阴地—栅地放大电路 - 1964年第5期

为什么不用三极管？

在收音机的高频放大级和中频放大级中，一般都采用五级管。为什么不用三极管呢？

让我们先来看一下图1所示的三极管高频放大器电路。大家知道，在电子管的各个电极之间，存在着极间电容，如图1中虚线所示。C\(_{gk}\)是栅阴电容，它并联在输入回路上，构成了输入回路的一部分。Cak是屏阴电容，它并联在输出回路上，构成了输出回路的一部分。C\(_{ag}\)是屏栅电容，它正好跨接在输出回路和输入回路之间，因而能把屏极输出的能量反馈到栅极去，也就是反馈到输入端去。Cag越大，要放大的频率越高，这个电容的容抗就越小，因而反馈的能量就越大。三极管的屏栅电容C\(_{ag}\)是比较大的（一般为几个微微法），在稍高的频率上。通过Cag反馈的能量就可能很大，从而使放大器中产生自激振荡，破坏了放大器的工作。因此，一般说来，在高频上，特别是在超高频上，不能使用三极管作放大器。

五极管在屏极和栅极之间加了一个帘栅极，这个帘栅极在电路中对交流来说是接地的，它把屏极和栅极屏蔽开来，因而使屏—栅电容大大减小。这样就减小了从输出端反馈到输入端的能量，防止了高频放大器的自激。另一方面，五级管的内阻R\(_{i}\)较高，用五极管作高频放大器时，电子管的内阻对屏极回路的分路作用较小，因而可以保证有较高的选择性。

在低频放大器中，使用五极管也有很大好处。这是因为五极管的放大因数μ较高，可以使放大器得到较高的增益。

噪声高是五极管的重大缺点

五极管虽然有上述优点，但也有一个重大的缺点，就是它的噪声较大，约为三极管噪声的三倍到五倍。这是因为，五极管除了和三极管一样，会由于阴极发射电子不均匀（随时间作起伏变化）而产生起伏噪声以外，它还多了一个能吸收电子的帘栅极，而电子流在屏极和帘栅极的分配也是随时间作起伏变化的，这就使五极管的噪声大大增加。

在接收微弱信号的灵敏接收放大设备中，第一个放大级本身产生的噪声必须很低。因为这时信号还没有被放大，非常微弱，噪声太大，就会妨碍正常接收信号，甚至把信号淹没。因此，在输入级使用五极管是非常不利的，最好还是使用三极管。

栅极接地电路

用五极管噪声太大，用三极管又会引起自激。那末在接收放大设备的输入级究竟采用什么电子管好呢？

为了克服这一矛盾，人们提出了用三极管作成的“栅极接地放大电路”（如图2所示）。在这个电路里，输入信号仍加在阴极和栅极之间，但输出信号是由屏极和栅极之间取得。这里栅极成了输出电路和输入电路的公共端，所以这种电路又称为共栅极电路。在这个电路中，C\(_{gk}\)仍并联在输入回路上，而Cag是并联在输出回路上。屏极和阴极由于被接地栅极屏蔽开来，所以它们之间的电容量C\(_{ak}\)很小，或者说，输出端和输入端的耦合很弱，反馈的能量也小。由此可见，这种电路可以工作到很高的频率而不会产生自激。

根据电子管等效电路原理，当在电子管栅极和阴极间加一个交流信号电压U\(_{gk}\)时，整个电子管可以用一个内阻为Ri、电动势为μU\(_{gk}\)的等效发生器来代替。由此可以得出栅极接地放大器的简化交流电路。如图3所示。图中没有考虑电子管的极间电容，而放大器的负载简单地用一个电阻RL来表示。从这个等效电路可以看到，栅地放大器的输出电压和输入电压同相位，而它的放大系数为：

K=\(\frac{U}{_{L}}\)Ugk=I\(_{a}\)RL;U\(_{gk}\)

=（1＋μ）U\(_{gk}\)RL;R\(_{i}\)+RL;U\(_{gk}\)

=(1+μ)R\(_{L}\)Ri+R\(_{L}\),

也就是和阴极接地的普通放大器的放大系数\(\frac{μR}{_{L}}\)Ri+R\(_{L}\)大致上相等（因μ比1大得多）。

栅极接地电路的一个重要特点是输入阻抗很低。从图3可以看到，对于输入信号U\(_{gk}\)来说，输入电流就是被放大了的屏流Ia。因此很小的输入电压就可以产生很大的输入电流，这就表明输入阻抗Z\(_{0}\)=UgkI\(_{a}\)很小，具体地说

Z\(_{0}\)=UgkI\(_{a}\)=Ugk;(1+μ)U\(_{gk}\)Ri+R\(_{L}\)

=\(\frac{R}{_{i}}\)+RL1+μ。

在实际电路中，R\(_{i}\)》RL，μ》1，所以Z\(_{0}\)≈\(\frac{Ri}{μ}\)=1;S。

例如，把6N3电子管（S＝4.8毫安／伏）作成栅地放大器时，放大器的输入阻抗

Z\(_{0}\)=\(\frac{1}{S}\)=1;4.8×10\(^{-}\)3=208欧。

可见栅地放大器的输入阻抗是很小的。

栅地放大器作为输入级时，输入阻抗低是一个严重的缺点。由于输入阻抗低，信号源的电压将有很大一部分降落在信号源内阻上，使得实际加到电子管栅、阴极之间的电压减小。另外，为了使这样低的阻抗和天线匹配，输入回路的次级圈数必须比初级的圈数少，这无形中又降低了输入电压。最后，由于输入阻抗低，所以输入回路的Q值非常低，通频带很宽，这不但降低了输入回路的选择性，而且使通过输入回路的噪声增大。

