电子管 阴极输出器设计原理

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1、阴极输出器 普通电子管放大器的负载电阻 RL 是接到电子管的屏极，从屏极取得输出信 号。对交流信号来说，这种放大器的阴极接地，以阴极作为输入电路和输出电路 的公共点（图 1a） ，所以又叫做阴极接地放大器或共阴极放大器。在有些情况下， 我们也常用到所谓阴极输出器电路（见图 2a） 。这种电路的负载电阻 RL 不是接 到屏极而是接到阴极，从阴极输出信号。这里电子管的屏极不通过任何电阻而直 接接到电源上。对交流信号来说，这种电路的屏极接地，以屏极作为输入电路和 输出电路的公共点，所以阴极输出器又叫做屏极接地放大器或共屏极放大器。 阴极输出器的特性 从表面上看来，阴极输出器和普通电子管放大器只是 R

2、L 所接的位置不同， 实际上它们的特性却有很大差别。下面我们通过对这两种电路的比较，来说明阴 极输出器的主要特性。 输出信号与输入信号同相位在普通放大器中，当栅压增高时，电子管的屏流 就跟着增大，使负载电阻 RL 上的电压降增加，因而电子管的屏压降低，也就是 输出电压降低。由此可见，普通放大器的输出信号与输入信号反相。在阴极输出 器中，栅压增高时屏流也增大，但因为它的负载电阻是接在阴极上，屏流增加时 阴极电位升高，也就是输出电压增高。因此，阴极输出器的输出信号与输入信号 同相。 电压放大系数小于 1 负载电阻 RL 从屏极改接到阴极， 不仅仅使输出信号的 相位改变了 180,同时还使电子管的输

3、入电路起了重大变化。在普通放大器中 （图 1a） ，加到电子管栅阴极间的交流电压 Ugk，就是待放大的信号电压 Ug。 而在阴极输出器中（图 2a） ，加到电子管栅阴极间的电压 Ugk，却不等于信号电 压 Ug，而是等于 Ug-UL。换句话说，我们是把从输入电压 Ug 中减去全部输出电压 UL 以后所得的电压加到了电子管的栅阴极间。由此可见，阴极输出器是一 个百分之百的负反馈放大器。这一点是阴极输出器具有很多特殊性质的根本原 因。 大家都很熟悉，普通放大器的等效线路如图 1b 所示。根据这一电路可以得 出放大器的放大系数为 K=UL/ RL (1) Ug Ri+RL 大多数电子管的值在几十到几

4、百,所以 K 远大于 1。 可以参照图 1b 的等效电路作出阴极输出器的等效电路（图 2b） 。图 2b 电路 也说明了屏流 Ia 随电子管栅阴极间电压 Ugk 而变化的关系， 它和图 1b 不同的地 方有两点： （1）阴极输出器是屏极 a 接地，因而它的输出电压正好和图 1b 的相 差 180； （2）在阴极输出器中，加在电子管栅阴极间的电压 Ugk，不等于输入 电压 Ug， 而等于 （Ug-UL） ， 所以等效发生器的电热不是Ug， 而是 （Ug-UL） 。 由图 2b 求出阴极输出器输出电压 Ugk (Ug-UL) UL= RL=RL (2) Ri+RL Ri+RL 阴极输出器的电压放大

5、系数 Kf 是输出电压 UL 和输入电压 Ug 之比 （不是 UL 与 Ugk 之比） 。因此， Kf=UULg=Ri+(1+)RLRL。 （3） 分子分母都除以（1+） ，可得 Kf= Ri 1+RL=Ri+RLRL， （4） 式中 1+RL = ，Ri= Ri 。 1+1+ 把这个式子和普通放大器的放大系数公式 RL K=- Ri+RL 比较，可以看出在阴极输出器的 Kf 公式中，只是用和 Ri 代换了和 Ri。 在这里，我们可以把和 Ri 看作是某一等效电子管的参数，因此可以参照 图 1b 进一步画出阴极输出器的等效电路，如图 2c 所示。图 2c 和图 1b 的电路形 式是相同的，它们

