Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Транзисторы или лампы?

Современный транзистор

Современная лампа

За всю историю создания усилителей мощности звуковой частоты разработано огромное количество схемотехнических решений.

Как показывает практика, транзисторные усилители при их правильном использовании по объективным техническим характеристикам значительно превосходят ламповые. Тем не менее, многие специалисты отдают предпочтение ламповым усилителям, несмотря на их заоблачную стоимость.

Принято считать, что ламповый усилитель имеет более правильное звучание, характеризуемое терминами «прозрачность», «четкость», «детальность» и т.д. Строго говоря, такое мнение не совсем субъективно.

Чтобы предугадать разницу в звучании ламповых и транзисторных усилителей необходимо рассмотреть на физическом уровне различия между транзисторами и лампами.

ПоказателиЛампа — триодПолевой транзисторБиполярный транзистор
Тип проводимостиЭлектронная(через вакуум)Электронная или дырочная (через канал в кристалле кремния)Электронная или дырочная (через 2 барьера: эмиттер – база и база — коллектор)
Входная нелинейностьОтсутствуетОтсутствует на НЧПропорциональна величине тока коллектора и обусловлена нелинейностью ВАХ база — эмиттер
Выходная нелинейностьПропорциональна корню третей степени из величины тока анодаПропорциональна квадратному корню величины тока стокаПропорциональна величине тока коллектора
ТермочувствительностьОтсутствуетТок стока и крутизна зависят от мгновенной температуры кристаллаТок коллектора и коэффициент усиления по току зависят от мгновенной температуры кристалла
Выходное сопротивлениеВ два раза меньше сопротивления нагрузкиКак правило, больше сопротивления нагрузкиБольше сопротивления нагрузки

Биполярный транзистор отличается от лампы термочувствительностью основных параметров, большей нелинейностью входных и выходных характеристик.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Кроме этого, лампа превосходит транзистор удобством согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением громкоговорителя. Полевой транзистор занимает среднее положение между биполярным транзистором и лампой-триодом.

На первый взгляд, в качестве усилительных элементов, предпочтительнее использовать лампы. Несмотря на кажущуюся очевидность, такое решение не является взвешенным.

На помощь транзисторам приходит схемотехническая хитрость – «отрицательная обратная связь» (ООС). Практически все усилители мощности охвачены местными и общими обратными связями. Они линеаризуют усилитель, уменьшают его выходное сопротивление, расширяют диапазон частот, делают его работу стабильной и независимой от колебаний температуры кристаллов. В итоге, транзисторные усилители обладают великолепными техническими характеристиками. Кроме того, применение биполярных и полевых транзисторов обеспечивает более высокий КПД, массогабаритные показатели и, что немало важно, существенно меньшую стоимость.

Однако не стоит забывать, что в каждом явлении имеются как положительные, так и отрицательные стороны. Интермодуляционные искажения в выходном сигнале, его размывание по времени и разрушение «фазовой картины» – плата за использование отрицательной обратной связи. Присутствие в музыкальном сигнале даже небольших по величине продуктов интермодуляции высших порядков вызывает у слушателя ощущение «металличности», «жесткости». Чаще всего такое звучание характеризуют как ненатуральное. Обилие реактивностей в усилительных каскадах приводит к «многопутевому» распространению сигнала и фазовой деструктуризации.

Размывание сигнала вызвано тем, что через цепь обратной связи он многократно возвращается на вход усилительного каскада. В результате, на выходе, помимо самого сигнала, появляется множество откликов задержанных по времени и смещенных по фазе. Время размывания сигнала для общей обратной связи может достигать 100мс и более. В итоге, наиболее заметным последствием действия на звук общей ООС является ухудшение динамики и ослабление энергичности музыкального звучания.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Необходимо отметить, что в транзисторном усилителе без ООС не обойтись, так как для того чтобы обеспечить даже скромные значения нелинейных искажений и приемлемое выходное сопротивление, усилитель на транзисторах должен иметь, как минимум, глубокие местные ООС. Местные ООС лучше чем общие ведут себя на звуке, и обеспечивают меньшие по величине задержки и более короткий период размывания сигнала. Применение качественных «звуковых» транзисторов позволяет отказаться от общей ООС и получить от усилителя «четкость», «прозрачность», «динамичность» и «энергичность» воспроизведения.

Современные ламповые и транзисторные усилители

Ламповые усилители мощности с ООС, по изложенным выше причинам, практически не используются. Тем не менее, и в них есть элемент, ухудшающий качество звучания – выходной трансформатор, который предназначен для согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Но вред от ООС оказывается большим, чем от применения выходного трансформатора.

Причина «натурального» звучания лампового усилителя заключается в его «гениальной» простоте. При этом его стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов. В силу высокой стоимости, низкого КПД и низкой выходной мощности ламповые усилители звуковой частоты сегодня интересны только истинным ценителям музыки и занимают почетное место только среди прочего Hi-End оборудования в звуковых студиях. А транзисторные усилители широко используются, поскольку имеют высокую надежность, большую выходную мощность и удобство в эксплуатации.

В настоящее время ведущими производителями усилителей мощности звуковой частоты по праву считаются Pass Labs, Unison Research, McIntosh, Accuphase, Denon, NAD, Marantz, Pioneer, Yamaha, Arcam и др.

Лампы или транзисторы? — AudioKiller’s site

Теплый ламповый кот

1. Что лучше – лампы или транзисторы?

На этот вопрос ответить коротко невозможно. И длинно ответить тоже невозможно. На этот вопрос вообще нет ответа.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Хотя бы потому, что понятия «лучше» или «хуже», также как и понятия «хорошо» или «плохо» – это понятия не абсолютные, а относительные. Кому и в чем хорошо? Кому и когда плохо?

Если человек заработал $100 000 – это хорошо? Кому хорошо: ему или вам? А если он заработал эти деньги, продав вам на самом деле дешевый и некачественный товар (фактически вас обманув), то вам хорошо? А ему?

Тем, кто зарабатывает деньги на аудиотехнике, получать деньги наверняка хорошо. Тому, кто деньги на аудиотехнику тратит, хочется за свои деньги получить максимум. Налицо конфликт интересов. Продавец будет вас убеждать, что «хорошо», независимо от того – так это на самом деле или нет. А ламповые усилители в моде, на них заработать проще. Так что в этом смысле ламповые усилители однозначно лучше, чем транзисторные.

Выводы делайте сами. Я могу только пояснить ситуацию, показав, что происходит на самом деле.  Все, что я написал, можно доказать и теоретически, и примерами, но это требует много времени и сил. И главное – чтобы понять доказательства, надо самому быть специалистом в этой области. Кстати, этим пользуются недобросовестные авторы, выдавая за доказательства либо то, что на самом деле доказательствами не является, либо вообще ерунду. Сколько я встречал подобных публикаций – не сосчитать…

Так что вам придется верить мне на слово. Или не верить – ведь кто-то наверняка говорит нечто прямо противоположное, и верить хочется тому, что говорит он, а не я.

В такой ситуации человек обычно верит тому, кто выглядит более заслуживающим доверия. Или тому, кто громче и настойчивей кричит. Только не забывайте, что наиболее заслуживающими доверия обычно выглядят профессиональные мошенники. А громче всех кричат те, кому больше за это платят.

Так что, наверное лучше всего будет прочитать эту статью до конца и тогда уже делать выводы. А еще лучше – попытаться углубить свои знания, потому что знающего человека обмануть гораздо труднее.

Что говорит реклама?

Однажды я наблюдал в Hi-End салоне такую ситуацию.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Продавец впаривал (истинно так!) клиенту дорогущий ламповый усилитель с огромными и очень красивыми лампами. Усилитель был подключен к колонкам KEF. Большое выходное сопротивление усилителя создавало слишком высокую добротность НЧ динамиков колонки – она не была рассчитана на работу с таким усилителем. Поэтому диффузоры НЧ динамиков просто выпрыгивали из корзин – это было видно невооруженным глазом – и громко пердели (извините, но по-другому и не скажешь). При этом продавец напевал: «Послушайте, какой благородный бас». Я ушел и не знаю, был куплен усилитель или нет. Но если да, то как он работал с колонками покупателя вообще неизвестно. Может еще хуже, чем с KEFами. Бедный покупатель!

Сделать хороший усилитель на лампах очень сложно. Я встречал очень мало ламповых усилителей, звучавших лучше, чем усилитель TDA7294, который на самом деле чуть лучше среднего. И все они были на выставках Hi-End. Цену можете себе представить. Хотя не все усилители с такой ценой звучали хорошо.

Есть, конечно, и великие гуру, построившие вот такие усилители «с просто непревзойденным звуком». Надеюсь, что вы не отнесетесь к ним серьезно.

Time sonic machine

Почему же нас уверяют, что лампа – это очень хорошо?

Разговоры о том, что лампы лучше транзисторов на 99,99% — рекламно-маркетинговые уловки. Просто все жители Земли уже купили себе по транзисторному усилителю, а производителям надо что-то продавать. Вот как раз и подоспели ламповые усилители и проигрыватели винила. Когда-то расхваливали транзисторы и CD, теперь те же самые люди теми же самыми словами расхваливают лампы и винил.

Вот так:

Вот это звук!

Аудиожурналам платят за рекламу. На всех серьезных интернет-форумах по аудиотехнике обязательно присутствуют продавцы из аудиомагазинов, а некоторые интернет-форумы принадлежат либо этим магазинам, либо производителям аудиоаппаратуры. Поэтому журналы и форумы не всегда объективны.

Вы никогда не замечали психологической манипуляции при расхваливании ламповой техники? Например, такие заголовки: «Почему лампы лучше транзисторов?»; «Лампы, или транзисторы? Лампы!»; «Почему лампы звучат музыкально?» и тому подобное.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Такой заголовок программирует читателя на нужный вывод – он сформулирован так, как будто превосходство ламп над транзисторами – непреложный и известный всем факт, и в статье просто объясняется, почему именно это происходит (почему Солнце садится на западе?). Практически каждая статья о лампах начинается фразой: «Как известно, лампы звучат лучше транзисторов…». Фраза, начинающаяся со слов «как известно» также является психологической манипуляцией, если речь не идет о том, что действительно общеизвестно.

Насчет «правильного звука». Обратите внимание: все производители говорят, что правильный звук – это именно тот звук, который имеет их продукция. Даже если они выпускают разные усилители, которые звучат совершенно по-разному, то весь их звук – правильный. А вот у конкурентов…

Посмотрите на обзоры и отзывы о любой аппаратуре. В этих обзорах абсолютно все аудиосистемы, начиная от $10, звучат очень хорошо! Как вы думаете, почему?

Но что я объясняю? Вы же взрослые люди и знаете, что такое реклама.

Поделки и подделки

На волне интенсивной рекламы ламповых усилителей, разумеется, появились и подделки. Примерно в 2008 году мне пришло письмо с просьбой о помощи. Человек купил ламповый усилитель за $2500 и с удовольствием слушал его несколько лет.

Отличный ламповый усилитель

А потом усилитель вышел из строя. Хозяин разобрал его и увидел, что в лампах используются только нити накала, остальные контакты ламп никуда не подключены.

Усилитель изнутри

Плата с деталями с обратной стороны выглядела так:

«Ламповая» реальность

Хозяин усилителя был очень расстроен тем, что его обманули, но звук усилителя ему нравился, и он отремонтировал его, оставив таким, как есть – на микросхеме TDA7294.

Ну а вот такое устройство – это уже явный обман.

Ламповый интернет

Если вещи действительно хорошие, то надо ли прибегать к обману, чтобы их продвигать?

А вы всегда сможете отличить правду от обмана?

Звучит лучше – это как?

Как много я встречал людей, рассуждающих о хорошем звуке, которые на самом деле ни разу в жизни его не слышали.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Ни разу в жизни не слышали звучания реальных живых инструментов, реального оркестра. Весь их звуковой опыт заключается в прослушивании смартфона и мультимедийных колонок компьютера. Поэтому все, что звучит чуть лучше, они совершенно искренне называют хорошим звуком. Или то, про что прочитали в рекламном журнале.

У каждого из нас свой вкус, поэтому для каждого из нас понятие «хороший звук» означает что-то свое. Так же, как и понятия «хорошая еда», «хорошая выпивка» или «хороший секс». Поэтому действительно, есть люди, которым ламповый звук на самом деле нравится. Но вспомните – много ли таких людей, вкусы которых совпадают с вашими? Понравится ли вам то, что нравится им? Например, я знаю людей, которым очень нравится секс с другими мужчинами. Очень-очень нравится, на полном серьезе. Вы уверены, что и вам тоже это понравится?

Тогда может стоит отбросить вообще все мнения и попытаться с нуля сформировать свое собственное на основе здравого смысла и объективной реальности?

А нужна ли она, эта объективная реальность?

Есть мнение, что главное, чтобы звук был красивым, чтобы он вам нравился. А будет ли он при этом естественным, или нет – это не важно. Или что естественность вообще невозможна: по ряду причин невозможно получить дома тот же самый звук, какой был на концерте, а тем более в студии звукозаписи.

Приведу аналогию с изображением. Вот посмотрите на фотографию, очень милое изображение, не так ли?

Красивая фотография?

Кстати, это вы. Не узнаете себя? Ну и что, что не похоже, зато красиво!

Ответьте, почему с изображением так поступать неправильно, а со звуком такое делать можно?

Когда говорят о красивом звуке, не забывают упомянуть, что лампы вносят особые «приятно звучащие» искажения. И тем самым делают звук красивым. А транзисторам такого не дано. По этому поводу у меня есть что сказать:

1. Искажения, даже приятно звучание – это все же искажения. Не верите – смотрите фото выше.

2. Все изменения звука надо иметь возможность регулировать и отключать.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Иначе мы попадаем под власть машин – они нам будут навязывать, что нам делать.

3. Речь идет о том, что в ламповом усилителе присутствует только вторая гармоника, которая на слух воспринимается как тот же самый звук, но на октаву выше. И которая обогащает спектр музыкального сигнала, делая его более «ярким». Эта вторая гармоника в лампах зачастую слишком большая, и звук получается либо «чересчур ярким», либо вообще не очень приятным.

4. На самом деле даже усилитель на триоде не такой «хороший», как нам говорят. В усилителе на триоде в реальности присутствует не только «приятная» вторая гармоника, но и «неприятные» остальные. Причем их величина намного больше, чем у транзисторного усилителя. Но это не беда, беда в том, что их величина больше, чем порог слышимости.

5. Если же говорить о пентоде, то пентод имеет точно такие же характеристики, как и транзистор. Поэтому пентод создает абсолютно «транзисторный» звук. По крайней мере так говорит физика. Каким образом ламповые колдуны заколдовывают пентоды на «ламповый звук» я не знаю. Мое личное мнение – ламповые колдуны заколдовывают не пентоды, а себя, чтобы им этот звук нравился. Или нас с вами. Но то, что в каскаде на пентоде неприятно звучащих гармоник высоких порядков больше, чем в транзисторном усилителе – факт.

6. «Красиво звучат» только четные гармоники – вторая и немного четвертая. Так что с точки зрения «настоящего лампового звука» усилитель должен быть триодным и однотактным – в двухтактном «красивая» вторая гармоника (как и все четные) компенсируется и остаются только «плохо звучащие» «транзисторные» нечетные гармоники. То усилитель с двухтактным выходным каскадом — это «плохой транзисторный» усилитель, только на лампах. А триодный усилитель с однотактным выходом очень маломощный. Выходит, что «настоящий ламповый звук» всегда тихий. Конечно, если не делать усилитель на лампах от вещательных радиопередатчиков. С анодным напряжением 10 киловольт и током накала 200 ампер.

7. И кстати, на транзисторах все это можно реализовать не только лучше, но и регулируемо!

Понятие «хорошо звучать» нуждается в пояснении.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Речь идет о звуковоспроизведении. То есть о воспроизведении звука, который был кем-то создан и записан. О своего рода «звуковых консервах». Смысл понятий звукозапись – звуковоспроизведение состоит в том, чтобы донести этот уже созданный звук в целости и сохранности до того слушателя, который не мог услышать этот звук в момент его возникновения. И именно в том виде, в каком этот звук был создан.

Англичане шутят: в английском языке пишется Манчестер, а читается Ливерпуль. Если на концерте (или в студии) записывали скрипку, а при воспроизведении вместо нее звучит барабан, то как бы хорошо он ни звучал, наверное это неправильно. Как бы меня при этом не уверяли, что барабан – это тоже красиво (не спорю, иногда – очень красиво), но я хочу слышать именно то, что записывали.

Лично для меня хороший звук – это максимально точное совпадение того, что я слышу при воспроизведении, с тем, что звучало при записи. Что на концерте, то и дома.  Я предпочитаю естественное звучание. Максимально совпадающее с оригиналом.

Пример. Я сходил на концерт и послушал там музыку. Вернувшись домой, я ставлю диск с записью этого концерта, и дома слышу то же самое, что слышал в зале. Если, закрыв глаза, я не смогу отличить один звук от другого – я достиг идеала звуковоспроизведения. Только не надо мелочно мне возражать, что, мол, дома я не услышу кашля сидящего сзади меня слушателя…

Внесение же в звук изменений – это уже не звукозапись, это соавторство. Изменили звучание так, чтобы скрипка звучала как аккордеон (но очень-очень красиво!), а флейта как арфа (и тоже очень красиво). Технически обработав фонограмму, можно изменить темп исполнения, транспонировать в другую тональность… А может быть и всю партитуру переделать? И вместо Бранденбургского концерта Баха в исполнении камерного оркестра, мы услышим залихватскую ламбаду? Однако тогда будет нечестным писать на обложке диска «Бах». В таком случае честным будет написать: «Это был Бах до обработки и исполнения Васей Пупкиным»

Небольшие изменения в звук все же вносить приходится.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? НЕБОЛЬШИЕ! Например, регулировать громкость и/или тембр. Но, во-первых, это делается осознанно, понимая, что ты делаешь. А во-вторых, всегда имеется возможность самому регулировать вид и величину этих изменений. И имеется возможность эти изменения вообще отключить.

