極管柵極控制示意圖

　　然而，三級(jí)管的柵極仍然會(huì)吸收一部分的電子形成柵極電流，因此并不能成為完全的高阻抗輸入(對(duì)于電壓型信號(hào)來說，高阻抗輸入即為不吸收能量的一種輸入形式;相對(duì)的對(duì)于電流型信號(hào)低阻抗輸入為較為理想的輸入形式)。 因此在需要放大倍數(shù)比較大的場合也會(huì)使用多級(jí)串聯(lián)的方式。

　　真空電子管需要燈絲加熱陰極，所以功耗巨大。而且在真空管內(nèi)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積巨大;因此并沒有作為大規(guī)模使用的電子元器件普及到千家萬戶(CRT電視機(jī)和顯示器的屏幕倒是可以算真空管家族的一員)。但是它仍然作為雷達(dá)，計(jì)算機(jī)，音頻功率放大器等等當(dāng)時(shí)尖端科技最重要組成部分，扮演了自己在歷史上光榮角色。