Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf

620 ПРИЛОЖЕНИЯ

§ 1. Усилители

Основные сведения об устройстве электронных ламп и свойствах усилительных каскадов изложены в описании к задаче 37 и здесь повторяться не будут. Отметим некоторые особенности, связанные с применением электронных ламп в физической аппаратуре.

Чаще всего усилительные каскады применяются в физике для усиления электрических импульсов, регистрирующих какое-нибудь событие (например, срабатывание гейгеровского счетчика) или от­ мечающих начало или конец некоторого промежутка времени. При этом главной задачей является неискаженная передача формы им­

в отсутствие сигнала имеет потенциал земли. Протекающий через лампу ток вызывает падение напряжения на включенном в катод со­ противлении R K. Потенциал катода оказывается, таким образом, по­ ложительным, и сетка приобретает относительно катода небольшое отрицательное смещение. Анод соединен с источником высокого напряжения + £ б через сопротивление нагрузки Да. Изображенная пунктиром емкость Са учитывает паразитные емкости анодной цепи лампы (и входные емкости следующего каскада).

Сигнал подается на каскад через емкость С и снимается через кон­ денсатор Ср.

Катодное сопротивление R Kшунтируется большой емкостью Ск, представляющей для кратковременных сигналов ничтожно малое сопротивление; сопротивление R K в этом случае не сказывается на усилении каскада.

где |л — коэффициент усиления лампы, Rt — ее внутреннее сопро­ тивление, а R a — анодное сопротивление каскада. Формула (7.1) была выведена без учета паразитной емкости Са. Из этой формулы на первый взгляд следует, что для увеличения коэффициента уси­ ления каскада сопротивление R a нужно выбирать большим, порядка

показывает формула (7.1), коэффициент усиления при R a = 10 кОм равен всего 90, в то время как при R a = 100 кОм он достигает 800. Наличие емкости Са приводит, однако, к тому, что при усилении быстрых сигналов в анод лампы нельзя включать ни 10 кОм, ни тем более 100 кОм.

Рассмотрим для иллюстрации случай, когда каскад используется для усиления большого отрицательного импульса с очень крутым передним фронтом. Пусть амплитуда этого импульса столь велика, что он полностью запирает лампу. При идеальной работе каскада анодное напряжение лампы должно было бы мгновенно подняться до величины Еб.

В реальной схеме время подъема анодного напряжения опреде­ ляется временем зарядки емкости Са через сопротивление Ra. Как

потенциал на аноде лампы. Изменение выходного сигнала проис­ ходит, таким образом, не мгновенно, а по экспоненте с характери­ стическим временем RaCa. В этом случае форма выходного сигнала определяется, следовательно, не столько формой входного сигнала, сколько свойствами каскада. Паразитную емкость никогда не удается

порядка 1 0 " 6 секунд.

Выбор нагрузочного сопротивления каскада в быстродействую­ щих схемах определяется, таким образом, не столько необходимым коэффициентом усиления, сколько требованиями, предъявляемыми к точности воспроизведения сигналов. Общий коэффициент усиления схемы может быть затем поднят путем последовательного соединения нескольких усилительных каскадов. Коэффициент усиления от­ дельного каскада редко превышает несколько десятков. При работе со счетчиками часто требуется усиление 103 ч- 104. Усилители с такими коэффициентами усиления содержат обычна два-три кас­ када усиления.

Усилители постоянного тока. Среди различных усилителей по­ стоянного тока наибольшее значение имеют усилители малых токов. Рассмотрим особенности этих усилителей.

Всякий радиотехнический усилитель является прибором, реа­ гирующим на изменение сеточного напряжения, поскольку как анод­ ный ток, так и напряжение на аноде зависят главным образом от изменения напряжения на сетке лампы. При использовании лампы для измерения тока в сеточную цепь устанавливается сопротивление /?с, так что потенциал сетки оказывается пропорционален току:

VC= R J .

Усилители постоянного тока часто используются для измерения токов в ионизационных камерах. Эти токи составляют иногда всего 1СР14 -г- ІО" 12 А. Усилители малых постоянных токов называются электрометрическими усилителями. Измерение малых токов воз­ можно, конечно, лишь в том случае, если собственный сеточный ток лампы имеет еще меньшую величину. Ток первой (ближайшей к ка­ тоду лампы) сетки обычно оказывается довольно большим, и в элект­ рометрических усилителях в качестве управляющей чаще всего ис­ пользуется не первая сетка, а вторая. При управлении по второй сетке коэффициент усиления лампы по напряжению оказывается порядка единицы. Усилители постоянного тока, таким образом, не усиливают (или практически не усиливают) сигнала по напря­ жению. Их назначение заключается в том, чтобы создать в анодной цепи лампы большой, доступный непосредственному измерению ток, величина которого жестко связана с очень малым током, протекаю­ щим через сеточную цепь.