Кроме того, не забывайте, что субъективное восприятие звука – оно очень субъективно (афоризм). Тот факт, нравится нам звук, или нет, зависит не только от самого звука, но и от нашего настроения, эмоционального состояния, наших предпочтений (музыка, которая вам не нравится, всегда будет звучать хуже), состояния здоровья и других факторов. Поэтому часто бывает так, что когда покупали – нравилось, а принесли домой…

И еще один недостаток подхода «на важно, что неестественно, лишь бы нравилось». Если аудиоустройство вносит некие, даже красиво звучащие искажения, то невозможно предсказать заранее, как с этими искажениями будет звучать та или иная музыка. Вполне возможна ситуация, когда одна музыка с «красивыми искажениями» вам нравится, а другая музыка с этими же искажениями вам не понравится. И пока не послушаете, не узнаете – нравится ли вам именно эта музыка с «красивыми искажениями» или нет.

А еще возможна ситуация, когда вы послушали диск в магазине (или на компьютере в интернет-магазине) и вам понравилось, а купили диск и принесли домой, а дома звук совсем другой — дома совсем другие хорошо звучащие искажения. И как тогда быть? Носить в магазин свой усилитель? Может быть поэтому аудиофилы все время меняют аппаратуру в поисках своего звука? Если же звук всегда максимально натуральный, такого не произойдет, он всегда и везде будет одинаковым.

В лампах добиться максимально точной передачи сигнала практически невозможно по техническим причинам. Что бы там не говорили рекламные издания.

А раз так, пришла пора поговорить о технических параметрах.

Технические параметры

Итак, поговорим о технических причинах и технических параметрах.

Нас постоянно убеждают, что измерения не нужны, что они ничего не значат, а иногда даже вредны.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Нам говорят: «Не надо ничего измерять, надо только слушать»; «послушайте и сравните». А еще: «Слушают звук, а не цифры».

Приведу два примера.

  1. Вам предлагают купить компьютерный монитор с разрешением 640х480 пикселей: «Не нужно считать пиксели, вы посмотрите, какая замечательная картинка!»
  2. Вам предлагают купить дорогой автомобиль с двигателем мощностью 30 л.с. и максимальной скоростью 40 км/ч. При этом говорят: «не надо ничего измерять, цифры ничего не значат! Вы просто посмотрите, как он замечательно ездит!»

Я уверен, что в обоих этих примерах вы по значениям параметров сделаете правильные выводы о реальных свойствах товара. И даже тот факт, что руль автомобиля обтянут кожей, взятой с пениса нильского крокодила, не подвигнет вас его (автомобиль) купить.

Так что это правда – измерения вредны. Если бы у вас не было технических характеристик этого автомобиля, то вы бы его купили. А узнав параметры – вы отказались от покупки, несмотря на все хвалебные отзывы. И продавец не получил свою выгоду. Значит, вы причинили ему вред тем, что увидели результаты измерений!

На самом деле измерение – это сравнение. Измерить – означает сравнить объект с некоторым эталоном. Идея измерений в том, что этот эталон неизменен и известен всем. Поэтому, зная результаты измерений, каждый из нас может сделать правильный вывод о свойствах объекта.

Например, огромное количество людей может спорить о весе некоторого камня – тяжелый он или легкий. Если же вы знаете результаты измерений – камень весит 20 килограмм, то вы реально оцените его вес. Более того, вы легко поймете, будет ли этот камень тяжелым для вас и будет ли этот камень тяжелым для вашей бабушки.

Если того, что я уже сказал об измерениях, все же недостаточно, то хотите, я вас познакомлю с женщиной для интимных встреч? Она очень-очень любит секс. Ее характеристики: 90-60-90. Это вес, рост и возраст. Но измерения ведь ничего не значат, не так ли?

Так вот, измерения позволяют заранее оценить усилитель.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Выходная мощность говорит о максимальной громкости. А величины искажений разных типов позволяют оценить натуральность звука. Потому что искажения – это по определению отличия того, что получаем на выходе от того, что подаем на вход. Считается, что на вход поступает идеал, тогда искажения – это то, что усилитель внес от себя (реальный входной сигнал не идеален, но это уже проблемы совсем других устройств – источников сигнала).

Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Линейные не создают дополнительных звуков (по научному частот – составляющих спектра). Они только изменяют амплитуду (величину) некоторых групп частот. Например, регулятор тембра вносит линейные искажения, увеличивая или уменьшая уровень высоких или низких частот. В усилителях линейные искажения связаны с диапазоном воспроизводимых частот. И проявляются в том, что высокие или низкие частоты могут обрезаться.

В современных транзисторных усилителях линейные искажения настолько малы, что абсолютно незаметны на слух – они гораздо ниже порога слышимости. В ламповых усилителях линейные искажения гораздо больше. Но они не очень заметны и практически не создают никаких отрицательных ощущений. Так что о линейных искажениях можно не беспокоиться. Это конечно если в ламповом усилителе применяются хорошие правильные схемы (правильные с точки зрения техники, а не аудиомифов) и качественные выходные трансформаторы, изготовленные специально для этого усилителя.

Нелинейные искажения проявляются в том, что кроме тех частот, что поступают на вход усилителя, в сигнале появляются и другие частоты, создаваемые самим усилителем. Это гармоники – частоты в 2, 3, 4, 5 и так далее раз превышающие исходную частоту. Само число, показывающее во сколько раз частота гармоники выше исходной частоты, называется номером гармоники. Синусоидальный тестовый сигнал как раз и предназначен для того, чтобы реально увидеть какие гармоники и какой величины создает усилитель. Величина гармоник, создаваемых усилителем оценивается коэффициентом гармоник (другие названия – Кг, КНИ, коэффициент нелинейных искажений, THD).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

При воспроизведении реального звукового сигнала, гармоники воспринимаются примерно так.

  • Если гармоник мало (по количеству), и их величина небольшая (Кг < 0,01%) – мы их не слышим, и они нам не мешают.
  • Если усилитель создает только вторую гармонику небольшой величины (Кг = 0,05…0,5%), то звук кажется более ярким и насыщенным. Но не всегда – если входной сигнал содержит сразу очень много частот (например рок-музыка, духовой или большой симфонический оркестр), то звук может быть неприятным и в этом случае из-за интермодуляций.
  • Если гармоник много и они имеют большую величину (Кг > 0,2…0,5%), то звук теряет «тонкую» естественность.
  • При Кг = 1…3 % звук может стать неприятным. Такие искажения допускаются на дискотеке, так как там главное не качественный звук, а максимальная громкость, чтобы «расплавить мозг».
  • При Кг > 10% прослушивание музыки превращается в пытку. Такие искажения допустимы при передаче речи в радиосвязи – слышали голос из малогабаритной радиостанции? При повышении Кг выше 10% разборчивость речи снижается.

На самом деле коэффициент гармоник не является параметром, однозначно определяющим качество звучания. Он имеет смысл «средняя температура по больнице». Например, существуют усилители с хорошим значением коэффициента гармоник и с плохим звуком. На самом деле это означает, что разработчик ошибся в чем-то таком, что мало влияет на Кг (ведь кроме Кг существует множество других параметров усилителля). Либо что Кг измерялся неправильно.

К сожалению, некоторые производители для того, чтобы получить более красивые рекламные числа, измеряют Кг не совсем честно. Например, без нагрузки. Или при тестовом синусоидальном сигнале подавляют гармоники  фильтром. Про то, как некоторые именитые усилители не могут выдать заявленную выходную мощность на реальной нагрузке без катастрофического повышения Кг можно прочитать в статье Работа усилителя трудную нагрузку:

Но если коэффициентом гармоник пользоваться правильно, он поможет распознать некачественные устройства.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Это примерно как максимальная скорость автомобиля и/или мощность его двигателя. Вы в своем воображении можете оценить, как бы вы пользовались «повседневным» автомобилем с двигателем мощностью 30 л.с. и максимальной скоростью 40 км/ч? Наверняка он бы вас не устроил. Также работает и коэффициент нелинейных искажений.

Если THD маленький, то усилитель в принципе может звучать хорошо, если и все остальные его параметры достаточно хорошие (автомобиль с двигателем мощностью 150 л.с. и максимальной скоростью 250 км/ч может иметь бензобак емкостью 10 литров). Так это, или нет узнать сложно, потому что абсолютно все параметры производитель не публикует (а иногда и не измеряет). Да и оценить эти параметры может только специалист.

Если THD большой, то усилитель наверняка звучит плохо. Если конечно вы не любитель именно такого звука.

Повторяю, все сказанное относится только к воспроизведению звука. При исполнении музыки ситуация совсем другая. Дистошн-гитара в рок-музыке получается как раз внесением в звук гитары нелинейных искажений огромной величины. Но музыканты сами создают свой звук, а наша задача – донести этот звук до слушателя в неизменном виде.

Очень интересную аналогию для коэффициента гармоник я встретил в интернете. Коэффициент нелинейных искажений – это как температура тела человека. Нормальная температура еще не означает, что человек здоров. Но повышенная температура однозначно говорит, что со здоровьем не все в порядке.

2. Ламповый усилитель

Рассмотрим особенности вакуумных ламп. Только будем это делать честно. Почему особенности ламп, а не их достоинства и недостатки? Потому что то, что в одном случае является достоинством, в другом случае может быть недостатком. В зависимости от того, насколько правильно лампа используется.

  1. Ламповые триоды намного более линейны, чем транзисторы. А вот пентоды почти такие же нелинейные. Однако линейность триодов все же недостаточно высокая, транзисторный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью (ООС) гораздо более линеен.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Так что один каскад на триоде, может создать «красиво звучащие» искажения. Но искажений все же может оказаться слишком много, и тут уже почти ничего не сделаешь.
  2. В ламповых схемах невозможно создать глубокую ООС, которая бы значительно снизила искажения.
  3. Ламповый усилитель имеет довольно высокое выходное сопротивление – до нескольких ом. Иногда это улучшает звучание колонок, но тут как повезет – колонки конструируют для работы с нулевым выходным сопротивлением усилителя, так что их звук при работе с ламповым усилителем может не улучшиться, а ухудшиться. Особенно возможно ухудшение звука при работе с дорогими высококачественными колонками, которым улучшать звук уже и некуда. Обратите внимание на такой рекламный параметр усилителей, как коэффициент демпфирования. В рекламе усилители соревнуются, у кого он меньше. У какого-то усилителя коэффициент демпфирования равен 0,05. А у другого он равен 0,002. И второй усилитель за это сильно хвалят. У ламповых усилителей коэффициент демпфирования равен 0,1…0,5. И никто из рекламщиков их за это не ругает. Просто значения коэффициента демпфирования ламповых усилителей тихо замалчивается.
  4. Величина искажений ламповых усилителей практически не зависит от частоты сигнала. Но это реализуется только в предварительных усилителях. В усилителях мощности искажения, вносимые выходным трансформатором, от частоты очень даже зависят. В транзисторных же усилителях искажения на высоких частотах практически всегда больше, чем на низких и средних. Хотя, они при этом настолько малы, что обычно незаметны.
  5. Ламповый усилитель либо не боится коротких замыканий в нагрузке, либо переносит их без особых проблем. А вот работать без нагрузки ему не рекомендуется. Хотя в детстве я что только не делал с ламповым усилителем своей радиолы, и ничего не случилось
  6. В ламповом усилителе довольно просто получить большое выходное напряжение – более 100 вольт пик-пик.
  7. Срок службы большинства ламп равен 500 часов. Но это при правильной эксплуатации, что бывает далеко не всегда.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? На самом деле очень мало ламповых усилителей оснащены автоматикой плавного пуска ламп по специальному алгоритму. Обычно всё включается прямым пуском, что снижает ресурс ламп. Срок службы – это время, через которое свойства лампы изменятся настолько, что это можно будет заметить при измерении их параметров приборами. А при дальнейшей эксплуатации, параметры ламп будут изменяться все сильнее и сильнее. Большинство ламповых усилителей не позволяют определить момент, когда свойства лампы начинают ухудшаться и ее пора заменять. Также как не позволяют подстраивать (ни автоматически, ни даже вручную) режим работы лампы, чтобы он был оптимален для её изменившихся свойств. А «ламповики» продолжают слушать усилитель с изношенными лампами. И хвалить! Хотя в некоторых хороших усилителях процесс старения ламп контролируется.
  8. В лампах существует микрофонный эффект: механическая вибрация лампы может вызывать помехи в усиливаемом сигнале. Но на самом деле это важно для высокочувствительных микрофонных усилителей или корректоров винила. В усилителях мощности микрофонный эффект – явление крайне редкое, и обычно оно вызвано неудачной конструкцией корпуса и креплением ламп.
  9. Выходной трансформатор лампового усилителя может работать только в ограниченном диапазоне частот. На слишком высоких частотах растут потери в железе и индуктивное сопротивление рассеяния обмоток. Это приводит к нагреву трансформатора (что нестрашно, так как мощности на высоких частотах маленькие) и к уменьшению выходного сигнала. А вот слишком низкие частоты приводят к насыщению сердечника. При этом  искажения происходят в сигнале всех частот, которые проходят через трансформатор в данный момент. Причем искажения появляются короткими «вспышками» в момент максимальной амплитуды низкочастотной перегрузки. И чем ниже частота, тем меньший уровень сигнала требуется для насыщения трансформатора. Так что «великие гуру», требующие чтобы ламповый усилитель усиливал сверхнизкочастотный сигнал, ошибаются. И подобные усилители звучат хуже – кратковременные «вспышки» искажений большой величины намного хуже некоторого недостатка низких частот, который появляется при снижении их уровня в усилителе, чтобы избежать насыщения выходного трансформатора.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?
  10. Многие ламповые схемы, даже рекламируемые как «очень хорошо звучащие», на самом деле либо слабые, либо вообще никуда не годные. Они разработаны в 50-х … 60-х годах XX века, когда еще не была полностью разработана теория усилителей. И предназначались они для аппаратуры невысокого класса. Надо быть хорошим специалистом, чтобы такую схему распознать и избежать ее изготовления и применения.
  11. Блоки питания ламповых усилителей по большей части вообще ужасные. В те времена электролитических конденсаторов большой емкости на высокое напряжение просто не существовало. И инженеры выкручивались как могли. А мы сейчас бездумно повторяем эти убогие схемы вместо того, чтобы сделать хорошую и современную.

Немого про отрицательную обратную связь (ООС). Нам старательно внушают, что ООС – это зло. И нужно быть первоклассным джедаем, чтобы это зло уничтожать. Это не так. Я не буду сейчас устраивать дискуссию, просто скажу, что не бывает вещей хороших или плохих. Все зависит от того, кто, как и для чего эту вещь использует. Если сделать неправильно – ООС это зло. Если сделать правильно…

Кстати, каскад на вакуумном триоде считается очень хорошо звучащим. Но в таком каскаде отрицательная обратная связь есть почти всегда – она возникает самостоятельно без нашего участия. К счастью большинство сторонников лампового звука об этом не знают, и существующая в триодах ООС звук им не портит.

Ну а теперь рассмотрим примеры искажений, возникающих в ламповом усилителе.

Все приведенные здесь измерения сделаны в процессе доводки и настройки реального лампового усилителя мощности с однотактным выходом. Выходная мощность при КНИ=10% равна 20 Вт на резистивной нагрузке. Усилитель был изготовлен на современном предприятии электронной промышленности. За основу была взята довольно популярная схема «хорошо звучащего» усилителя. Источник питания усилителя был разработан и сделан очень хорошо, с соблюдением всех требований к источникам питания высококачественных ламповых усилителей (и намного лучше, чем в оригинальной схеме).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Так что все, что показано на рисунках – реальность. На самом деле эти измерения соответствуют не окончательно доведенному и настроенному усилителю, но немного лучшему, чем был исходный «хорошо звучащий» вариант. Также, выходной трансформатор, несмотря на очень тщательное изготовление и максимально точное соответствие оригинальному описанию, не оптимален. Его можно немного улучшить и получить чуть более высокое качество воспроизведения.

Так что более качественный усилитель, чем этот вполне возможен. Также как и более некачественный.

Кстати, вы уверены, что трансформатор, который вы сделаете или купите для своего лампового усилителя, будет лучше?

Выше в разделе Технические параметры я говорил о коэффициенте нелинейных искажений КНИ (коэффициент гармоник Кг, THD). В данном усилителе я измерял спектр искажений – по нему можно определить не только КНИ, но и увидеть какие именно гармоники порождает усилитель. Вы же помните, что чем больше номер гармоники, тем она «хуже звучит»? А зная спектр гармоник, рассчитать КНИ очень просто.

Исследуемый усилитель мощности был двухкаскадный. Первый каскад драйвер – пентод или тетрод в триодном включении (специально для критиков: в исходной схеме включение было пентодное). Применение пентодных ламп вызвано высоким анодным напряжением, на которое «настоящие» триоды почти не выпускаются.