6、都说明了屏流随输入电压 Ug 的变化关系。但是在图 2c， 和 Ri 是等效电子管的参数，同时它的接地点是屏极 a（图 1b 是阴极 K） ，这 就反映了阴极输出器本身的特点。 因为一般电子管的远大于 1，所以等效电子管放大因数 = 1， 1+ 而阴极输出器的放大系数 KfRi+RLRL。 （5） 从这个式子可以看出，Kf 是小于 1 的。RL 比 Ri 越大 Kf 越接近于 1。但它永 远小于 1。由此可见，阴极输出器不能放大输入信号，反而把它减弱了，这是阴 极输入器的一个缺点。为了使信号电压减得少些，应采用等效内阻 Ri 比 RL 小得多的电子管。 输出阻抗小 从前面的公式 Ri Ri=

7、1+ 其他/阴极输出器/半波 晓波/1964 年/第 2 期(总第 98 期)/第 3 页 无线电1955-2000 合订本光盘第 2 页 可以看到，阴极输出器等效电子管的内阻 Ri 要比实际电子管的内阻 Ri 小得 多，只有 Ri 的（1+）分之一。由于1，所以又可写成 RiRi 1。 =S 例如，五极管 6J1（61）的互导 S=5.2 毫安/伏，可算出 Ri=192 欧。而 6J1 的实际内阻 Ri 约为 300 千欧，可见把 6J1 用做阴极输出器时，它的内阻就减小 到原值的一千五百分之一左右。 如果把限极输出器作为信号源向后级电路供电，那么对后级电路来说，阴极输 出器的输出阻抗Ro就

8、等于Ri和RL的并联值， 即 RL Ro= RiRL1 S= RL 。 （6） Ri+RL S+RL 1+SRL 于 1S。 在 RL 甚大于 Ri 的情况下，阴极输出器的输出阻抗 Ro 和 RL 的关系 很小，它基本上等于 Ri，即等 为了获得较小的输出阻抗，以使 Kf 接近于是（参看式 5） ，阴极输出器应选用 互导 S 较大的电子管。 输入阻抗大 放大器的输入阻抗等于输入电压和输入电流之比。 在输入电压相同 的情况下，输入电流小的则说明放大器的输入阻抗大。在阴极输出器中，电子管 栅阴极之间的电压（Ugk）远小于输入电压（Ug） ， Ugk=Ug-UL=Ug-KfUg=Ug(1-Kf)。

9、Kf 一般都接近于 1，假如 Kf=0.9，则（1-Kf）=0.1，这就是说，Ugk 只有 Ug 的十分之一。由于加到电子管栅阴极间阻抗 Zgk 上的电压减小了，因而流过它 的电流也就减小了。在输入电压不变的情况下，电流的这种减小可以看成是输入 阻抗的增加。 对于栅阴极间阻抗 Zgk 来说， 由于通过它的电流减小到 （1-Kf） 倍， 所以相当于由 Zgk 构成的那部分输入阻抗增加到（ 1 ）倍。例如，我们可以看 作是栅阴间电容 Cgk 的 1- Kf 1 容抗增大到（1-Kf）倍，或 Cgk 的容量减小到（1-Kf）倍。如果栅漏电阻也是接 到电子管栅阴极之间，则它呈现的输入阻抗也相应地增大到

10、原值的 1 倍。但是 应当指出，接在栅极和地之间的阻抗，例如 Cga、 1-Kf 由栅极接地的栅漏电阻和栅极对地的接线电容等， 是直接并联在输入电压Ug上， 所以这一部分输入阻抗不会增加。因此在使用阴极输出器时，仍应将它尽量靠近 信号源。 除以上所谈的几点特性以外， 由于阴极输出器是一个 100%负反馈放大器， 所以 它还具有负反馈放大器的一切优点，比如频率失真小（工作频带宽） ，非线性失 真小，工作稳定等等。 阴极输出器的工作点 在普通放大器中，大都用阴极电阻供给电子管的直流偏压，以得到合适的工 作点。阴极输出器的情况与此相似。在图 2 的电路中，如果屏流直流分量 Iao 在 负载电阻 RL

