книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой

пости. Эта задача может быть решена приближенно пу­ тем графического построения зависимости, удовлетво­ ряющей требованию минимизации напряжения нелиней­ ности, либо точно — путем аналитического определения логарифмической характеристики в виде полинома рав­ номерного (наилучшего в смысле Чебышева) приближе­ ния к вольт-амперной характеристики ЛЭ [Л. 3].

В дальнейшем крутизну и смещение логарифмической характеристики будем обозначать соответственно щ и а».

6. Полупроводниковые логарифмирующие элементы

Диффузионная составляющая тока через /э-и-переход в начале прямой ветви вольт-ампериой характеристики описывается выражением [Л. 80]

теристику перехода можно представить в виде чисто экспоненциальной зависимости

Однако (7) описывает только диффузионную состав­ ляющую тока через переход. Характеристики реальных переходов значительно отличаются от (7). Основными факторами, искажающими характеристику перехода, являются падение напряжения на сопротивлении полу­ проводника, диффузионный ток в протяженных обла­ стях, процессы генерации — рекомбинации носителей в областях объемного заряда и т. п. [Л. 74]. В резуль­ тате характеристика перехода может значительно отли­ чаться от логарифмической зависимости, причем иска­ жения характеристики различны для разных типов при­ боров, а также для разных экземпляров одного типа.

В качестве ЛЭ находят применение кремниевые дио­ ды разных типов. Германиевые диоды применяются срав-

30

нительно редко, так как логарифмические участки их характеристик лежат в области сравнительно больших токов.

Параметры кремниевых диодов нескольких типов приведены в табл. 2 и на рис. 11. В табл. 2 приведены средние значения смещения а0 и крутизны cti логарифми­

ческих характеристик, а также среднеквадратические отклонения ст этих параметров для диодов одной партии (каждого типа). Данные таблицы показывают, что раз­ брос параметров характеристики значителен, что спра­ ведливо как в отношении крутизны, так и в отношении смещения. На рис. 11 приведены графики отклонения характеристик от логарифмической зависимости в коор­ динатах lg / —ДП(/)/с(|. Сплошная кривая является ус­ редненной характеристикой приборов данного типа; пунктирными линиями обозначены границы разброса.

Характеристики диодов имеют значительный дрейф

32

ристики существен. Возвращение характеристики к ис­ ходному виду происходит в течение нескольких десят­ ков часов при обесточенном состоянии диода. Описанный дрейф объясняется накоплением зарядов на внутренних структурных дефектах перехода. Его наличие приводит к весьма значительной погрешности при измерениях тока.

Таким образом, наличие существенной нелинейности характеристик, разброс параметров их и дрейф под дей­ ствием протекающего тока делают диоды мало пригод­ ными для применения в качестве пассивных преобразо­ вателей электрометрической аппаратуры.

Гораздо лучшие параметры имеют характеристики транзисторов при трехзажимном включении в цепь об­

значительно меньший разброс, чем аналогичные параме­

tokn, искажающие в одиночных переходах характеристи­ ку диффузионного тока (7). Лучшие результаты . как в отношении динамического диапазона, так и в отноше­ нии нелинейности характеристики, наблюдаемые у диф­ фузионных и планарных транзисторов, получаются при малых геометрических размерах прибора и близком рас­ положении переходов база — коллектор и база — эмит­ тер, что обеспечивает идентичность условий их работы [Л. 74]. Дрейф характеристики транзистора под дейст­ вием протекающего тока значительно меньше (в 10— 100 раз), чем характеристики диода.

Температурный дрейф характеристик диодов и тран­ зисторов довольно велик. Так, изменение смещения характеристики достигает 2,3—2,5 мВ/К; изменение кру­ тизны прямо пропорционально изменению абсолютной температуры перехода.

Емкость диодов и транзисторов на прямой ветви вольт-амперной характеристики довольно велика и дости­ гает десятков-сотен пикофарад, что не позволяет достичь высокого быстродействия измерителей тока с полупро­ водниковыми преобразователями (при / = 10-10 А

т » 10- 3— 10-» с).