Итак, искажения, порождаемые одной лишь драйверной лампой в триодном включении, нагруженной однотактным выходным каскадом без сеточных токов. Указанная на рисунке выходная мощность – это мощность в нагрузке усилителя.

Искажения драйверной лампы в триодном включении при мощности 1 Вт
Искажения драйверной лампы в триодном включении при мощности 4 Вт
Искажения драйверной лампы в триодном включении при мощности 14 Вт

Что мы видим? Даже при маленькой амплитуде выходного сигнала (на выходе всего усилителя при этом мощность 1 Вт) кроме «хорошо звучащей» второй гармоники присутствует довольно большая третья, которая «звучит хуже».Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И возникает проблема какую лампу выбрать? У EL84 третья гармоника меньше, зато вторая очень большая – 0,7%. У 6Э5П вторая гармоника в два раза меньше, зато большая третья.

С ростом амплитуды выходного сигнала (и выходной мощности усилителя), увеличиваются не только амплитуды гармоник, но в спектре появляется все больше гармоник высокого порядка. При максимальной выходной мощности (без явного ограничения и сеточных токов) 14 Вт спектр драйверного триода просто ужасен. Да и коэффициент гармоник составляет 2…3%, это слишком много для того, чтобы усилитель назвать высококачественным

А ведь это только драйвер – более линейная лампа усилителя!

Эти графики приведены для лампы, работающей в усилителе мощности. В такой ситуации выходное напряжение лампы довольно большое. Даже при выходной модности усилителя 1 Вт, напряжение сигнала на аноде драйверного триода составляет 10…15 вольт. А в нелинейных цепях чем больше напряжение, тем больше искажения. В предварительных усилителях, где выходной сигнал в несколько раз меньше, искажения также будут в несколько раз меньше, особенно при использовании специальных высоколинейных триодов. И в спектре возможно будет только «красивая» вторая гармоника. Но это все умозрительно – я не проверял.

Теперь рассмотрим выходной однотактный каскад, работающий в классе А1 (без сеточных токов) на лампе 6550. Каскад работал на оптимальную нагрузку. Выходной каскад «раскачивался» от специально изготовленного транзисторного усилителя с собственным Кг=0,005%, так что все искажения, показанные на рисунках, создаются выходным каскадом. Исследовалось четыре типа включения лампы: триодное и три варианта ультралинейного с разным коэффициентом включения второй сетки лампы. Пентодное включение тоже исследовалось, но на графики не попало – оно было намного хуже.

Анализируем результаты измерений. При выходной мощности усилителя 1 Вт в спектре содержатся первые пять гармоник. И если «плохо звучащая» пятая гармоника довольно маленькая (но намного больше, чем в хорошем транзисторном усилителе), то вторая гармоника на уровне 3%.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Это много для такого тихого звука.

Искажения выходной лампы 1 Вт

А при выходной мощности 6 Вт, усилитель создает множество гармоник, «звучащих просто отвратительно». Коэффициент нелинейных искажений при этом равен 5…6%.

Искажения выходной лампы 6 Вт

Такие разные спектры гармоник при разных типах включения выходной лампы должны создавать разное по своему характеру звучание. Так и есть. Звучание разное. Но во всех случаях неприятное – уж слишком велики искажения.

Пентоды являются очень нелинейными лампами. Это естественно – у них другая конструкция и совершенно другие свойства. Поэтому я очень сомневаюсь, что даже в предусилителях с маленькими амплитудами сигналов пентоды будут звучать хорошо. Конечно, всегда можно заявить, что тот звук, который создает ваш усилитель – это и есть на самом деле самый правильный и хороший звук. Надо лишь, чтобы в это поверили все остальные.

Совместная работа обеих ламп давала искажения еще большей величины.

Могут сказать, что есть шанс, что нелинейность драйверной лампы будет «противоположна» нелинейности выходной лампы. Тогда удастся скомпенсировать нелинейности ламп, и искажения снизятся. На это можно не рассчитывать: лампы очень разные и компенсации нелинейностей не происходит. Я встречал только одну подобную схему, построенную на экзотических лампах с напряжением питания анода 1200 вольт. И то не уверен, что там нелинейность компенсировалась – у ламп довольно сильный разброс параметров, так что наверняка пришлось подбирать лампы для хорошей компенсации. А когда лампы начнут стареть…

А вот влияние отрицательной обратной связи в ламповом усилителе я продемонстрировать могу.

Влияние ООС на искажения лампы

Не очень глубокая ООС снизила КНИ в 3,5 раза. Некоторые гармоники сигнала при этом вообще пропали. И звук такого усилителя хоть и был неприятным, но не настолько, как у усилителя без ООС.

На что влияют нелинейные искажения?

На что влияют нелинейные искажения усилителя при воспроизведении реального сигнала? Враги измерений яростно критикуют измерение гармоник и КНИ.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? На самом деле потому, что получается вот такая неприглядная картина – искажения большие, похвастаться здесь нечем, поэтому в рекламных целях правильнее всего от измерений вообще отказаться.

Нам говорят, что подобные измерения вообще не нужны, потому что «мы слушаем музыку, а не синусоиду».

Это правильно, но неверно.

Синусоиду мы не слушаем. Синусоиду мы изучаем. А слушаем мы музыку. Но любой звуковой сигнал состоит из множества синусоид, каждая со своей частотой и амплитудой. Так что зная, как ведет себя любая из них, мы можем определить их поведение сначала по отдельности, а потом и всех вместе.

Нам говорят, что гармоники, порождаемые усилителем, добавляются к исходным гармоникам (обертонам) музыкальных звуков и просто изменяют их тембр.

Это верно, но неправильно.

Давайте рассмотрим ситуацию с музыкальным сигналом, содержащем обертоны. Для этого изучим каждую синусоиду по отдельности. Нет, слушать эти синусоиды мы не будем. Мы проанализируем их прохождение через наш усилитель. Сначала каждой из них, а потом всех вместе.

Действительно, реальный звук кроме основного тона (самой низкой частоты с самой большой амплитудой – по ней мы определяем высоту звука), содержит высшие гармоники. В музыке они называются обертоны и создают уникальный тембр звука. Например, нота ЛЯ первой октавы имеет частоту основного тона 440 Гц, а звуковой сигнал, создаваемый музыкальным инструментом при воспроизведении этой ноты, во времени выглядит так:

Форма входного звукового сигнала

Спектр этого сигнала содержит основной тон и три обертона. Вот как он выглядит на спектрограмме:

Спектр входного звукового сигнала

А это синусоиды, составляющие сигнал. В сумме они создают как раз сигнал такой формы, как на рисунке выше.

Составляющие спектра входного звукового сигнала

Спектр этого звука будет содержать такие частоты:

ГармоникаЧастота, Гц
Основная (первая)440
Вторая (первый обертон)440 x 2 = 880
Третья (второй обертон)440 x 3 =1320
Четвертая (третий обертон)440 x 4 =1760

И этот сигнал мы подаем на вход усилителя, который вносит нелинейные искажения.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Какие по величине? Мы провели исследования, точно такие, какие я производил с ламповым усилителем. Подали на вход усилителя синусоиду. Но не слушали ее, а измеряли, какие гармоники при этом порождаются самим усилителем. И вот что получилось. Нелинейность усилителя (амплитуды гармоник) преувеличена для большей наглядности.

Искажения, вносимые усилителем в синусоидальный сигнал

А вот теперь самое главное!

Усилитель ничего не знает про обертоны! Для него входной сигнал – это просто набор синусоид – четыре синусоиды, а не одна, как было при измерении искажений этого усилителя. И каждую из них он усиливает. И для каждой из входных синусоид усилитель порождает свои собственные гармоники. Синусоиды совершенно независимы!

Так что давайте повторим наш эксперимент с усилителем, только теперь будет на него подавать не какую-то абстрактную синусоиду, а те реальные синусоиды, которые составляют музыкальный сигнал.

Для начала разберем их все, как будто бы они поступают на усилитель не одновременно, а по очереди.

Сначала рассмотрим основной тон в 440 Гц. Усилитель от этого входного сигнала порождает первые пять гармоник. Их частоты:

ГармоникаЧастота, Гц
Основная (первая) = основной тон440
Вторая440 x 2 = 880
Третья440 x 3 =1320
Четвертая440 x 4 =1760
Пятая440 x 5 = 2200

Вот спектрограмма результата. Тот обертон (отдельная синусоида входного сигнала), который мы рассматриваем в данный момент, имеет черный цвет. Остальные обертоны, которые в данный момент «не используются» имеют серый цвет и показаны, просто чтобы о них не забыли.

Гармоники усилителя от воздействия основного тона входного звукового сигнала

Красные точки – это спектр сигнала на выходе усилителя, получившийся от воздействия основного тона входного звукового сигнала. Да, действительно, гармоники, созданные усилителем из основного тона, совпали по частоте с обертонами звука.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Вот только в исходном звуке было три обертона, а на выходе усилителя их уже четыре.

Следующим рассмотрим первый обертон. Он имеет частоту 880 Гц и поступает на вход усилителя. А усилитель из него порождает свои гармоники:

ГармоникаЧастота, Гц
Основная (первая) = первый обертон880
Вторая880 x 2 = 1760
Третья880 x 3 = 2640
Четвертая880 x 4 = 3520
Пятая880 x 5 = 4400

Спектрограмма. Зеленые точки – это спектр сигнала на выходе усилителя, получившийся от воздействия первого обертона входного звукового сигнала.

Гармоники усилителя от воздействия первого обертона входного звукового сигнала

Две гармоники совпали с обертонами, а вот остальные создают совершенно новые частоты, которых во входном сигнале не было.

Далее изучаем второй обертон. Он имеет частоту 1320 Гц и поступает на вход усилителя. А усилитель порождает гармоники:

ГармоникаЧастота, Гц
Основная (первая) = второй обертон1320
Вторая1320 x 2 = 2640
Третья1320 x 3 = 3960
Четвертая1320 x 4 = 5280
Пятая1320 x 5 = 6600

Спектрограмма. Голубые точки – это спектр сигнала на выходе усилителя, получившийся от воздействия второго обертона входного звукового сигнала.

Гармоники усилителя от воздействия второго обертона входного звукового сигнала

И наконец, третий обертон. Он имеет частоту 1760 Гц и поступает на вход усилителя. Усилитель порождает гармоники:

ГармоникаЧастота, Гц
Основная (первая) = третий обертон1760
Вторая1760 x 2 = 3520
Третья1760 x 3 = 5880
Четвертая1760 x 4 = 7040
Пятая1760 x 5 = 8800

Спектрограмма.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Синие точки – это спектр сигнала на выходе усилителя, получившийся от воздействия третьего обертона входного звукового сигнала.

Гармоники усилителя от воздействия третьего обертона входного звукового сигнала

Не правда ли, изучать синусоиды поодиночке не очень сложно? Надо просто повторять одну и ту же операцию с каждой из них. И не забывать, что амплитуды самих исходный синусоид и гармоник усилителя каждый раз разные. Так что все правда – мы слушаем музыку, а не синусоиду. А синусоиды мы изучаем.

И что мы сейчас изучили? Мы изучили как синусоиды входного звукового сигнала проходят через усилитель по отдельности, и какие гармоники каждая из них получает. А ведь они действуют одновременно все вместе! Поэтому и гармоники будут порождаться усилителем сразу от всех входных частот. И спектр полного сигнала будет равен сумме спектров, то есть сумме всех синусоид.

Теперь давайте будем «слушать музыку, а не синусоиду».

Вот какой спектр получается на выходе усилителя, когда мы слушаем музыку — подаем в усилитель наш реальный музыкальный сигнал:

Все частоты, возникающие на выходе усилителя при усилении звукового сигнала

Все частоты, порожденные усилителем из входного сигнала, соберем в одну таблицу (вы же помните, что из них подавались на вход только четыре, обозначенные на этом графике большими черными квадратами?).

Гармоника, порождаемая усилителемОсновной тон сигнала 440 ГцПервый обертон сигнала 880 ГцВторой обертон сигнала 1320 ГцТретий обертон сигнала 1760 Гц
Первая (основная частота)44088013201760
Вторая880176026403520
Третья1320264039605280
Четвертая1760352052807040
Пятая2200440066008800

Вывод: гармоники, порождаемые усилителем частично совпали и обертонами сигнала.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Но кроме этого образовались гармоники от обертонов, которые не совпали ни с чем. В результате появилось девять дополнительных синусоид (частот), отсутствующих в исходном сигнале.

Мне скажут, что все эти девять дополнительных частот являются гармониками (обертонами) основного тона музыкального звука. Так что в результате мы услышим тот же звук, только «более богатый», как после применения темброблока.

Это неверно по двум причинам.

Первая причина. Темброблок здесь не причем. Он изменяет уровни уже существующих синусоид, а у нас происходит создание новых. У музыкального инструмента в спектре нет таких частот, какие появились после прохождения звукового сигнала через усилитель. Так что результат усиления звука с искажениями (гармониками, вносимыми усилителем) будет звучать не как после применения темброблока, а как вообще другой музыкальный инструмент, у которого в спектре такие частоты есть. Подали на усилитель звук рояля, а получили в колонках звук саксофона.

Но вот только кроме спектра, сигнал имеет огибающую. Это значит, что звуки некоторых инструментов короткие, как у рояля, а у некоторых длинные, как у саксофона. И если вы услышите, что тембр у звука «богатый», как у саксофона, а сам звук короткий, как у рояля, вы ощутите дискомфорт, потому что так не бывает. И звучание будет «не совсем естественным». С точки зрения концепции звуковоспроизведения такое звучание является плохим.

Вторая причина. В линейной электрической цепи синусоиды, составляющие сигнал (они называются составляющими спектра), между собой не взаимодействуют. Мы так и предполагали, когда рассматривал синусоиды по отдельности. Но это неверно — наша цепь нелинейная! В нелинейной цепи все синусоиды, составляющие сигнал, взаимодействуют между собой. И это взаимодействие нужно учитывать.

Взаимодействие между собой составляющих спектра усиливаемого сигнала вызывает появление комбинационных частот (комбинационных колебаний). Из радиосвязи пришел термин интермодуляция, который описывает это явление с другой стороны, он тоже применяется, но для современных усилителей неудобен.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Комбинационные частоты – это синусоидальные колебания, появляющиеся в нелинейной системе при подаче в нее нескольких частот одновременно.

Начнем с двух. Подадим в наш усилитель две частоты: f1 и f2. На выходе усилителя кроме этих двух частот и их гармоник появятся комбинационные частоты – результат взаимодействия входных:

f1 + f2

f1 — f2

2 x f1 + f2

2 x f1 — f2

f1 + 2 x f2

f1 — 2 x f2

3 x f1 + 2 x f2

4 x f1 – 3 x f2

и так далее.

И вот эти частоты не являются гармониками от исходного сигнала и никак не совпадают с его обертонами. Их частоты вообще далеки от гармонических и создают диссонансы.

А если входных частот больше, чем две, то комбинационные колебания создаются каждой парой частот! И там действуют законы комбинаторики:

Количество частот в сигналеКоличество пар взаимодействующих частот
33
510
721
1045

Если учесть и взаимодействие между частотами нашего музыкального сигнала, прошедшего через наш усилитель, то для 4 входных частот и нелинейности усилителя 5-го порядка (равна максимальному номеру гармоники), то на выходе усилителя получится 176 новых частот! Это гармоники и комбинационные колебания. Причем их частоты могут лежать во всем звуковом диапазоне, и даже выходить за его пределы. Разумеется, некоторые из них совпадут с входными частотами, некоторые совпадут между собой, но все равно останется много совершенно лишнего мусора.

Комбинационные колебания имеют частоты не кратные частотам входного сигнала (то есть не являются гармониками). Поэтому они совместно с частотами входного сигнала составляют диссонансы — «некрасиво звучащие» созвучия.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Если амплитуда этих появившихся частот будет достаточно велика, то мы их услышим. И звук будет неестественным и неприятным. Даже если их амплитуды будут маленькими и мы не будем их распозначать явно, то из-за их негармонического характера мы все равно почувствуем, что звук «тяжелый».

Думаете, что это все теоретические философствования? А давайте проверим в реальности!

Вот такой сигнал из десяти частот я подаю на вход того самого реального лампового усилителя, у которого я измерял искажения.

Входной сигнал из десяти частот

И вот что получается на выходе. Выходная мощность 1,25 Вт.

Сигнал из десяти частот после прохождения через реальный ламповый усилитель

Входные частоты хорошо видны – они самые большие. А все остальное – гармоники и комбинационные частоты, лежащие в диапазоне от 25 Гц до 35 кГц. Пересчитайте их!

Причем амплитуда самых больших комбинационных частот всего на 40 дБ меньше, чем амплитуда входных синусоид. То есть множественные искажения составляют 1% от сигнала. Вы все еще верите, что эти искажения «хорошо звучащие»?

Можно конечно «ничего не измерять, а только слушать». Все, кто слушал этот усилитель, нашли его звук неприятным. Для чего же тогда нужны измерения?

  1. Глядя на измерения, и слушать не хочется.
  2. Чтобы доказать всем и себе самому, что это мне не кажется, это реальность.
  3. Доработкой схемы удалось снизить искажения более чем в три раза. Стало лучше, но мне звук все равно не нравится. Я люблю, чтобы искажений не было совсем.

Схемы усилителей на лампах

Одна из самых больших проблем для начинающего любителя лампового звука, решившего собрать свой ламповый усилитель, заключается в схеме лампового усилителя.

