四代进化 · 每代打补丁

图文知识 · 模拟电子电路

电子管的进化史,就是一部打补丁史——每一代都修上一代的 bug,又带出新的 bug。

四代同框家族照

前情:从只会开关,到学会放大

真空二极管学会单向导电(烧热出电子,正电吸、负电推);在灯丝与板极之间加一张金属网——栅极,就成了三极管:栅极像水龙头,拧一点点,板极电流就大变。这就是放大。

但故事没完。这只瓶子有个天生毛病……

第一代 三极管:会放大,但会"啸叫"

栅极和板极是两块隔着缝的金属,天生就是一个看不见的电容。被放大的大信号顺着这个隐形电容倒流回栅极——输出倒灌进输入,就像话筒怼着音箱,"吱——"地越叫越响,这叫自激。频率越高叫得越凶,收音机根本没法用。当年只能在外面加补偿电路硬压(中和电路),每台都要手工调,纯属创可贴。

第二代 四极管(帘栅管):加一道"隔音墙"

既然栅极和板极隔空"眉来眼去",那就挡在中间:在栅极与板极之间插一张金属网——帘栅极,接固定正电、对交流近似接地。有了这道隔音墙,大信号漏不回去了,不叫了,放大倍数还从几十暴涨到几百。

但新 bug 来了:电子高速撞上板极,会把板极上的别的电子也撞出来(二次电子)。这些小电子能量很低;板极电压一旦低于帘栅电压,它们就被帘栅拐跑了——板极越使劲吸,被拐走的越多,电流反而变小,特性曲线出现一个坑,声音严重失真。

第三代 五极管:加一个"保安"

既然小电子想叛逃,那就拦住押回去:在帘栅与板极之间再加一张稀疏的网——抑制栅极,接最低电位。二次电子只有几 eV 的劲儿,保安轻轻一推"回去!"就乖乖回板极了。曲线重新变光滑,放大又狠又稳。

但还有心病:帘栅这张网横在马路中间,电子去板极的路上总有一部分被它截走——白白耗电、发热。小信号管无所谓,大功率输出管就很吃亏;而且五极管专利在飞利浦手里,别人想造得交钱。

第四代 束射四极管:撤掉保安,改"列队"

思路变了:这次不加网,改组织纪律。把抑制栅拆掉,在电子流两侧立两块束射屏,把散兵游勇的电子挤成几列密集纵队。妙就妙在:密集的负电荷队伍自己就在帘栅与板极之间制造出一片低电位的"负压区"——这道看不见的"气压墙"照样把撞出来的小电子推回板极。不用保安站街,效果一样,还不挡路。 帘栅截流的电子大减,效率、功率、干净度全面起飞。1936 年 RCA 量产 6L6,成了传奇功率管——今天的胆机音响、电吉他音箱里还在用。

一张表收尾

世代 修了什么 又带来什么
一代 三极管 学会放大 输出倒灌输入,自己啸叫
二代 四极管 加帘栅隔音墙 不叫了,但二次电子被拐跑
三代 五极管 加抑制栅保安 拐跑解决,但帘栅挡道耗电
四代 束射管 撤保安改列队 队伍自己形成气压墙,功率效率全都要

电子管的进化史,就是一部打补丁史——每打一个补丁,就多长一根栅;直到有一天,有人想:能不能连玻璃瓶都不要了?(→ 下一集:晶体管)

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