11、 上的直流压降，正好等于我们所需要的直流偏压，那么就可以直接 利用 RL 作为自给偏压电阻。但是一般说来，屏流的直流分量（Iao）在负载电阻 RL 上产生的电压降并不一定等于所需要的偏压。如果 RL 过大，因而产生的偏 压过大，可以采用图 3a 或 b 的电路。电路 a 中由屏极供电电源通过分压器电阻 R1、R2 在电子管栅极上加一个正电压，从而抵消一部分 RL 的负偏压，使栅极 上所加的实际偏压等于所需要的偏压。一般 R2 为几兆欧，R1 为几十兆欧。电路 b 中负载电阻 RL 分成 R1 和 R2 两部分，栅极接到两个电阻的中间，所以加到栅 极上的偏压只是 R1 上的电压降， R1 的大小

12、应正好使得它上面的电压降等于所需 要的栅偏压。如果负载电阻 RL 较小，因而产生的偏压太小时，可以采用图 3c 的电路，RL 和 R1 上产生的直流电压降之和应该等于所需要的偏压。对于交流 信号来说，CK 将 R1 短路，所以 R1 的接入对电路中的交流信号没有影响。这和普通放大器中采用阴极旁路电容的情况相似。电路 d 应用比较广泛，它的负载电 阻不包括在自给偏压的电路内，因此 RL 的选择与所需要的偏压无关。 阴极输出器的应用 用作输入级 测量仪表必须具有很高的输入阻抗， 否则把它接到电路里就改变了 电路的工作情况，因而影响到测量的准确性。阴极输出器的输入阻抗很高，因此 很多测量仪表都采用阴

13、极输出器作为输入级。 光电管、摄像管、拾音器或微音器等信号源，都需要用很高的负载电阻。如果 用普通放大器作为输入级，则由于它的输入阻抗小，对负载电阻有显著的旁路作 用，所以会影响输入信号的大小和通频带。用输入阻抗较大的阴极输出器，就可 以显著地减小这种影响。 阻抗变换器 阴极输出器的输入阻抗很大，而输出阻抗很小，是一个理想的阻抗 变换器。例如，当普通放大器需要通过电缆与负载连接时，由于放大器的输出阻 抗很大，不能和电缆阻抗匹配。这时可在两者之间加一级阴极输出器，阴极输出 器的输入端和普通放大器连接，而输出端和电缆连接，这样，具有低特性阻抗的 电缆便和具有高输出阻抗的放大器达到阻抗匹配了。 用来

14、控制有栅流的末级电子管 为了提高输出功率， 低频功率放大器的末级常常 在有栅流的状态下工作。栅流的存在会使被放大的信号波形失真。当输入信号还没有使栅极达到正值，因而电子管没有产生栅流时，末级的输入电压等于信号源 的电势。但当输入信号增大使电子管出现栅流时，信号源的内阻上就会产生电压 降而使加到末级输入端的电压减小（电压减小的数值等于信号源内阻上的电压 降） ，结果产生了非线性失真。阴极输出器具有较小的输出阻抗(即信号源内阻)， 所以用它来控制有栅流的末级电子管时产生的失真较小。 用作功率放大器 阴极输出器虽然不能放大电压信号，但是在负载电阻很小时， 却可以用做功率放大器。在阴极输出器中，等效电子管的内阻 Ri 很小，因此 电源功率在 Ri 上的消耗很小，大部分功率都输出到负载上去了，这是一个很 大的优点。另外由于阴极输出器有很深的负反馈，用它做末级功率放大器可以降 低对输出变压器的要求。甚至可以不用输出变压器，将它直接和负载连接，也能 达到阻抗匹配。这样既降低了成本，也消除了输出变压器引起的频率失真和非线 性失真。 此外，利用阴极输出器输出信号和屏极输出信号相位相反的特性，还可以做成 倒相器等等。从前面的简单介绍可以看到，阴极输出器的用途是很广泛的。