В интернете и книгах много разных схем. Причем про абсолютно все схемы написано одинаково: «а вот еще один хороший усилитель». Но схемы очень разные! При этом усилители не могут быть одинаково хорошими! В чем разница? Ее не объясняют. Значит ли это, что любой усилитель на лампах хорош только лишь по той причине, что он ламповый? И волшебство «лампового звука» проявляется в любой, даже самой безграмотной схеме?

Пример.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? В детстве и юности у меня была ламповая радиола ВЭФ-Радио. Я ее слушал. Я ее изучил вдоль и поперек. Я ее дорабатывал – сделал микрофонный вход, который работал. Схему усилителя из этой радиолы я часто встречаю в книгах, в журналах, в интернете. И всегда схема сопровождается словами «хорошо звучащий усилитель». Но я-то знаю, что это усилитель очень-очень средний (для ламповых), который уже тогда позиционировался как усилитель среднего класса. И который намного хуже усилителя на микросхеме TDA. А вы это знаете? Или, встретив эту схему, поверите рассказам о ее «непревзойденном звучании»?

Более того. ВСЕ приводимые в публикациях схемы – это схемы усилителей от телевизоров и радиоприемников среднего класса производства середины 60-х годов XX века. Тогда еще не была развита теория усилителей. Тогда еще не было качественных компонентов, особенно электролитических конденсаторов. Поэтому схемы делали не «как лучше звучит», а «чтобы использовать поменьше конденсаторов». И как можно дешевле – телевидение только появилось, но уже имело очень большое значение для пропаганды. Поэтому телевизоры должны были быть максимально дешевыми и доступными.

Еще один «секрет»: для телевизоров того времени понятие «хороший звук» означало только одно – достаточно громкий, но чтобы не терялась разборчивость речи. Да и для радио дела обстояли практически также.

И сегодня эти схемы публикуют один-в-один. С конденсатором в цепи питания емкостью 5 мкФ. 60 лет назад это был доступный и недорогой конденсатор. Самые крутые высоковольтные электролитические конденсаторы тогда имели емкость 40 мкФ и устанавливались только в дорогую аппаратуру. Две-три штуки, больше было слишком дорого. В дешевом же усилителе применяли один конденсатор 5 мкФ, и сегодня та самая схема опубликована именно в таком виде, какой она была 60 лет назад. А на самом деле в том месте надо иметь емкость 220 мкФ. Да и схему переделать – она сделана именно такой для возможности применения конденсатора очень маленькой емкости.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И схема эта от телевизора 4-го класса (самого низкого). Я когда-то ремонтировал ламповые черно-белые телевизоры, и таких схем насмотрелся.

И это убожество предлагают нам повторять, называя «красивым ламповым звуком».

А с «новоделом» все еще хуже. Теорию ламповых усилителей знают очень немногие. Это ту, которая была в 60-х годах XX века. Что с тех пор изменилось в связи с дальнейшим развитием, как теории усилителей, так и электронных компонентов, об этом знают буквально единицы. И эти люди разрабатывают хорошие усилители, но не для массового повторения. А весь массовый новодел – это смесь не очень хороших старых решений, разбавленная современными предрассудками. Причем из-за незнания теории ламп (точнее, из-за ограниченности знаний на уровне школьного курса физики), даже эти старые решения применяются неправильно. А уж когда начинают конструировать аппаратуру не инженерно, а «согласно аудиомифам»…

Нерекомендуемая литература

Сделать самому ламповый усилитель – нет ничего проще. Правда будет ли он хорошим? Маловероятно. Проблема в том, где взять правильную и грамотную информацию. То, что пишут в интернете, это зачастую то же самое, что пишут на заборе. Книги? Их немало. С заманчивыми названиями. Но среди них много откровенного мусора.

Не так давно вышла книга по ламповым усилителям (что-то там про «секреты» и про «сделай сам»). Как раз построенная по принципу «а вот еще одна хорошая схема». Мало того, что автор знает из теории ламп только самые основы. Он слаб еще и в общей электронике. Поэтому, например, в одной схеме советует не делать анодное сопротивление очень большим. А очень большим, это сколько? Напоминаю, книга рассчитана на начинающих. 10 ом – это очень большое? А 10 кОм? Или речь идет о 10 МОм? Автор явно не знает, что в триодном каскаде чем больше сопротивление анодного резистора, тем меньше искажения (все в разумных пределах, разумеется). Поэтому с «правильно большим» сопротивлением в аноде этот каскад звучит лучше.

О разбросе параметров ламп автор книги тоже не знает.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Поэтому некоторые схемы с одним экземпляром лампы будут работать хорошо, с другим – плохо. А с каким-то экземпляром лампы схемы вообще могут не работать. Причем (автор этого тоже не знает), за время работы происходит постепенная деградация лампы, и ее свойства меняются. И в этих схемах лампа, изначально работавшая хорошо, будет со временем выходить из оптимального режима, и работать заметно хуже, чем могла бы. И это будет происходить намного быстрее, чем в «нормальных» схемах, менее чувствительных к изменениям свойств лампы в процессе ее работы.

Более того, автор рекомендует устанавливать в схемы лампы, исходя из их «звуковой сигнатуры». Но каждая схема рассчитывается именно под свою лампу, и лампа другого типа в ней либо будет работать плохо, либо будет работать очень плохо. Так что в каждую схему лучше всего устанавливать именно ту лампу, которая указана в схеме. Даже самая лучшая в мире лампа в «чужой» схеме может не только не звучать, но и не работать.

«Звуковая сигнатура» – это выдумка. Такого термина не существует. И он ничего не означает. Зато звучит достаточно загадочно и наукообразно, чтобы внушать «чайникам» благоговейный трепет перед тайными познаниями адептов волшебного звука. А еще за использования слов «звуковая сигнатура» не накажут, как за недобросовестную рекламу – про то, чего не существует, можно говорить что угодно.

В книге приведена схема, с которой автор рекомендует начинать знакомство с ламповыми усилителями, и эту схему собирать в первую очередь. Только вот в этой схеме выходная лампа работает с перегрузкой, в результате срок службы лампы резко сократится. Начинайте, ребята, знакомство с того, что сгоревшие лампы придется менять каждую неделю!

А что касается отрицательной обратной связи (ООС)! Как автор ее боится! И заклинает ни в коем случае ее не использовать, так как ООС открывает путь в усилитель Всемирному Злу. Хорошо, что автор не знает того факта, что в любом (ну почти) усилительном каскаде на триоде ООС всегда присутствует сама по себе! А то бы автора хватил удар – у него таких каскадов на схемах очень много.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И в каждой, оказывается, засела ненавистная ООС. Но автор об этом не знает, и спит спокойно.

Зато настоятельно рекомендуется использовать одножильный посеребренный провод. Это верно – уже давно известно, что серебро очень эффективно против нечистой силы.

Хорошая литература

Из хороших книг по ламповым усилителям я могу рекомендовать только несколько. И все они рассчитаны на читателя, знакомого с электротехникой и электроникой.

Войшвилло. Усилители низкой частоты на лампах.

Это отличная теория, но «слишком общая». Больше предназначена для проектирования массовой аппаратуры. Без некоторых «тонкостей» и «хитростей». Но содержит много такого, чего не знают не только современные «новодельщики», но и «олдскульные» инженеры, изучавшие теорию ламп упрощенно.

Книга дает хорошую базу для дальнейшего совершенствования. Но совершенствование необходимо, так как с момента выхода книги появилось новое как в теории усилителей вообще, и ламповых усилителей в частности, так и в конструкции самих ламп.

Morgan Jones. Valve Amplifiers. Морган Джонс Ламповые усилители

Это – супер. Рассчитана на начинающего в лампах (но знающего электронику), и особенно хороша после изучения предыдущей. Книга содержит множество «секретов», которые больше практически нигде не найдешь. И много очень «тонких», но неимоверно важных вещей, не зная которых сделать по-настоящему хороший и надежный ламповый усилитель просто невозможно. Автор книги – настоящий инженер, поэтому описывает не мифы, а реально работающие вещи. И как сделать, чтобы все работало максимально хорошо.

Искусство ламповой схемотехники

Книга написана большим специалистом как в теории, так и в практике создания ламповых схем:

Эту книгу нельзя назвать учебником. Автор рассказывает лишь те некоторые вещи, которые хочет рассказать. В том числе и такие, которые не всегда верно даются в «классических» учебниках. Книга больше предназначена для «шлифовки мастерства» и чем лучше знаешь электронику и схемотехнику, тем книга понятнее, интереснее и полезнее.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Радиохобби

Здесь в статье Н.Сухова есть интересные и полезные сведения и схемы. Но сам журнал «максимально демократичный», поэтому в него принимались любые статьи любых авторов. И вполне может быть, что в какой-нибудь статье описан «волшебно звучащий усилитель» по схеме из школьного радиокружка, да еще и ухудшенный с целью большего соответствия фэн-шую.

Выходные трансформаторы

А ведь еще есть большая проблема с выходным трансформатором! Разработчики ламповой техники говорят: «Усилитель звучит так, как звучит его выходной трансформатор». И это очень близко к действительности. Выходной трансформатор – важнейший и ответственнейший компонент лампового усилителя. Он очень сильно влияет на работу и звучание усилителя. Параметры и конструкция выходного трансформатора зависят от типа выходных ламп, режима их работы, напряжения питания, тока покоя выходных ламп, максимальной выходной мощности, сопротивления нагрузки. Выходной трансформатор рассчитывают и изготавливают специально для конкретного усилителя. А потом проверяют работу совместно с усилителем как приборами, так и на слух. Потому что могла повлиять погрешность изготовления. Или разброс параметров. Или неточность расчетов. А бывает, что изначальная стратегия оказалась неверной.

И что по поводу выходного трансформатора нам советуют сборники схем или интернет? Ничего! Максимум – советуют купить готовый трансформатор на такую-то выходную мощность (зато сделанный в Японии или местным волшебником). Но ведь он не будет подходить вам ни по одному параметру! Не будет оптимальным для усилителя. Это все равно, что купить запчасть не ту, которая предназначена именно для вашего автомобиля, а «от лучшего мирового производителя».

К сожалению, даже там, где приведена конструкция выходного трансформатора, встречаются ошибки, обычно связанные с насыщением железа. Конструкция трансформатора часто не учитывает разброс свойств стали. Трансформаторная сталь имеет очень большой разброс свойств. Сталь той же марки современного производства может иметь вообще другие свойства.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И не всегда можно быть уверенным, что вам продали сталь именно той марки, которая заявлена. Поэтому по приведенным чертежам трансформатора у одного человека может получиться хорошо, а у другого – плохо.

Лампы XXI века

На одном из интернет сайтов я встретил вот такие «современные» лампы плоской конструкции

Плоский вакуумный триод

На самом деле технология плоских триодов отработана давно – все вакуумные люминесцентные индикаторы именно устроены именно так.

Подобные устройства до сих пор широко распространены. Вот пример люминесцентного индикатора. Хорошо видны пять горизонтальных нитей накала.

Люминисцентный индикатор

Вот как выглядит электронная лампа индикатора (фото с сайта Музей электронных раритетов).

Электронная лампа индикатора

А вот ее укрупненное изображение. Видны проводники, идущие от анодов (составляющих надписи) к выводам лампы и управляющие сетки.

Электронная лампа индикатора крупно

Сама идея создания плоских ламп не нова, но инженерная мысль не шла в направлении плоских ламп, а выразилась в изобретении нувисторов – ламп без сетки в привычном понимании этого слова. У плоской же лампы есть большой технический недостаток – невозможность жесткой фиксации сетки. Она все равно будет болтаться. А это вызывает микрофонный эффект.

Кроме того, из ламп XX века наиболее линейными были лампы максимально цилиндрической конструкции, где расстояния катод-сетка и сетка-анод были максимально одинаковыми в любом направлении движения потока электронов. В плоской лампе с этим большая проблема, как ее решать – я не знаю (я не разработчик ламп, возможно решение и существует).

Но главная проблема в другом. Эта распиаренная лампа Korg Nutube 6P1 Dual Triode на самом деле не является усилительной! Это на самом деле обычная вакуумно-люминесцентная лампа, используемая не по назначению. У нее на анодах так и остались участки люминофора, про которые пишут, якобы они «создают дополнительный уют» (в закрытом корпусе, где их не видно!), а на самом деле люминофор остался из-за требования минимальных изменений в технологии для достижения низкой цены (чтобы изменения технологии изготовления лампы были минимальными).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Отсюда же происходит и максимально допустимая мощность на аноде – всего 1,7 милливатт! В таком конструктиве возможно получить мощность на аноде сотню милливатт, что было бы очень полезно.

Посмотрите на анодные вольт-амперные характеристики лампы.

Вольт-амперные характеристики плоского вакуумного триода

В верхней части графика они хорошо линейны, поэтому работая на этих участках характеристики (при больших анодных токах), можно добиться низких искажений. Но такая работа невозможна из-за низкой допустимой мощности на аноде. Эта мощность показана на графике пунктирной линией Pa=1.7mW. Эксплуатировать лампу можно только в таком режиме, чтобы оставаться ниже этой пунктирной линии. То есть на самых криволинейных участках характеристик.

В результате искажения лампы получаются просто ужасными!

Искажения плоского вакуумного триода

А все потому, что на самом деле это не усилительная лампа, а индикатор, который пытаются приспособить к той работе, для которой он не предназначен. Если бы это была усилительная лампа, то ее анод был бы выполнен в виде толстой металлической пластины и выдерживал бы мощность не 1,7 милливатт, а раз в 30 больше. И можно было бы эксплуатировать лампу в области максимально линейных характеристик.

К этому следует добавить еще и сильный микрофонный эффект с частотой около 5 кГц, который будет создавать не только призвуки, но и собственные комбинационные колебания со всеми частотами усиливаемого сигнала.

Все, что я сейчас написал – это говорит наука и техника. Но на сайте этой лампы приведено множество хвалебных отзывов, и наверняка часть из них написана не самим автором, а другими людьми. То есть, кому-то нравится. Понравится ли мне? Однозначно нет! Точно так же, как по мощности двигателя автомобиля и его максимальной скорости я могу представить себе, как этот автомобиль ездит, точно так же по параметрам этой лампы и графикам ее искажений я могу представить, как она звучит.

Понравится ли звучание этой лампы вам? Этого я предсказать не могу.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Другие свойства электронных ламп

Внимательный читатель наверняка заметил, что рассказывая об электронных звукоусилительных лампах, я назвал далеко не все их свойства. Про многие из них я умолчал, хотя эти свойства приводятся в рекламных буклетах, аудиожурналах и на аудиофорумах в интернете.

Все верно. Я привел только те параметры, которыми лампы существенно отличаются от транзисторов, и которые на самом деле в реальности имеют значение. Остальные свойства ламп значения либо вообще не имеют, либо несущественны, либо легко моделируются в транзисторных схемах (но только если они действительно нужны и полезны).

Упоминание некоторых свойств электронных ламп в рекламной литературе, да еще в качестве преимуществ – это просто реклама, ведь преимуществ у ламп должно быть много, не так ли?

Пример 1. Лампы гораздо более устойчивы к радиации, чем транзисторы. Поэтому после ядерной войны вы, превратившись в зомби, ламповый усилитель слушать сможете. Транзисторный усилитель работать не будет.

Пример 2. Входное сопротивление у ламп выше, чем у транзисторов, а входной ток ниже. Ну и что? Более того, это вообще неверно. Во-первых, в транзисторных схемах можно применить полевые транзисторы и получить еще большее входное  сопротивление. Во-вторых, кроме входных сопротивлений существуют и входные емкости, поэтому входной емкостный ток лампы может быть сравнительно большим. В-третьих, в лампах применяется сопротивление утечки сетки, включенное между управляющей сеткой и землей. Именно оно и составляет активное (омическое) входное сопротивление лампового каскада. Для популярной выходной лампы KT88 это сопротивление не должно превышать 100 кОм. Что всего лишь в три раза больше, чем входное сопротивление моего усилителя на микросхеме TDA7294. С учетом того, что входное напряжение лампы во много раз больше входного напряжения усилителя на микросхеме, получается, что входной ток, потребляемый от источника сигнала лампой KT88 в 4…6 раз больше, чем входной ток, потребляемый от источника сигнала микросхемой TDA7294.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Ну и что? А ничего особенного! На самом деле хороший ламповый разработчик учитывает все эти свойства и разрабатывает соответствующую правильную схему. Так что такие свойства не являются ни достоинствами, ни недостатками ламп. Зато в рекламе их можно преподнести в качестве «фишки».

3. Транзисторный усилитель

Сделать самому хороший транзисторный усилитель просто. Особенно на специализированной микросхеме. Усилитель на TDA7294 реально лучше всех усилителей производства СССР, и лучше (или не хуже) ряда европейских, американских, японских. В том числе современных. Если, конечно, хорошо и правильно сделать весь усилитель в комплексе. Усилитель на дискретных элементах может быть еще лучше, но и сложнее.

То плохое, что пишут о транзисторах чаще всего антиреклама, иначе как продвигать ламповые усилители? Конечно, можно в реальности сделать плохой, зато дешевый транзисторный усилитель. Но транзисторы ли в этом будут виноваты? Плюс сформированное общественное мнение. Покупателей уже приучили к мысли, что отрицательная обратная связь – это зло. Так это, или нет – другой вопрос (не бывает плохих и хороших вещей; все зависит от того кто, как и для чего их использует, правильно использует, или нет). Поэтому покупатели к транзисторным усилителям изначально настроены отрицательно.