При исследовании работы каскада необходимо помнить, что управляющая анодным током разность потенциалов между сеткой и катодом включает не только подаваемый извне полезный сигнал, но и внутреннюю, контактную разность потенциалов. Эта контактная разность составляет обычно несколько десятых долей вольта и слегка зависит от температуры. Устойчивая работа усилителя постоянного тока возможна поэтому лишь в том случае, если усилитель хорошо прогрет и если сигнал составляет не менее чем несколько десятков милливольт (в течение коротких промежутков времени можно ра­ ботать и с меньшими сигналами).

Казалось бы, получение больших сигналов не представляет осо­ бой трудности и может быть достигнуто путем простого увеличения сопротивления Rz. Величина R c не может, однако, выбираться осо­ бенно большой из-за недопустимого возрастания постоянной времени каскада. В самом деле, связанные с сеточной цепью лампы рассеян­ ные емкости никогда не бывают меньше 10 пФ, а для ионизационных камер составляют не менее 20 пФ. Постоянная времени сеточной цепи составляет при такой емкости 0 , 2 секунды для сопротивления

ниях же порядка 1010 Ом сигнал оказывается невелик, и нужно принимать особые меры для увеличения стабильности усилитель­ ного каскада.'

Электрометрические усилители особой стабильности изготов­

кой 2 в цепи ее первой сетки. Положение точки 2 подбирается таким образом, чтобы в отсутствие сигнала ток через гальванометр не протекал.

Ток через гальванометр, вообще говоря, зависит как от измеряе­ мого тока / с, так и от напряжения источника Б. При специальном

Подаваемое на схему от источника питания напряжение регули­ руется с помощью реостата RH. Зайчик гальванометра при этом передвигается по шкале. При правильно собранной схеме в рабочем диапазоне напряжений всегда находится точка, в которой зайчик гальванометра поворачивает обратно. В этой точке показания галь­ ванометра в первом приближении не зависят от напряжения источ­ ника питания.

Усилители постоянного тока способны усиливать входные токи в миллиарды и даже сотни миллиардов раз.

§ 2. Дискриминаторы

При описании пропорциональных счетчиков и ионизационных камер отмечалось, что разные частицы (или даже одинаковые ча­ стицы разной энергии) создают импульсы разной амплитуды. Та­ ким образом, появляется возможность отличать одни частицы от других, измеряя амплитуду вызванных ими импульсов.

Простейшими анализаторами амплитуды импульсов являются устройства, разделяющие импульсы на два класса: импульсы с ам­ плитудой выше или ниже некоторого выбранного значения. Такие приборы называются амплитудными дискриминаторами или, точнее, интегральными амплитудными дискриминаторами.

Наиболее простым по устройству является диодный дискрими­ натор, схема которого изображена на рис. 327.

Рис. 327. Диодный дискриминатор.

Схема состоит из диода (кристаллического или лампового), двух сопротивлений и потенциометра, регулирующего потенциал ка­ тода. Если к катоду приложено напряжение -j-K0» то через диод проходят только положительные импульсы, амплитуда которых V превышает Ѵ0. Все остальные импульсы через диод не проходят.

Несмотря на простоту, диодный дискриминатор применяется сравнительно редко, главным образом из-за того, что амплитуда импульсов на его выходе зависит от амплитуды сигналов на входе. Схема, регистрирующая прошедшие через диод импульсы, должна в этом случае иметь одинаковую чувствительность к импульсам разной амплитуды, что, естественно, усложняет ее конструкцию.

Гораздо более удобны амплитудные дискриминаторы, построен­ ные на двух лампах. Наиболее широко распространена изображен­ ная на рис. 328 схема, известная под названием дискриминатора Шмидта. Катоды обеих ламп дискриминатора соединены вместе и через сопротивление R K подключены к земле. Потенциал на сетке лампы Л2 поддерживается с помощью делителя из сопротивлений R3 7?! и Напряжение на сетке Л1 регулируется потенциомет­ ром П.

Рассмотрим действие дискриминатора Шмидта. Заметим прежде всего, что состояние, когда ток идет одновременно через обе лампы,