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，如果要實現(xiàn)一個放大器的功能，需要一個固定的放大倍數(shù)(Gain)，這也就是說輸出信號應(yīng)該是跟隨輸入信號變化而變化，換句話說輸出信號應(yīng)該要受到輸入信號的控制。

　　在電子學(xué)中使用的最多的兩個物理量就是電壓和電流，這也是比較容易控制和相互轉(zhuǎn)換的兩個物理量。那么由這兩個量就可以引申出4個不同的控制模式：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)然希望能有一個理想當(dāng)中的對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代。

　　真空管的基本原理是：當(dāng)一個極板上的電子被加熱之后會被激發(fā)，變成自由度很高的電子，在電場的影響下會飛向電勢高的方向。需要注意的是，這里因為被激發(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)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接收電子的極板為陽極(Plate) 。在陽極電壓高于陰極的時候，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，因為陽極沒有被加熱，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小的能量去控制一個更大的能量。

三極管示意圖

　　為了實現(xiàn)以小控大的目的，后來我們在二極管的陽極和陰極之間加入了一個新的“柵極”(Grid)，之所以命名為柵極是因為它不是一個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，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，三級管的柵極仍然會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(對于電壓型信號來說，高阻抗輸入即為不吸收能量的一種輸入形式;相對的對于電流型信號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)比較大的場合也會使用多級串聯(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)，計算機(jī)，音頻功率放大器等等當(dāng)時尖端科技最重要組成部分，扮演了自己在歷史上光榮角色。