Давайте рассмотрим транзисторы подробнее.

Как ни парадоксально, но разработку транзистора подстегнуло «плохое звучание» ламповых усилителей. В начале XX века начала развиваться телефонная связь и понадобились высоколинейные усилители: затухание телефонного сигнала в проводах компенсировалось установкой усилителя через каждые две мили кабеля. Так что при междугородной связи сигнал проходил через сотни усилителей и очень сильно искажался. При переходе к многоканальной связи, когда по одному проводу передается несколько разговоров одновременно (каждый на своей несущей частоте), потребовались усилители еще более линейные, что для ламп уже было практически неосуществимо.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И тут Уильям Шокли (William Bradford Shockley) в лаборатории компании Bell (того самого Александра Белла, изобретателя телефона) создал транзистор. Сами по себе транзисторы были и остаются устройствами еще более нелинейными, чем лампы, но в транзисторных схемах возможно использовать глубокую отрицательную обратную связь, что делает транзисторные усилители весьма линейными.

Этот мой рассказ про причину изобретения транзисторов – на самом деле только одна из множества «ламповых проблем», которые нужно было решать. Другая проблема была в низкой долговечности ламп. В ламповых компьютерах тех времен какая-нибудь из ламп сгорала через каждые три часа. Компьютер останавливали, сгоревшую лампу находили и меняли. Главной задачей проектирования компьютеров было обеспечение быстрого поиска и замены сгоревшей лампы – одной из нескольких тысяч.

В междугородней телефонной связи усилители устанавливали через каждые две мили на протяжении всей линии между городами. И до усилителя со сгоревшей лампой нужно было пару часов ехать на машине.

А что делать с трансатлантическим телефонным кабелем? Отчасти спасали лампы с ресурсом 10000 часов, работавшие в сильно облегченном режим: при 5% от номинальных параметров, но лишь отчасти.

Были и другие причины. Например, требования военной техники, которые ламповыми схемами не удовлетворялись.

Когда транзисторы только появились, они были очень несовершенными. Кстати, первое применение они нашли для построения компьютеров – даже те несовершенные транзисторы значительно увеличили их надежность и снизили энергопотребление (самую первую партию транзисторов в 100 штук у фирмы Fairchild купила IBM по цене $150 за штуку).

Компьютеры: лампы — транзисторы — микросхемы

Кроме того, что первые транзисторы имели плохие параметры, их еще никто не умел правильно использовать. Инженеры объясняли друг другу работу транзисторов примерно так: это то же самое, что лампы с токами сетки, но усиление у них меньше. И первые транзисторные схемы фактически были кальками с ламповых.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

В юности, я учился по учебникам с такими «неправильными» транзисторными схемами: по сути, ламповыми схемами, где вместо ламп включены транзисторы. В принципе эти схемы работали, но были весьма ущербными, потому что в них транзисторы использовались «не по своему назначению». Кстати, такие схемы до сих пор можно встретить в интернете. Особенно на германиевых транзисторах, которые сейчас активно рекламируют. Насчет германиевых транзисторов  разговор отдельный (не лучше они, чем кремниевые, не лучше!), но вот схемы на них в большинстве своем еще те самые – «неправильные».

Но с тех пор прошло уже 70 лет. Совершилось 5 или 7 «транзисторных революций», когда принципиально менялись технологии изготовления транзисторов. И кардинально менялись сами транзисторные схемы. К концу XX века транзисторные схемы стали совершенно другими, «специально транзисторными». Была хорошо разработана теория усилителей и правила применения в них транзисторов. Разработка микросхем дала правильное понимание того, как именно надо проектировать транзисторные схемы, чтобы максимально проявлялись достоинства транзисторов, а их недостатки никому не мешали.

И те «детские болезни», свойственные транзисторным усилителям, которыми до сих пор пугают покупателей, уже давно известны. И давно придуманы способы их либо снизить до приемлемого уровня, либо вообще избежать.

Например то, откуда берутся динамические искажения и как с ними бороться известно с 1971 года. И если кто-то в XXI веке сделает транзисторный усилитель, имеющий динамические искажения – то это либо очень плохой разработчик, либо инопланетный диверсант, пытающийся разрушить культуру землян.

Так что на сегодняшний день транзисторные усилители лучше ламповых в тех условиях, что я назвал: достоверность звучания. Вот искажения транзисторного усилителя при выходной мощности 60 Вт. Удается измерить всего три гармоники: вторую, третью и четвертую. И они все намного ниже порога заметности.

Гармоники транзисторного усилителя

А вот воспроизведение того самого многочастотного сигнала усилителем на микросхеме TDA7293 с выходной мощностью примерно 40 Вт.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Всплески шума в районе 6, 18 и 30 кГц не считаются: это шум источника питания звуковой карты. Когда я делал это измерение, под рукой не оказалось блока питания. Пришлось использовать питание от USB, которое давало вот такой шум.

Сигнал из десяти частот после прохождения через реальный транзисторный усилитель

Вы видите комбинационные колебания? И я не вижу! Они настолько малы, что у меня не получилось их измерить. В результате выходной сигнал содержит только то, что подавалось на вход, и ничего больше! Плюс небольшую помеху 50 Гц, по причине наводок из сети.

Мое мнение 1

Лично мое мнение таково:

Всегда можно сделать транзисторный усилитель, который будет звучать лучше данного лампового. И сделать этот транзисторный усилитель будет проще, чем ламповый.

Хорошо звучащий ламповый усилитель сделать возможно. Но это очень-очень непросто. Гораздо проще сделать ламповый усилитель «как получится» и объявить, что его звук – это эталон, а все, кто сомневаются, в настоящем звуке ничего не понимают.

А еще лучше, если в ламповый усилитель добавить немного таинственных манипуляций: монтажный провод в виде серебряной моножилы, пайку оловом от шотландской оловянной тарелки XVI века (реально! есть в интернете!), специальные суперконденсаторы (существует ровно миллион советов использовать слюдяные конденсаторы, но кто из вас слышал, что у таких больших элементов нужно обязательно учитывать емкость между конденсатором и монтажом или шасси?).

Почтеннейшей публике очень нравится все таинственное (так уж устроен человек), вот она и клюет на рекламу ламповых усилителей.

Речь идет о звуковоспроизведении. Для исполнения музыки, где каждый музыкант ищет свое звучание, данный тезис не подходит. Хотя, современные компьютерные музыкальные системы умеют моделировать любое звучание: и ламповое, и транзисторное, и инопланетное.

4. Гибридный усилитель

Ламповый пуристы утверждают, что если к хорошему ламповому усилителю поднести транзистор (даже никуда не подключенный) ближе, чем на метр, то само присутствие презренного полупроводника испортит звук катастрофически.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Если вы с этим согласны, то данный раздел можно не читать.

Гибридный усилитель по идее должен сочетать в себе достоинства транзисторов и ламп. Но, к сожалению, обычно получается наоборот: от ламп и транзисторов берутся самые их плохие качества и смешиваются в усилителе. Чаще всего это происходит из-за малограмотности разработчика. Иногда из-за того, что пытаются совместить несовместимое – увлекшись идеей гибридного усилителя, делают его из принципа, а не из технической необходимости. Поэтому действительно хорошие гибридные усилители встречаются очень редко.

Вот один из гибридных усилителей, который мне понравился (не скажу, что он звучит лучше всех, но звучит хорошо).

Гибридный моно усилитель весом 50 кГ.

Как он устроен – я не знаю. Но наверняка не так, как большинство «самодельных» разработок (описываемых на множестве интернет ресурсов и в DIY-журналах).

К сожалению, большинство гибридных усилителей устроено по принципу: «Давайте транзисторный выходной каскад подключим к ламповому драйверу». И соединяются два разных устройства, друг для друга не очень предназначенные и не совсем совместимые. «Давайте на самолет поставим двигатель с парохода! Ну или хотя бы трубу…»

Сначала гибридный усилитель должен быть проработан концептуально: что будет лучше сделать ламповым, что транзисторным и как эти части будут взаимодействовать и дополнять друг друга. И чаще всего это будут не просто одни каскады на лампах, а другие на транзисторах, а действительно гибридные усилительные каскады.

Вот пример хорошей конструкции (схема Джеффа Маколэя – Николай Сухов, Владимир Широков, Радиохобби №4, 1998, с.4-13): операционные усилители и транзисторы образуют источники тока, а выходные лампы работают с глубокой отрицательной обратной связью в качестве преобразователей ток-напряжение. Внимание, схема в первоисточнике содержит ошибку, как и эта, которая скопирована сюда без изменений.

Схема Джеффа Маколэя

Кстати, с точки зрения современной схемотехники получается очень удачная пара: ИТУН-ИНУТ, что в принципе может дать хороший результат.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Но не обязательно выдумывать что-то особенное. Многие «обычные» ламповые схемы работают намного лучше, если в них правильно добавить транзисторы. Классический пример – дифференциальный каскад. Поскольку ламповый источник тока в цепях катода требует дополнительного сложного источника питания, то обычно в катоды ставят резистор (это можно оправдывать как угодно, но это плохое решение и такая схема работает плохо). А вот источник тока на транзисторе может решить все проблемы. Если конечно вы допускаете применение этой полупроводниковой мерзости совместно с волшебными лампами.

Или еще одна схема хорошего лампового каскада – бета повторитель (β-повторитель):

бета повторитель (β-повторитель)

Добавление транзистора увеличивает усиление схемы и снижает искажения и требуемое напряжение питания. При этом через транзистор сигнал не проходит и «не портится».

Очень много пользы можно получить, применив полупроводники в блоках питания. Кенотроны, разумеется, создают «волшебный звук», но их применение требует более мощного трансформатора с большим напряжением анодной обмотки. Реальная польза кенотронов – задержка подачи анодного напряжения до того момента, когда катоды остальных ламп нагреются. Но то же самое (и даже лучше) можно сделать при помощи таймера и реле. Как и полупроводниковую схему, которая будет поддерживать ток покоя выходных ламп по мере их старения все время оптимальным. В «настоящих Hi-End» усилителях такого не предусмотрено – там за этим должен следить владелец. Конечно, такое дорогое устройство не может быть просто инструментом, о нем надо заботиться. В общем, ламповый тамагочи.

С другой стороны, например ламповые усилители Константина Мусатова имеют очень много сервисных функций (скорее всего они оснащены микроконтроллером). Ток покоя ламп поддерживается оптимальным. Когда выходная лампа отработает свой ресурс, и ее параметры сильно «упадут», усилитель подаст сигнал о необходимости замены лампы. Также там предусмотрена плавная подача не только анодного напряжения, но и напряжения накала.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И автоматический контроль состояния ламп. И все это реализовано на ненавистных транзисторах. Зато работает хорошо и на звук влияет только положительно.

Мое мнение 2

Мое мнение полностью совпадает с мыслью, высказанной еще 2500 лет назад: то, что используется к месту, правильно и по делу – то приводит к улучшению.

Гибридные усилители – это попытка совместить трудно совместимые вещи. И гораздо правильнее не пытаться приделать к паровозу крылья, а опираясь на современные знания и возможности, сделать то, что раньше без полупроводников, чисто ламповыми средствами, было сделать либо очень сложно, либо вообще невозможно.

5. Заключение

Судя по этой статье, может показаться, что я против ламп. Это не так. Я против всех тех мифов, которые понапридумывали вокруг них. Про их «волшебное звучание». Про то, что лампы одним только своим присутствием «облагораживают звук». Про то, что «настоящий звук» возможно получить только на лампах. Я против всего того обмана, которого так много в рекламе и маркетинге ламповой техники. Когда, например, в дешевый транзисторный усилитель с ужасными параметрами добавляют повторитель на вакуумном триоде (работающий с низким анодным напряжением в жутком режиме) и рекламируют как «суперзвук».

Да, лампы обладают «своим звучанием». Потому, что изменяют сигнал. Несмотря на то, что с технической стороны такое изменение называется искажениями, результат может вам понравиться. И даже очень.

А поскольку все лампы имеют разные параметры (да и выходные трансформаторы все разные), у каждой схемы получается «свой собственный звук», отличный от других. Очень может быть, что какой-то вариант звука вам понравится больше, чем другой. Вот только надо его найти. А для этого может быть придется сделать 30 разных схем – но ведь это не преграда на пути к счастью?!

В том-то и состоит главная на мой взгляд проблема, что как «хорошо звучащие» рекламируют абсолютно все ламповые усилители. Что говорят, будто само только присутствие вакуумной лампы делает звук хорошим.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? И при этом подсовывают нам примитивные а то и безграмотные схемы, которые в принципе не могут хорошо звучать.

И еще одна беда, связанная с рекламой ламп, состоит в том, что происходит подмена понятий. В массовое сознание впечатывается мнение, что звук не должен быть правильным, а должен быть красивым. Еда должна вам нравиться, а натуральные это продукты, или пластмасса со вкусовыми добавками – не важно.

Есть одна история, которую пересказывают уже 15 лет. Я впервые прочел ее в одном заслуживающем доверия источнике, так что вполне возможно, что это правда. Если и нет, то это вполне могло произойти. История такова. На одном из Hi-End шоу проводилось «слепое» сравнение аппаратуры. Аудиоустройства устанавливались в помещения, закрытые непрозрачной для света, но прозрачной для звука завесой. Жюри, оценивающая звук, слышало, как звучит то или иное аудиоустройство, но не видело их, чтобы быть беспристрастным. Один из сетапов получил оценку: «звучание тусклое и неинтересное». Когда открыли занавес, увидели, что в помещении играет живой струнный квартет.

Жюри настолько привыкло к приукрашенному «красивому» звуку, содержащему «красиво звучащие» искажения, что натуральный звук был забракован. Нужно ли нам такое?

На самом деле все зависит от того, что вы хотите получить. Правильно все то, что приближает к поставленной цели. Неправильно – то, что от цели отдаляет. Безразлично – то, что никак с поставленной целью не связано. Если ваша цель – сделать усилитель исключительно на лампах, то она вполне достижима. Будет ли его звучание вас устраивать, я не знаю. Но и цель ведь была не в звучании, не так ли?

Сделать действительно хороший ламповый усилитель – задача очень сложная. А сделать его начинающему – наверное, вообще из разряда невыполнимых. Хотя, если хотите – можете попробовать. Заранее рассчитывайте, что результаты вас могут не устроить: по сравнению с хорошим транзисторным усилителем ваш ламповый может звучать намного тише и не так естественно.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Но если подойти к делу ответственно, можно получить вполне приличный (для ламповых) усилитель и приобрести интересный опыт.

Огромным достоинством лампового усилителя является его внешний вид. Такой усилитель великолепно смотрится на камине. В полумраке таинственно мерцают нити накала ламп, тихо играет музыка. На маленькой громкости искажения тоже маленькие и почти незаметны. А ты сидишь в мягком уютном кресле с любимой кошкой на руках и бокалом хорошего коньяка…

Именно по этой причине я завел себе ламповый усилитель. Точнее, его приобрел мой знакомый, прельстившись описаниями «теплого лампового звука». Только вот после прослушивания (усилитель покупался через интернет) парень решил, что этот звук просто ужасный и не для его ушей. И продал усилитель мне за символическую плату. Усилитель действительно выглядит намного лучше, чем звучит. Что делать, с физикой не поспоришь. Я начал его переделывать, чтобы получить максимум качества, но времени не хватает, вот и лежит этот усилитель разобранным уже больше года. Когда доведу его до ума, опубликую. Даже если хорошего звука мне достичь не удастся, увидим, что можно получить в домашних условиях обычному человеку.

PS. Я уверен, что эту мою статью многие прокомментируют так: «Автор совершенно не разбирается в звуке, особенно ламповом». Посторонние люди всегда знают нас лучше, чем мы знаем себя сами. Не так ли?

PPS. Я не против подискутировать на эту тему. Но с условиями, что не будем спорить о вкусах, не будем навязывать свои вкусы другим (этим и так активно и навязчиво занимается реклама), и аргументы будут научно обоснованными: в заклинаниях и ритуалах я не разбираюсь и не могу квалифицированно о них говорить. Даже если эти заклинания будут выглядеть очень наукообразно, что сейчас встречается сплошь и рядом.

Total Page Visits: 808 — Today Page Visits: 4

Лампа, транзистор или гибрид для баса?

Лампа, транзистор или гибрид для баса?


До 70х большинство басовых усилителей были сконструированы на электронных лампах и до сих пор некоторые топовые модели используют ламповые схемы усиления.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Часть басистов предпочитают их за теплоту и более натуральный звук, которые позволяет получить именно ламповая схема. Эти усилители —  очень хороший вариант для любителей олдскульного звучания бас-гитары, такие усилители правильно нагружают звучание, что не может не доставлять удовольствия. Если брать идентичную мощность, то не стоит забывать, что ламповый усилитель звучит гораздо громче, чем транзистор и, к примеру полностью ламповая 200-Ваттная голова Orange AD200 по громкости вполне сопоставима с 800-Ваттным Gallien-Krueger MB800. Из основных недостатков нужно отметить стоимость таких приборов, а так же их вес и размеры.


В течение 70х транзисторные усилители начали набирать популярность засчет своей компактности и стоимости. Такие усилители способны выдавать огромные мощности и хорошо прокачивать большие площадки. Однако искажения, вызванные перегрузкой такого оборудования заметно просаживаются по сравнению с лампой. Именно поэтому, многие современные усилители оборудованы схемами, которые эмулирует ламповые каскады. С другой стороны, на транзисторах можно получить самое кристально чистое и звонкое звучание инструмента. Это самые фанковые панчевые усилители так что, если вас качает слэп — это лучший вариант.