7. Электровакуумные логарифмирующие элементы

Электровакуумные лампы применяются в качестве логарифмирующих элементов в диодном, триодном и пеитодном включениях. Строго говоря, пассивными лога­ рифмирующими преобразователями являются только лампы в диодном включении. В триодном и пентодном включениях лампы совмещают функции пассивного ло­ гарифмирующего преобразователя (участок управляю­ щая сетка — катод) и линейного усилителя мощности. Однако общность аналитического описания вольт-ампер- ных характеристик позволяет применить в данном слу­ чае общую методику анализа.

В электровакуумных ЛЭ используется логарифмиче­ ский участок зависимости между напряжением на аноде диода и током через диод. Распределение (по Максвел­ лу) скоростей электронов, змиттируемых термокатодом, для случая плоского «бесконечного» электровакуумного диода при отрицательных и небольших положительных напряжениях на аноде дает аналитическое выражение

постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура ка­ тода; q — заряд электрона;

а, = " i n 10

—постоянные коэффициенты.

Реальные диоды и участки сетка — катод многоэлек­

тродных ламп имеют вольт-амперпые характеристики

аналогичного вида.

Динамический диапазон логарифмической характери­ стики электровакуумного диода ограничен в области сравнительно больших токов насыщением лампы, завися­ щим от температуры и площади катода, а также от рас стояния между катодом и анодом [Л. 29]. Верхняя гра­ ница диапазона лежит обычно в области токов 10 7

10- 3 А.

Ограничение характеристики в области малых токов зависит от токов фотоэмиссии сетки и анода лампы, ионного тока, токов утечки по баллону лампы и конст­ рукционным элементам и других факторов, определяю­ щих сеточный ток электронных ламп (за исключением электронного тока, который в данном случае является полезным сигналом) [Л. 20]. Для электрометрических ламп нижний предел диапазона характеристики достига­ ет ю - 14— 10~13 А, для некоторых неэлектрометрических

ламп 10~13— Ю~10 А [Л. 81].

В пределах динамического диапазона логарифмиче­ ская характеристика диода может искажаться вследст­

3G

с катодом. При диодном включении нижний предел диа­ пазона характеристики может достигать 10_и— 10~13 А.

В некоторых лампах (например, металлокерампческом триоде 6С53-Н) па баллон лампы выводится анод. При этом лампа может быть включена по схеме на рис. 15,6.

Данные по зарубежным диодам и многоэлектродпым лампам в диодном включении наиболее полно представ-

вдиодном соединении приведены в табл. 4. Динамический диапазон характеристик диодов со­

ставляет 6—8 декад в диапазоне токов 10- 13— 10_3 А при

нелинейности от 4 до 80%. Характерной особенностью диодов является значительная зависимость их параме­ тров от напряжения накала. Погрешность по току в от­ носительном выражении достигает 10—20% на 1 % из­

менения напряжения накала. Большой интерес представ-

37

ляют также данные временного дрейфа. Так, для лампы 7586 дрейф за первые 100 ч работы составил 75%, за

время от 100 до 400 ч — 69%, от 400 до 1 000 ч — 35%'

и от 1 000 до 4 000 ч — 22 %■ Это свидетельствует о зна­

чительном повышении стабильности характеристики в процессе тренировки лампы (средний дрейф изменяет-

от 0,75 до 0,007 %/ч).

Недостатком диодного включения многоэлектродных ламп является довольно высокое значение паразитного тока, что ограничивает динамический диапазон их ха­ рактеристик в области малых токов. Это объясняется, вероятно, значительными токами утечки по поверхности несущих изоляторов. Для устранения этого недостатка во ВНИИФТРИ предложено и исследовано диодное трехзажимное включение электровакуумного триода в цепь обратной связи ЭМУ, при котором управляющая сетка соединяется с общим проводом схемы, т. е. нахо­ дится под потенциалом анода. На рис. 15,г приведена схема диодного трехзажимного включения металлокера­ мического триода 6С53-Н. В электрометрических лам­ пах, где управляющая сетка выведена отдельно на бал­

нейность характеристики, особенно в области малых то­ ков. Характеристики триодов ЭМ-4 и 6С53-Н и двухза­ жимном (сплошная кривая) и трехзажимном (пунктир­ ная кривая) диодных включениях приведены на рис. 16, из которого становится очевидным преимущество послед­ него. В табл. 5 приведены параметры усредненных харак­ теристик ламп ЭМ-4 и ЭМ-7 в диодном трехзажнмпом

38

СО