阴地—栅地电路

为了克服上述缺点，可以再在栅地放大器前面接一个阴极接地放大器来变换阻抗，如图4所示。这个电路称为阴地—栅地电路，又因两个电子管V\(_{1}\)和V2是串联起来的，所以也称为串接放大器。V\(_{1}\)和V2构成一个分压器，都从电源E\(_{a}\)上取得一部分电压作为自己的屏极直流供电电压。由于V2的阴极是处于很高的直流电位，所以它空的栅极上也要加一个正电压，以保证V\(_{2}\)工作于合适的工作点上。C是旁路电容器，对交流说相当于短路，所以V2的栅极对交流来说仍然是接地的。

从图4中可以看到，V\(_{1}\)的负载就是V2的输入阻抗。前面说过，这个阻抗很小，因此V\(_{1}\)的增益很低，不会因反馈而产生自激。V1这个阴地级主要是起一个阻抗变换作用，把栅地级的低输入阻抗变换为阴地级的高输入阻抗。由于它的输入附抗高，所以感应到输入回路的信号电压差不多全部加到电子管V\(_{1}\)的栅极上，并且可以用升压变压器来匹配阻抗，以提升输入信号电压。最后，还提高了输入回路的等效Q值，也就是提高了回路的选择性，降低了输入的噪声。

我们来画出图4串接放大器的交流等效电路图。设电子管V\(_{1}\)的静态参数为μl、Ri1和S\(_{1}\)，V2的静态参数为μ2，R\(_{i2}\)和S2。由于V\(_{1}\)的栅阴极间加有交流输入信号电压Ug1k1，所以电子管V\(_{1}\)可以用一个电动势为μ1U91K1、内阻为R\(_{i1}\)的发生器来代表，如图5中a1、k\(_{1}\)两点间的电路所示。设流过整个串联电路的交流电流为Ia，则由图5可以看到，电子管V\(_{2}\)栅极g2和阴极k\(_{2}\)间的电压Ug2k2=（μ1U\(_{g1k1}\)-IaR\(_{i1}\)）。这样电子管V2可以用一个电动势为μ2（μ1U\(_{g1k1}\)-IaR\(_{il}\)）、内阻为Ri2的发生器来代表，如图中a\(_{2}\)、k2两点间的电路所示。负载R\(_{L}\)接在V2屏极和地之间。

由图5等效电路可以定出下列公式：

I\(_{a}\)=μ1Ug1k1+μ2(μ1U\(_{g1k1}\)-IaR\(_{i1}\))Ri1+R\(_{i2}\)+RL。

求解I\(_{a}\)得

I\(_{a}\)=μ1(1+μ2)Ug1k1R\(_{i1}\)(1+μ2)+Ri2+R\(_{L}\)。

整个串接放大器的放大系数为

K=\(\frac{U}{_{L}}\)Ug1k1=-I\(_{a}\)RL;U\(_{g1k1}\)

=-\(\frac{μ1(1+μ2)}{R}\)\(_{i1}\)(1+μ2)+Ri2+R\(_{L}\)RL。

负号表示输出电压和输入电压反相。把这一公式和由一个电子管构成的普通阴极接地放大器的放大系数公式K=-\(\frac{μ}{R}\)\(_{i}\)+RLRL相比较，可以看到，μ1(1+μ2)相应于这个电子管的μ，而R\(_{i1}\)（1＋μ2）+Ri2相应于这个电子管的R\(_{i}\)。因此，可以把两个串接电子管看成是一个等效电子管，这个等效电子管的放大因数μd=μ1（1＋μ2），而内阻Rid=R\(_{i1}\)（1＋μ2)+Ri2。

通常串接放大器中的两个三极管多采用双三极管，它们的参数相同（μ1=μ2=μ；R\(_{i1}\)=Ri2=R\(_{i}\)），又因为μ》1，所以等效电子管的参量可近似看成

μd≈μ\(^{2}\),而R\(_{id}\)≈Riμ。

放大三极管的μ值通常在20到100之间，因此，μd的值在400到l0000的范围内，而五极管的放大系数也大约在这个范围内。放大三极管的内阻在4到120千欧之间，所以串接放大器可以具有80千欧到12兆欧的等效内阻，而五极管的内阻大约为10千欧到2.5兆欧。由此可见，两个三极管按阴地—栅地电路串接起来，它们的等效参数或者相当于一个五极管，或者比一个五极管还要好。与此同时，它们的固有噪声要比五极管低得多。

阴地-栅地放大器广泛地应用在各种高频和低频电路中，例如电视接收机电视摄像机中的第一级放大器大都采用这种串接放大电路。在输入信号电平很低的微音器放大级、录音机放音电路前置放大级中采用低噪声的串接放大电路，可以保证得到为高质量放音所需的信号噪声比。图6是一小微音器级串接放大电路的例子，它的总增益约达50分贝（十万倍）。