В последнее время новые гибридные усилители начали уверенно занимать место на рынке. Эти приборы обычно имеют ламповый преамп и транзисторный или цифровой оконечник. Такого рода усилители прекрасно передают поведение лампового аппарата, а так же забирают все лучшее от транзистора – компактность и вес.


Технологии не стоят на месте и внедряются и в басовое усиление. Цифровые усилители превосходят транзисторные в плане компактности и веса, а так же мощности, прекрасно звучат, однако весьма чувствительны к сети и могут легко выйти из строя при нестабильном напряжении. При всех плюсах, на данный момент в звучании цифра все еще несколько проигрывает в звонкости транзисторам и далеко позади лампы по теплоте звучания.




Если коротко, то:


Лампа — теплое объемное звучание, выпуклый и округлый звук.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?


Транзисторы — чистый, кристальный, звонкий, панчевый звук.


Цифра — эмулирует то и другое, компактная и легкая.

Плюсы и минусы а так же различия ламповой и транзисторной техники -Статьи и обзоры

Современная индустрия звукозаписи развивается семимильными шагами. Если раньше это был удел суровых бородатых мужиков, одевших свитеры через большую и умную голову на татуированное тело, с кучей магического и дорогущего железа в стойках, то теперь сравнимые по уровню сетапы студий звукозаписи доступны и обывателю-энтузиасту.

За десятилетия отточены технологии, налажено крупносерийное производство очень качественных студийных приборов, появилась конкуренция производителей железа, а позже цены на этом рынке начал давить вниз и софт, среди которого попадаются, надо сказать ни в чём не уступающие аналоги железных приборов, а даже нередко превосходящих его.

И вот уже не надо быть миллионером. Купил ставшие доступными устройства, установил в рэки — и всё — студия звукозаписи готова. А то что к этому аппаратному великолепию должны прикладываться, если не талантливые, то хотя бы опытные уши — забывают. А раз нет своих «внутренних» знаний, то приходится заимствовать «внешние». Но кто же любит вникать в суть, в физику, в скучный и сухой мир который если и открывает тебе свои секреты, то после многих лет изучения основ и каждодневной «лабораторной работы»…. и то не всем. Поэтому, как правило, энтузиаст заимствует не знания — их ведь нужно получить, переработать годами, чтобы уяснить своё мнение — а сразу берут чужое мнение и возводят его в ранг догмы. И хуже всего то, что это превращается в снежный ком — догмы опытных энтузиастов усваиваются совсем уж новичками и эти «правила звукозаписи» бронзовеют в умах масс неофитов рекординга в виде священных и неприкасаемых аксиом:

  • Лучший микрофон — Нойман…
  • Ячейки от яиц идеальны для звукоизоляции в студии
  • Мастеринг сделает из коричневой массы конфетку…
  • Для жирной и злой гитары надо много гейна…
  • Для рэпа нужен микрофон Rode…
  • Гитары нужно писать только через комбик и только через Fender…

Знакомо? Думаю, каждый читающий эти строки вспомнит ещё несколько подобных заповедей.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? А ведь речь идёт о творчестве, эфемерной сфере где нет границ и рамок.

Вот одной из таких убеждений является легенда что «лучший преамп\микрофон\усилитель\гитара\барабан\стул\и т.д. должен быть ламповый!» Если б всё так было просто… В таком случае мы бы все не отходили от ламповой радиолы «Ригонда» слушая записи битников 50-60х годов где кроме лампы и не было ничего:)

Однако сравните те записи и современные — полностью сделанные в цифре (любой чип по сути скопище транзисторов — просто они очень маленькие и их очень много).

Разумеется, никто не спорит, что транзисторный и ламповый прибор обладают разным характером звука. В чём же отличия между лампой и транзистором. Если кратко то:

  • Лампа иначе отрабатывает превышение уровня сигнала — перегрузку. Ламповый каскад смягчает искажения. Транзистор же отрабатывает прямолинейно, чем вносит в звук резкие искажения широкого спектра.
  • Но зато у лампы выше уровень шумов
  • Транзистор имеет меньшее входное сопротивление
  • Компактность транзистора не вызывает сомнений по сравнению с лампой
  • Лампа вещь нежная и увы недолговечная, даже если обращаться бережно
  • Для работы лампы нужно высокое напряжение питания и она сильно греется

Следует заметить, что под «транзистором» подразумевается повсеместно применяемый биполярный транзистор. Важно помнить, что существуют ещё и полевые транзисторы, параметры которого очень близки к параметрам лампы. Если последние 3 пункта не принципиальны для студийного оборудования, то на первых трёх нужно остановиться подробнее.

Перегруз сигнала. Рассмотрим два случая. Необходимая перегрузка и вынужденная.

Нужная перегрузка. Первое что всплывает в памяти — гитарные перегрузки сигнала — overload\distortion. Когда речь идёт об искажения\перегрузках типа «дисторшн» — лампа проявляет себя в полной красе. Кроме, разумеется, крайних случаев, где нужен особо резкий звук — там, как вы понимаете, верх берёт уже транзистор.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Также есть и специальные ламповые сатураторы созданные для обогащения сигнала от источников, например микрофона или других, тембрально.

Применяемая в микрофонном тракте с конденсаторным микрофоном лампа даёт сразу несколько полезных эффектов: согласование по сопротивлению (конденсаторная головка имеет очень большое выходное сопротивление), эффект сатурации (обогащение гармониками) и усиление сигнала. Дополнительный эффект лампового микрофона (сатурация) – это специфические, чаще всего приятные на слух искажения, в большинстве случаев улучшающие звучание голоса и инструментов.

Но бывают случаи, когда эти искажения добавляют лишь грязи итак перенасыщенному гармониками голосу или инструменту и хочется записать звук как можно чище. Для этого необходимо иметь в арсенале студии и чисто транзисторный микрофон. В любом случае хороший транзисторный микрофон имеет более нейтральное и универсальное звучание, ибо сатурацию можно потом и добавить, а вот убрать уже нельзя…

В случае когда перегрузка не нужна, но возникает, например при неровной динамике пения вокалиста в микрофон, во входной каскад может перегрузиться по уровню и, если он ламповый, то искажения будут менее заметными.

Искажения могут возникнуть также в выходном каскаде преампа, но только в том случае, если звукорежиссер неверно выбрал коэффициент усиления. При прочих равных условиях где перегрузки не возникают приборы отрабатывают одинаково и изменений в сигнал не вносят.

Итак, не стоит ссорить лампу с транзистором – они прекрасно дополняют друг-друга! Но и применять лампу там где в ней нет нужды, а тем более там где ее применение только ухудшает прибор, только для того чтоб гордо заявлять что он у вас ламповый, нет никакого смысла! Каждый прибор имеет свои особенности которые надо понять и научиться оптимально использовать.

С уважением, Дамир Command.com

СЛЕДУЮЩАЯ СТАТЬЯ<<<———————->>>К СПИСКУ СТАТЕЙ

© студия звукозаписи «R-Records» 2014г.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Все статьи

УМЗЧ класс «А». С лампами, но не ламповый!

Если посмотреть на фото этого усилителя, то первое, что приходит в голову: «Очередной гибридник с полевиками на выходе!». Потом приходит недоумение: лампы 6П15П, неужели усилитель напряжения на них? Не гадайте: лампы здесь используются… в качестве ламп накаливания, а вовсе не как электровакуумные приборы!

Давненько я экспериментирую с транзисторным классом А, и вот захотелось собрать усилитель с мощностью 1,5 — 2 ватта на полевых транзисторах. Классика жанра — усилитель PassZen с лампой накаливания в стоке транзистора. Для получения небольшой мощности достаточно напряжения питания 12 — 15 Вольт, лампочка должна быть на половину питания, то есть примерно Вольт на шесть.
С 12-вольтовыми проще: выбор галогенок велик, легко найти на нужный ток.

Содержание / Contents

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.В качестве транзисторов планировал использовать n-канальные IRF540, партию которых в количестве 8 штук закупил недавно. Правда, запасся я ими для несколько других целей, но подходящих мощных полевиков у меня больше не было, кроме комплементарных к ним IRF9540.
Перед установкой на радиаторы по привычке решил проверить исправность мультиметром…
Что за чертовщина: у первого, второго, третьего пробой затвора! Из всей партии только один(!!!) оказался годен! Присмотрелся я к ним внимательнее, и этот единственный оказался по внешнему виду отличным от остальных семи близнецов. Продавец далеко, в Саратове, да и меня вряд ли запомнил, претензии по поводу бракованной партии предъявлять бесполезно. Ну да ладно, зато все IRF9540 оказались целёхоньки! Они и пошли в дело, правда стабилизатор питания несколько необычный получился: включен между выпрямителем и корпусом усилителя. В качестве стабилизатора на ток 1,5А (столько потребляют оба канала) нашёлся в запасах только L7805CV.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Для получения нужного напряжения между его второй ножкой и минусом питания поставил стабилитрон на 9 Вольт.

После диодного мостика выпрямителя (я его выполнил на КД202В) желательно напряжение порядка 18 Вольт. Стабилизатор работает в тяжёлом режиме, ток близок к максимально допустимому, поэтому большое падение напряжения на нём нежелательно. На его выходе 14 в, на стоках полевых транзисторов 7,5 Вольт, оставшиеся 6,5 Вольт падают на нитях накала ламп. Блокировочные конденсаторы С5, С6 (отечественные К50—35) зашунтированы плёночным С7 (типа К73—17), точно такие же установлены и на входе. Выходные конденсаторы С3, С4 — Jamicon.
Стабилитрон VD1 — зарубежный на 5,1В, допустимо заменить на КС156А. Подстроечные резисторы R3, R4 — многооборотные проволочные СП5—1ВА. Постоянные резисторы металлоплёночные на 0,125 Вт, за исключением R5 — он на 0,25 Вт.

Всё собрал навесным монтажем внутри пустого корпуса от компьютерного БП. В стиле пугающего хайенда.
Перед первым включением усилителя лампы в ламповые панели не вставляются, движки подстроечных резисторов выставляются в нижнее по схеме положение. Сразу после включения контролируем напряжение питания (14 Вольт), на VD1 (5,1 Вольт) и на затворах транзисторов (0 Вольт).

Затем подключаем к 4 и 5 ножкам ламповых панелей (выводы нитей накала) амперметр и медленно вращая подстроечные резисторы выставляем токи стоков транзисторов 600 мА. Это необходимо, чтобы не сжечь нити накала ламп. Вставляем лампы и контролируем напряжение на них.
У меня получилось 4,25 Вольт. Напряжение плавно плывёт в течение пары минут, поэтому проверять нужно после двух-трёхминутного прогрева.

Осторожно вращая подстроечники выставляем напряжение на лампах 6,5 Вольт. Помним, что напряжение устанавливается не сразу, поэтому не торопимся. Напряжение на затворах транзисторов после настройки у меня получилось 3,8 В. Оно не должно отличаться в обоих каналах более, чем на 20 мВ. Если транзисторы из одной партии, то это условие всегда выполняется.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? На этом настройка окончена.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Звук получился с детальной серединой, басом более плотным, чем у лампового однотактника на 6П6С с ТВЗ1—9. С плеера высокие частоты даже приподняты, но это результат работы неотключаемого «улучшайзера».

Все без исключения домочадцы и знакомые отдали предпочтение этому усилителю в результате сравнения с ламповым и на TDA1557Q. Последний, правда, и так не жаловали, включается он только на гулянки, и то когда уже важнее становится громкость, а не качество.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке.
Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

устройство, сделанное из пустоты / Хабр

Любопытная смесь из электронной лампы и МОП-транзистора однажды, возможно, заменит традиционный кремний

В сентябре 1976 года, в разгаре Холодной войны, Виктор Иванович Беленко, советский лётчик и перебежчик, отклонился от курса тренировочного полёта над Сибирью, который он проводил в самолёте Миг-25П, быстро пересёк Японское море на малой высоте, и посадил самолёт в гражданском аэропорту Хоккайдо, когда топлива уже оставалось всего на 30 секунд. Его внезапная измена Родине стала манной небесной для американских военных аналитиков, у которых впервые появилась возможность вблизи изучить высокоскоростной советский истребитель, считавшийся ими одним из наиболее передовых самолётов. Но то, что они увидели, их поразило.

Корпус летательного аппарата был сделан грубее, чем у современных ему американских истребителей, и в основном состоял из стали, а не из титана.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Приборные отсеки были заполнены оборудованием, работавшим на электронных лампах, а не на транзисторах. Очевидным заключением, несмотря на бытовавшие страхи, стало то, что даже самая передовая технология безнадёжно отстала от западной.


Ведь в США электронные лампы [которые там называют вакуумными трубками / прим. перев.] уступили дорогу меньшим по размеру и энергопотреблению твердотельным устройствам за два десятилетия до этого, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн собрали первый транзистор в Лабораториях Белла в 1947. К середине 1970-х электронные лампы в западной электронике можно было найти только в различных видах специального оборудования – не считая огромного количества электронно-лучевых трубок телевизоров. Сегодня исчезли и они, и вне немногочисленных ниш электронные лампы практически вымерли. Поэтому вас может удивить, что некоторые скромные изменения в процессе изготовления интегральных схем могут снова вдохнуть жизнь в вакуумную электронику.

Мы в Исследовательском центре Эймса в НАСА последние несколько лет разрабатывали транзисторы с вакуумным каналом (ТВК). Наши исследования пока находятся на раннем этапе, но изготовленные нами прототипы демонстрируют чрезвычайно многообещающие перспективы этих инновационных устройств. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее обычных кремниевых, и, возможно, смогут работать на терагерцовых частотах, которые давно остаются за пределами возможностей любого твердотельного устройства. Также они гораздо легче переносят высокие температуры и радиацию. Чтобы понять, почему так происходит, стоит разобраться в создании и функционировании старых добрых электронных ламп.

Потомок лампы накаливания. Электронные лампы стали естественным результатом развития ламп накаливания, разработка которых активно пошла после исследований Томаса Эдисона, который изучал возможности излучения электронов разогретыми нитями. На фото представлен ранний пример лампы Аудион от 1906 года, которая сильно напоминает лампу накаливания, хотя нить в этой лампе не видна – она уже давно сгорела.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Нить работала катодом, с которого электроды слетали по направлению к аноду или пластине, расположенной в центре стеклянной трубы. Ток с катода на анод можно было контролировать изменением напряжения, прикладываемого к сетке – зигзагообразному проводу, который видно под пластиной.

Электронные лампы размером с палец, усиливавшие сигналы в бесчисленных радио- и телеприёмниках в первой половине XX века могут выглядеть совершенно непохоже на металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы или MOSFET), регулярно поражающие нас своими возможностями в современной цифровой электронике. Но они многим похожи. Во-первых, они оба трёхконтактные устройства. Напряжение, подаваемое на один контакт – сетку у простой электронной лампы-триода или на затвор транзистора – управляет количеством тока, проходящего между другими контактами: от катода к аноду у электронной лампы и от истока к стоку в MOSFET. Эта способность позволяет этим устройствам работать, как усилители или как переключатели.

Однако электрический ток в электронной лампе течёт совершенно не так, как в транзисторе. Электронные лампы работают за счёт термоэлектронной эмиссии: нагрев катода заставляет его выбрасывать электроны в окружающий вакуум. Ток в транзисторах происходит из-за диффузии электронов (или дырок, мест, где не хватает электрона) между истоком и стоком сквозь разделяющий их твёрдый полупроводящий материал.

Почему электронные лампы так давно дали дорогу твёрдотельной электронике? Среди преимуществ полупроводников – малая стоимость, гораздо меньший размер, гораздо большее время жизни, эффективность, надёжность, прочность и постоянство. Но при всём при этом чисто как среда для передачи заряда вакуум выигрывает у полупроводников. Электроны легко распространяются в пустоте вакуума, а в атомах твёрдого тела они испытывают столкновения (рассеивание на кристаллической решётке). Более того, вакуум не подвержен повреждениям из-за радиации, поражающим полупроводники, а также производит меньше шума и искажений, чем твёрдотельные материалы.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Недостатки электронных ламп не так досаждают, если вам нужно лишь небольшое их количество, чтобы собрать радио или телевизор. Однако в более сложных схемах они проявили себя с худшей стороны. К примеру в компьютере ENIAC 1946 года было 17 468 ламп, он потреблял 150 кВт энергии, весил более 27 тонн и занимал почти 200 м2 пространства. И постоянно ломался – каждый день-два из строя выходила очередная лампа.

Чип в бутылке: простейшая электронная лампа, способная на усиление, это триод, названный так потому, что у него есть три электрода: катод, анод и сетка. Обычно эта структура имеет цилиндрическую симметрию, когда катод окружён сеткой, а сетка окружена анодом. Работа её похожа на работу полевого транзистора – напряжение, подаваемое на сетку, управляет током между двумя другими электродами. У триодных ламп часто было пять контактов, чтобы разместить два дополнительных электрических контакта для разогреваемой нити.

Революция транзисторов покончила с этими проблемами. Однако вал изменений в электронике произошёл в основном не потому, что у полупроводников были какие-то особые преимущества, а потому, что инженеры сумели наладить массовое производство и комбинирование транзисторов в интегральные схемы благодаря химической гравировке, или травлению, кремниевых подложек с целью получения нужного рисунка. С развитием технологии производства интегральных схем им удавалось запихивать всё больше и больше транзисторов на микрочипы, что позволяло схемам становиться всё более сложными с каждым поколением. Также электроника становилась быстрее, не становясь дороже.

Это преимущество в скорости существует потому, что транзисторы становились меньше, электронам внутри них приходилось проходить меньшие расстояния от истока к стоку, что позволяло быстрее включать и выключать каждый транзистор. Электронные лампы были большими и громоздкими, их нужно было изготавливать по отдельности на станках. И хотя с годами они улучшались, у них не было ничего похожего на благотворное воздействие закона Мура.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Однако, спустя четыре десятилетия сжатия размеров транзисторов, мы пришли к тому, что слой оксида, изолирующий затвор в типичном MOSFET достиг толщины всего в несколько нанометров, и всего несколько десятков нанометров разделяют исток и сток. Обычные транзисторы уже не получится сделать сильно меньше. А поиски всё более быстрых и энергоэффективных чипов продолжаются. Какой будет следующая технология транзисторов? Идёт интенсивная разработка нанопроводов, углеродных нанотрубок и графена. Возможно, один из этих подходов спасёт электронную индустрию. Или же все окажутся пшиком.

Мы разрабатываем ещё одного кандидата на замену MOSFET, такого, с которым исследователи периодически возятся уже много лет: транзистор с вакуумным каналом. Это результат скрещивания традиционной электронной лампы и современных технологий производства полупроводников. Эта любопытная смесь комбинирует лучшие свойства электронных ламп и транзисторов, и его можно сделать настолько маленьким и дешёвым, как любое твердотельное устройство. Именно способность изготавливать их в небольшом размере устраняет хорошо известные недостатки электронных ламп.

Транзистор из электронной лампы: транзисторы с вакуумным каналом очень напоминают метал-оксид-полупроводник, MOSFET (слева). В MOSFET напряжение, подаваемое на затвор, порождает электрическое поле в лежащем снизу полупроводнике. Это поле затягивает переносчиков заряда в канал между истоком и стоком, что позволяет току протекать. В затвор ток не течёт, он изолирован тонким слоем оксида. Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами (справа) тоже использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода с анодом, имеющих острые концы для усиления электрического поля.

В электронной лампе электрическая нить, схожая с нитью накаливания в лампочках, используется для разогрева катода, достаточного для того, чтобы он начал испускать электроны. Поэтому электронным лампам нужно время на разогрев, и потому они используют столько энергии.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? А также поэтому они так часто перегорают (часто это происходит из-за микроскопической утечки в стекле). Однако ТВК не нужна нить или горячий катод. Если устройство сделать достаточно маленьким, то электрического поля внутри него будет достаточно для вытягивания электронов из истока – это называется автоэлектронной эмиссией. Устраняя энергозатратные элементы подогрева, мы уменьшаем место, занимаемое устройством на чипе, и делаем этот новый транзистор энергетически эффективным.

Ещё одно слабое место электронных ламп состоит в том, что им нужно поддерживать глубокий вакуум, составляющий обычно порядка 1/1000 от атмосферного давления, чтобы избежать столкновения электронов с молекулами газов. При таких низких давлениях электрическое поле заставляет положительно заряженные ионы остаточного газа ускоряться и бомбардировать катод, создавая острые нанометровые выступы, из-за чего он деградирует и в итоге оказывается уничтоженным.

Эти давно известные проблемы вакуумной электроники можно преодолеть. Что, если расстояние между катодом и анодом будет меньше среднего расстояния, которое проходит электрон перед тем, как столкнуться с молекулой газа – меньше, чем средний свободный путь? Тогда не надо будет беспокоиться о столкновениях между электронами и молекулами газов. К примеру, средний свободный путь электронов в воздухе при нормальном давлении составляет 200 нм, что по шкале современных транзисторов довольно много. Если использовать вместо воздуха гелий, то средний свободный путь вырастет до 1 мкм. Это значит, что электрон, проходящий через разрыв шириной в 100 нм, столкнётся с газом с вероятностью всего в 10%. Сделайте разрыв меньше, и вероятность будет уменьшаться и далее.

Но даже с низкой вероятностью столкновения многие электроны всё равно будут сталкиваться с молекулами газа. Если удар выбьет связанный электрон из молекулы, она превратится в положительно заряженный ион, и электрическое поле отправит его по направлению к катоду. Из-за бомбардировки положительными ионами катоды деградируют.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Поэтому этого процесса нужно по возможности избегать.

К счастью, при низком напряжении электроны никогда не наберут достаточно большой энергии для ионизации гелия. Поэтому, если размеры вакуумного транзистора будут гораздо меньше среднего свободного пути электронов (чего легко достичь), а рабочее напряжение будет достаточно низким (и это устроить нетрудно), то устройство сможет прекрасно работать при атмосферном давлении. То есть, в этой, номинально вакуумной электронике миниатюрного размера вообще не нужно будет поддерживать никакого вакуума!

А как включать и выключать этот новый транзистор? У электронной лампы-триода мы контролируем протекающий через неё ток, изменяя напряжение, подаваемое на сетку – похожий на решётку электрод, расположенный между катодом и анодом. Если поместить сетку ближе к катоду, это увеличит её электростатический контроль, однако увеличит и количество перетекающего на сетку тока. В идеале на сетку вообще не должен течь ток, поскольку это приводит к потерям энергии и даже к отказу лампы. Но на практике небольшой ток есть всегда.

Чтобы избежать подобных проблем, мы управляем током в ТВК так же, как в обычном MOSFET, используя электрод затвора, изолирующий его от тока диэлектрическим материалом (диоксидом кремния). Изолятор переносит электрическое поле туда, где оно требуется, не давая току протекать через сетку.

Как видно, ТВК – это совсем не сложное устройство. Оно работает гораздо проще любых предыдущих вариантов транзисторов.

Хотя мы всё ещё находимся на ранних этапах нашего исследования, мы считаем, что недавние улучшения ТВК смогут однажды серьёзно повлиять на индустрию электроники, в частности на те её области применения, где очень важна скорость. В самой первой нашей попытке по изготовлению прототипа у нас получилось устройство, способное работать с частотой в 460 ГГц – примерно в 10 раз больше лучших кремниевых транзисторов. Это делает ТВК многообещающим устройством для работы в т.н. терагерцовом разрыве – той части электромагнитного спектра, что находится выше микроволн и ниже инфракрасного диапазона.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Заполняя разрыв: ТВК обещают работать на частотах между микроволновыми и инфракрасными – этот диапазон спектра иногда называют терагерцовым разрывом, поскольку большая часть полупроводниковых устройств с трудом работает на таких частотах. Среди многообещающих вариантов использования – направленная высокоскоростная передача данных и отслеживание опасных веществ.

Такие частоты, в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, полезны для распознавания опасных веществ и безопасной высокоскоростной передачи данных – и это только пара примеров. Однако использовать терагерцовые волны сложно, поскольку традиционные полупроводниковые устройства не могут создавать или распознавать такое излучение. Вакуумные транзисторы могли бы заполнить эту пустоту, извините за каламбур. Эти транзисторы могли бы пригодиться в будущих микропроцессорах, поскольку метод их производства полностью совместим с производством обычных микросхем. Однако перед этим необходимо решить несколько проблем.

Наш прототип ТВК работает от 10 В, что на порядок больше используемого микросхемами напряжения. Однако исследователи из Питтсбургского университета уже смогли сделать ТВК, работающие от 1 или 2 В, хотя это потребовало серьёзных компромиссов в гибкости дизайна. Мы уверены, что сможем уменьшить требования к напряжению до подобного уровня, уменьшая расстояние между катодом и анодом. Величина их угла определяет концентрацию электрического поля, а состав материала катода определяет, насколько сильное поле требуется для извлечения из него электронов. Поэтому мы, возможно, сумеем уменьшить напряжение, подобрав электроды с более острыми кончиками или более подходящий химический состав, уменьшающий барьер, который преодолевают электроны, убегая с катода. Это будет работа по поиску баланса, поскольку изменения, приводящие к уменьшению рабочего напряжения, будут уменьшать долгосрочную стабильность электродов и время жизни транзистора.

Следующий большой этап – создать большое количество ТВК, разместив их на интегральной схеме.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Для этого мы планируем использовать множество уже существующих инструментов для разработки при помощи компьютера и ПО для симуляции работы интегральных схем. Но перед этим нам нужно будет уточнить наши компьютерные модели новых транзисторов, и разработать правила соединения большого их количества. Также нам нужно будет разработать подходящие методы упаковки для этих устройств с давлением в 1 атм, наполненных гелием. Скорее всего, для этого можно будет без особых проблем применить технологии, используемые для упаковки микроэлектромеханических датчиков – акселерометров и гироскопов.

Конечно, предстоит проделать ещё немало работы перед тем, как мы сможем начать коммерческое производство продукта. Но когда это произойдёт, новое поколение вакуумной электроники наверняка сможет похвастаться неожиданными возможностями. Стоит ожидать этого, иначе вы можете оказаться на месте военных аналитиков, изучивших советский Миг-25 в Японии в 1976 году: позже они поняли, что ламповые авиаприборы могут выдерживать электромагнитный импульс, порождённый ядерным взрывом, лучше любой начинки западных самолётов. И только тогда они смогли признать ценность небольшого количества ничто.

от лампы к микросхеме и обратно

Время публикации:14:00/

11.07.2019


Прослушивание музыки через колонки или наушники невозможно без устройства, которое бы усилило сигнал от источника до уровня, достаточного для их нормальной работы. Это мы уже знаем. Как устроен Hi-Fi усилитель тоже выяснили. Теперь давайте посмотрим, какими бывают Hi-Fi усилители.

Сначала была лампа



TAGA Harmony TTA-500 — настоящий ламповый звук по доступной цене


Исторически первыми появились ламповые усилители. Потому что первым был изобретен их главный элемент в виде электронно-вакуумной лампы.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Серийные коммерческие ламповые усилители, появившиеся в 30-е годы прошлого века, вначале были встроены в радиоприемники, а позже и радиолы (приемники с проигрывателем винила). И только уже потом такие усилители появились в виде отдельных устройств. На протяжении всей истории развития ламповых усилителей совершенствовались и используемые в них компоненты, в то время как сама схемотехника менялась не столь значительно.


Ламповый усилитель, как правило, отличается небольшим количеством элементов (по сравнению с транзиторными, о которых чуть позже), но тем выше требования к качеству каждого из них. Ламповый усилитель может работать в классе A или A/B (существуют и весьма экзотические ламповые схемы класса D), быть однотактным или двухтактным. Если вы сейчас не поняли, о чем речь (про «классы» и «такты»), то рекомендуем прочитать нашу предыдущую статью из этого цикла.




Лампы усилителя обычно закрывают защитной сеткой (Roma 96DC)


Обязательным компонентом практически любого лампового усилителя является выходной трансформатор, который обеспечивает его нормальную работу (согласование) с акустикой. Качественный выходной трансформатор довольно дорог в изготовлении и имеет большие размеры и вес. Лампы усилителя требуют высокого напряжения питания в сотни вольт, и, кроме того, сильно нагреваются при работе, что делает такие устройства (теоретически) небезопасными при домашнем использовании. Кроме того, лампы имеют ограниченный срок службы. Поэтому индустрия начала поиск других решений для домашнего усиления звука, что и привело к появлению транзисторных аппаратов.


Тем не менее, сегодня ламповые усилители по-прежнему остаются востребованными на рынке, а их совершенствование продолжает идти по пути применения наиболее качественных комплектующих и материалов, а также расширения функциональных возможностей.

А потом пришел мощный и легкий транзистор



Современные технологии позволяют сделать мощный транзисторный усилитель очень компактным (Pro-Ject MaiA DS2)


Транзистор представляет собой устройство, способное выполнять те же функции, что и лампа, но с использованием других физических процессов.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? На практике это означает возможность построения более мощных (чем ламповые) усилителей, в которых не требуется использовать высокое питающее напряжение и которые выделяют гораздо меньше тепла. Разумеется, транзисторные усилители класса А тоже довольно горячие, но все же не так сильно, как ламповые. Кроме того, даже самый мощный транзистор меньше обычной лампы. А особенности характеристик транзисторных усилительных схем (их низкое выходное сопротивление) позволяет обойтись без дорого и громоздкого выходного трансформатора.


Все вышеперечисленное, а также возможность простой автоматизированной конвейерной сборки обусловили огромную популярность транзисторных усилителей в 70-90-е годы прошлого века. Они практически полностью вытеснили с рынка ламповые моделей. Кроме того, по измеряемым характеристиками транзисторные аппараты также заметно превосходили ламповые, и именно с их появления принято считать начало эпохи Hi-Fi.



Качественные компоненты для качественного звука


Однако схемотехника транзисторных усилителей оказалась заметно сложнее, чем у ламповых устройств. Им, в большинстве случаев, требовалась специальная настройка или точный предварительный отбор компонентов. Это привело к появлению специальных микросхем-усилителей, в небольших корпусах которых содержались уже настроенные схемы на десятках транзисторов. Использование таких микросхем еще более упростило создание усилителей в массовом производстве. Но со временем оказалось, что, несмотря на хорошие технические показатели, качество их звучания не удовлетворяет запросам меломанов. Поэтому современные транзисторные Hi-Fi усилители создаются только с использованием дискретных компонентов (т.е. отдельных транзисторов), по крайней мере, в выходных каскадах.


Транзисторные аппараты представлены во всех классах усиления, при этом инженеры постоянно разрабатывают и новые схемные решения для еще большего повышения эффективности их работы и улучшения характеристик.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Лампы или транзисторы?


Мы намеренно не останавливались на качестве звучания усилителей на лампах и транзисторах, так как здесь все зависит от конкретного исполнения той или иной модели. И «теплый ламповый» звук или «холодный транзисторный» являются всего лишь распространенными штампами. Да, паспортный уровень искажений лампового усилителя, как правило, выше, чем у транзисторного, а выходная мощность меньше, однако на воспринимаемое качество звука это может и не оказывать никакого влияния вообще.



TAGA Harmony HTA-800 — отличный пример качественного гибридного усилителя


В целом транзисторные аппараты звучат более аналитично, а ламповые – эмоциональнее, но подобные характеристики вряд ли можно измерить в лаборатории. Желание совместить звуковые характеристики усилителей обоих типов привело к возникновению гибридных моделей. Чаще всего в них ламповые входные каскады сочетаются с выходными транзисторными, но бывает и наоборот. В любом случае, усилитель для своей стереосистемы нужно послушать лично и выбирать тот, звук которого понравится именно вам. Подробнее о том, как же выбирать свой усилитель для домашней системы мы поговорим в следующих статьях.

вакуумных трубок против. Транзисторы — Noisylabs —

Вакуумные лампы можно использовать как усилитель или переключатель. Помните, как мы (вкратце) объясняли (вкратце) постоянный и переменный ток в нашем посте «как уберечь усилитель от перегрева?»?

Что ж, вакуумные лампы также играют роль, когда речь идет о постоянном и переменном токах.

В вакуумных трубках есть электроды, управляющие потоком электронов.

С другой стороны, у вас есть транзисторы, которые также можно использовать в качестве переключателя или усилителя.

Одно большое различие между ними заключается в том, что вакуумные лампы сделаны из стекла, а транзисторы — из кремния.

Здесь спорят о том, какой из них вам следует использовать.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Плюсы вакуумных ламп

Если вы прочитаете начало, вы правильно предположите, что транзисторы используются чаще, чем электронные лампы, потому что есть более мелкие устройства.

Но есть случаи, когда используются электронные лампы.

Если вы владелец высоковольтной аудиосистемы, электронная лампа — хорошая идея.

Если ваша звуковая система рассчитана на более высокую частоту 10 ГГц, то электронная лампа для вас.

Чем выше отношение мощности к киловатту, тем больше вероятность, что вам понадобится электронная лампа.

Еще одно преимущество электронных ламп — их долговечность.

Долговечность — важный фактор, когда мы говорим об уличных динамиках и динамиках Bluetooth.

И вакуумные лампы — это преимущество, когда речь идет о долговечности.

Их материал состоит из стекла, керамических изоляторов и металлических электродов.Изоляционные материалы становятся жестче при сжатии, но это не значит, что вы можете сидеть на своих устройствах.

Электронные устройства испытывают много стресса. Прочность — это не только погодные условия и мелкие частицы.

Еще одним фактором прочности является способность трубки выдерживать скачки тока и температуры.

Вакуумные лампы предназначены для работы с высоким напряжением. И если устройство может выдерживать высокое напряжение, значит, оно может выдерживать много тепла.

Минусы вакуумных трубок

Очевидный минус — громоздкость электронных ламп.Это делает вашу печатную плату менее эффективной. Чем больше усилителей / переключателей вы можете разместить в аудиосистеме, тем лучше будут проходить электроны.

Как мы уже упоминали, электронные лампы могут работать с высоким напряжением. Но высокое энергопотребление означает, что вам понадобится нагреватель.

Подача нагревателя означает более низкий КПД и потери тепла. Но это не единственный недостаток.

Электронные устройства имеют тенденцию превращать механические колебания в нежелательный шум.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Это то, что мы называем микрофоникой.И электронные лампы более вероятно улавливают микрофон, чем транзисторы.

Еще один недостаток — электронные лампы могут стоить дороже, чем транзисторы.

Плюсы транзисторов

Чтобы сделать сложное простым, транзисторы используются чаще, потому что их легко включить.

Их легче включить, так это их меньший размер. Этот меньший размер позволяет транзисторам не нуждаться в таком большом количестве заряда.

Все новые устройства, которые мы используем сегодня, портативны. Примеры включают Airpods, смартфоны и многое другое.

В эти устройства никак не поместятся вакуумные лампы. В этих устройствах есть небольшие транзисторы. Меньший размер также означает меньшее энергопотребление.

Вы когда-нибудь задумывались, как долго работают Bluetooth-колонки? Теперь у вас есть большая часть ответа.

Это с сайта Sciencing.com:

«Транзисторы могут быть сконструированы так, чтобы потреблять очень мало энергии. Миллионы из них в часах или калькуляторе могут годами работать от маленькой батареи».

Еще одна важная составляющая малых транзисторов — это снижение стоимости для потребителей.Это делает производство транзисторов масштабируемым.

И, не вдаваясь в подробности, транзисторы быстрее. Это одна из главных причин широкого использования транзисторов.

Минусы транзисторов

Транзисторы надежны для печатных плат. Но есть несколько способов, которыми они могут потерпеть неудачу.

Один из способов отказа — короткое замыкание.

Короткое замыкание транзистора означает, что он не может регулировать ток. Думайте об этом, как о медсестре, берущей кровь у пациента, но вставка шатается, поэтому кровь разбрызгивается.Медсестра получит кровь в капельницу, но она не сможет контролировать всю выходящую кровь.

Это происходит, когда достаточно большой ток плавит положительный и отрицательный переходы.

Другой способ выхода из строя транзисторов — это «открытый» транзистор.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Открытый транзистор означает, что сопротивление становится очень высоким. Слишком большое сопротивление означает, что электроны не могут свободно течь.

Вот пара примеров открытых транзисторов.

Одно отверстие находится между основанием и коллектором. Напряжение коллектора должно падать, а база и эмиттер повышаются.

Еще один обрыв — это напряжение питания и эмиттер.

Один из способов узнать, неисправен ли ваш транзистор, — это проверить сопротивление между ножками. Измерьте сопротивление между базой и коллектором, коллектором и базой и т. Д.

Иногда транзисторы выходят из строя. Это происходит в большинстве новых транзисторов. Обычно пользователи могут сказать в течение пары часов после использования, неисправен транзистор или нет.

Если в одной из ваших аудиосистем есть транзистор, и вы разместите его в области с оборудованием, использующим частоту, то есть вероятность, что оно может улавливать радиочастотные помехи.

Еще один недостаток — транзисторы могут автоколебаться из-за низковольтных переходов диодов и эффектов скорости нарастания напряжения. А скорость нарастания — это мера напряжения во времени.

Последний недостаток транзисторов, который мы отметим, — их сложность в обслуживании.

Кроме того, их, вероятно, сложнее заменить. Их дизайн идеально подходит для печатных плат. Стандартный транзистор может не подойти.

Winner?

Аудиофилы предпочитают электронные лампы из-за звука, который они излучают.

Есть много причин, по которым транзистор или электронная лампа будут правильным решением.

Но наш выбор — транзисторы. Ответ очевиден, чем больше мы об этом думаем. Большинство, если не все электронные устройства содержат транзисторы. Должна быть причина для этого.

Две главные причины заключаются в том, что он обеспечивает эффективность и легко масштабируется. Хотя его масштабируемость — это то, о чем потребители не заботятся, эффективность — достаточная причина для выбора транзисторов.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Эффективность упрощает потребление энергии и звука.Ваша звуковая система не должна работать так тяжело, чтобы воспроизводить такой же звук.

Победитель здесь — транзисторы.

Электронная лампа наносит ответный удар: крошечный вакуумный транзистор НАСА 460 ГГц, который однажды может заменить кремниевые полевые транзисторы.

Этот сайт может получать партнерские комиссии за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

Еще в лучшие времена цифровых вычислений (1940-е и 1950-е годы) компьютеры были сделаны из электронных ламп — больших, горячих, неуклюжих устройств, которые, если разобраться, были, по сути, прославленными лампочками.Вот почему первые компьютеры, такие как ENIAC, весили более 27 тонн и потребляли больше энергии, чем небольшой город. Позже, очевидно, на смену электронным лампам придет, вероятно, величайшее изобретение всех времен — твердотельный транзистор, который позволит создавать меньшие, более быстрые, дешевые и надежные компьютеры. Однако перенесемся в 2014 год, и скромный полевой транзистор CMOS (FET) начинает показывать свой возраст. Мы почти достигли предела по дальнейшему сокращению кремниевых транзисторов, и они не могут работать на скоростях, намного превышающих несколько гигагерц.Вот почему Исследовательский центр Эймса НАСА возвращается в будущее со своим новым вакуумным транзистором — вакуумной трубкой нанометрового размера, которая на ранних этапах тестирования достигла скорости до 460 ГГц .

Оригинальный триод на электронных лампах, основной строительный блок первых компьютеров, состоит из трех отдельных элементов внутри стеклянной колбы. У вас есть катод посередине, который излучает электроны; сетка вокруг катода; и анод снаружи.Когда на сетку подается напряжение, электроны свободно проходят через вакуум от катода к аноду.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Функционально он идентичен тому, как работает современный твердотельный транзистор (затвор, контролирующий поток электричества от источника к стоку). Однако основная проблема заключалась в том, что катод должен был нагреваться нитью накала, чтобы он мог испускать электроны, а там, где есть тепло, возникает большое энергопотребление и большой износ. Как вы, возможно, знаете, для старых ламповых компьютеров не было ничего необычного в том, что они ломались каждые несколько часов, когда перегорала лампа.

Так или иначе, высокие эксплуатационные расходы и неудобства, связанные с работой на ламповом компьютере, были в конечном итоге смягчены открытием процессов, которые позволили дешево и в большом количестве производить интегральные схемы с твердотельными МОП-транзисторами. И последние 40 лет или около того мы не оглядывались назад. До нынешнего момента.

Стандартный полевой МОП-транзистор и транзистор с вакуумным каналом [Изображение предоставлено: IEEE Spectrum]

Исследовательский центр Эймса НАСА много лет работал над транзистором с вакуумным каналом, который, по сути, представляет собой вакуумную лампу, которую можно изготовить используя обычные методы CMOS.Вместо ворот, находящихся между истоком и стоком, нет… ничего. Вакуум. С помощью метода, известного как автоэлектронная эмиссия , электроны протягиваются через вакуум от истока к стоку, когда к затвору подается ток (см. Диаграмму). Благодаря использованию автоэлектронной эмиссии, а не термоэлектронной (горячей) эмиссии электронов, эти транзисторы с вакуумным каналом не требуют источника тепла. Важно отметить, что им также не требуется вакуум — вместо этого они используют гелий (он достаточно разрежен, чтобы у электронов почти нет шансов столкнуться с атомами гелия, когда они пересекают зазор в несколько нанометров между истоком и стоком).Электроны также проходят воздушный зазор на много быстрее, чем если бы они проходили через электрод затвора.

Коллекция первых триодных электронных ламп (Нажмите, чтобы увеличить)

В общем, эти транзисторы с вакуумным каналом, какими бы безумными они ни казались, на удивление осуществимы.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Они могут быть изготовлены с использованием существующих технологий. Упаковка гелия более жесткая, но исследователи НАСА считают, что методы, используемые для упаковки современных микроэлектромеханических датчиков (гироскопов, акселерометров), должны подходить и для их нестандартных транзисторов.На ранних этапах тестирования транзистор с вакуумным каналом мог работать на частоте 460 ГГц — что примерно в 10 раз быстрее, чем обычный полевой транзистор на основе кремния (и сравнимо со скоростями, на которых мог бы работать графеновый транзистор). Нет ни слова о том, позволят ли эти транзисторы с вакуумным каналом создавать небольшие современные усилители звука, которые звучат как оригинальные ламповые усилители — но возможно!

Двигаясь вперед, НАСА сталкивается с обычным камнем преткновения, с которым сталкиваются все новые передовые технологии: оно построило в лаборатории единственный транзистор с вакуумным каналом, и теперь пришло время попробовать собрать их большое количество на одном кристалле. .Исследователи НАСА довольно позитивно оценивают свои шансы, но на самом деле, пока они не дойдут до этого, кто знает, с какими проблемами они могут столкнуться? В любом случае, добавьте транзисторы с вакуумным каналом к ​​довольно внушительному (и быстро растущему) списку потенциальных методов выхода за теоретические пределы кремния.

[Изображение предоставлено Куртом Фалером]

Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка, февраль 1967 г. Популярная электроника

Февраль 1967 г. Популярная электроника

Оглавление

Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи
с
Популярная электроника,

опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права.

Вчера исполнилось 71 год
объявления об изобретении транзистора доктором. Шокли, Бардин и Браттейн
в Bell Labs, но это было воскресенье, поэтому не так много посетителей RF Cafe видели памятный
изображение заголовка, которое я использовал (см.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?
здесь). Их транзистор
был устройством усиления сигнала, управляемым током, в отличие от полевого транзистора.
(FET), который представляет собой устройство усиления сигнала с управляемым напряжением, как и электронная лампа.Я никогда не думал об этом раньше, но, возможно, это как-то связано с электроникой
колебания мира относительно принятия транзистора в качестве замены лампы. В начале
история транзистора, практические применения были ограничены из-за низкой надежности, низкого
мощность, низкая частота, отсутствие жесткости в тяжелых условиях эксплуатации и
другие недостатки по сравнению с известными и усовершенствованными электронными лампами были достаточной причиной
чтобы избежать новомодной технологии, но эта управляемая током вещь могла быть
барьер, препятствующий адаптации, столь же значительный, как и любое из вышеупомянутых препятствий.К тому времени, когда полевые транзисторы стали широко доступны для коммерческого использования, сравнение транзисторов и ламп
битва уже складывалась в пользу транзистора. Первоначально полевые транзисторы пользовались огромным
кадры чирлидеров в области цифровых схем из-за их чрезвычайно низкого энергопотребления.
Одним из наиболее заметных применений полевых транзисторов в аналоговом мире были входы с высоким импедансом.
к операционным усилителям и вольтметрам.

Знакомьтесь, мистер FET … Транзистор, который думает, что это трубка

Луи Э.Гарнер-младший, редактор отдела полупроводников

Этот маленький товарищ и его семья приобретают твердотельный накопитель

Сложно представить в свете современных достижений науки и техники,
что всего несколько лет назад не было ни транзисторов, ни интегральных схем.
На самом деле, есть еще много старожилов, которые помнят «доисторическую» эпоху, когда
не было и электронных ламп. В те дни радиопередатчики испускали странные искры.
электромеханические монстры, имевшие ностальгическое сходство с огнедышащими драконами
еще более ранней эпохи.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Радиоприемники тоже были простыми. Огромная антенна подключена к паре негабаритных
катушки, кусочек минерала-галенита — с кошачьим усом (тонкая проволока), пара наушников
… и это был приемник. Кристаллический детектор галенита был дешев, но
бесчувственны и темпераментны. Именно в поисках лучшего детектора проф.
Дж. А. Флеминг разработал диодную вакуумную лампу, которая по праву получила известность.
как «клапан Флеминга.«

Рис. 1 — Вид в разрезе иллюстрирует внутреннюю конструкцию триода.
вакуумная труба. Схематический символ, представляющий эту трубу, показан под разрезом.

Рис. 2 — Поперечное сечение основного переходного транзистора показывает многослойную конструкцию.
из полупроводникового материала для блока pnp. Обратите внимание на направление стрелки в условном обозначении.

Рис. 3 — Поперечное сечение полевого транзистора с n-канальным переходом.
показаны области p-типа, диффундированные в подложку n-типа. Символ не полностью стандартизирован
пока что.

Вскоре после этого д-р Ли Де Форест, изобретатель и ученый, добавил управляющую сетку.
который впервые позволил вакуумной лампе усиливать, генерировать колебания и обнаруживать электрические
сигналы.

С разработкой электронных ламп пришла гигантская промышленность с рекордными показателями.
достижения в области радиовещания, электронного наблюдения, компьютерных технологий и
производственный контроль. В ходе этой промышленной революции электронная лампа
был увеличен, уменьшен, модифицирован и усовершенствован многими способами, включая добавление
больше электродов. Но была пресловутая ложка дегтя. Большинство трубок произведено
так много тепла, что у них был относительно короткий срок службы, что привело к высокому
интенсивность отказов электронного оборудования лампового типа.

Затем, в начале 1948 г., доктор.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Шокли, Бардин и Браттейн — все ученые
Bell Telephone Laboratories — объявила об изобретении совершенно нового устройства: триода.
«кристалл», который, как они утверждали, мог как усиливать, так и обнаруживать электрические сигналы. Дублированный
Транзистор (от TRANsfer и re-SISTOR), устройство представляло собой не что иное, как крошечный кубик
из кристаллического полупроводникового материала с двумя тонкими проволочными кошачьими усами. Минутное напряжение
приложенный к базовому кристаллу (в дальнейшем называемый базой) управлял гораздо большим током
течет между двумя усами, один из которых назывался эмиттером, а другой
коллекционер.Первые транзисторы были дорогими, шумными и не слишком надежными. Но эти
недостатки компенсировались их чрезвычайно маленькими размерами, высокой эффективностью и потенциально
как минимум, простота изготовления.

К 1951 году, задолго до того, как этот ранний точечный транзистор представлял даже небольшую угрозу
к превосходству вакуумной лампы, радикально нового типа транзистора, ныне распространенного
и был представлен широко используемый переходной транзистор.

ламп и транзисторов.Несмотря на то, что транзисторы во многих смыслах были находкой, они принесли множество
новых задач схемотехникам. По сути, это усилитель тока, устройство могло
не может использоваться в качестве прямой замены вакуумной лампы, которая является усилителем напряжения.
Он имел входное сопротивление от низкого до среднего, в отличие от очень высокого входного сопротивления.
электронных ламп. Кроме того, поскольку транзистор имеет прямое резистивное соединение
между его входом (базой) и выходом (коллектор) кратность схемы
проблемы с обратной связью должны были быть решены.

Позднее были разработаны усовершенствованные методы проектирования, и транзисторные приемники, усилители,
Передатчики, слуховые аппараты, игрушки и промышленные устройства управления производились в огромных количествах.
Но по-прежнему требовалось множество схем, в которых использовались только высокоомные электронные лампы.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?
могли пополнить счет, и многие конструкторы тосковали по чудо-устройству — транзистору.
с трубчатыми характеристиками.

Со временем транзисторы становились все лучше и лучше.Номинальное выходное напряжение и ток
были расширены, как и верхние пределы рабочей частоты. Но как бы то ни было
более новые транзисторы были усовершенствованы, они сохранили основные характеристики более ранних
типы.

Тем временем в лаборатории ученые экспериментировали с новым твердотельным
устройство, основанное на молекулярном принципе, описанном Лилиенфельдом еще в 1928 году. Шокли,
один из соавторов оригинального транзистора, предложил практичный транзисторный
устройство, основанное на принципе Лилиенфельда еще в 1948 г., но только в середине
1950-х годов, когда в лабораториях было разработано работоспособное устройство, практичное и надежное.
единицы не производились до начала 1960-х годов.

Новое устройство сочетает в себе самые желанные особенности универсальной вакуумной лампы и
работоспособный транзистор. Он имел высокое входное сопротивление и хорошую изоляцию между
входные и выходные электроды. Способный к большому усилению, он был в то же время таким же маленьким
как обычные транзисторы и чрезвычайно эффективны. И, как ни странно, выставили
хотя бы одна из важных рабочих характеристик вакуумной лампы — контроль
тока с помощью переменного электрического поля — в твердотельной среде, а не в
в вакууме.

Рис. 4 — Диффузия областей p-типа в подложку n-типа обеспечивает
средство управления током между электродами истока и стока.

Рис.5 — При обратном смещении затвора создается электрическое поле.
для отражения текущих носителей, создавая область истощения и ограничивая область, в которой
текущие потоки.

Рис.6 — По мере увеличения смещения обратного затвора области истощения расширяются
в канал, пока они не встретятся, создавая почти бесконечное сопротивление между источником
и слить.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Обозначается разными именами — полевой транзистор, униполярный транзистор и т. Д.
В период своего созревания устройство теперь известно как полевой транзистор (FET). Это
действительно, транзистор, который «думает» и «действует» как лампа.

Познакомьтесь с г.FET. Графическое и схематическое изображение триодной вакуумной лампы, разветвления.
транзистор и полевой транзистор показаны на рис. 1–3. Из
три схематических символа, символ полевого транзистора в настоящее время наименее стандартизирован.

В вакуумной лампе (рис. 1) ток пластины — это просто поток свободных электронов, который
буквально «выкипают» с катода нагретой нитью накала (в некоторых мощных
трубки, нить используется напрямую) и притягиваются положительно смещенной пластиной.Электроны, покидающие катод, должны проходить через промежуточную сетку.

Отрицательное смещение в сети создает электрическое поле, которое имеет тенденцию отталкивать
электроны текут от катода к пластине, ограничивая ток пластины. Пластинчатый ток
в определенных пределах может также регулироваться пластинчатым напряжением. Однако, поскольку сетка
e намного ближе к катоду, чем пластина, меньшее изменение напряжения на сетке имеет
по существу такое же или большее влияние на ток пластины, чем большее изменение в
пластина напряжения.Именно эта характеристика позволяет электронной лампе усиливать сигнал.

Насыщение тока пластины происходит, когда пластина притягивает все доступные свободные электроны.
По достижении этой точки дальнейшее увеличение напряжения на пластине не вызывает соответствующего
увеличение тока пластины.

Базовый переходной транзистор (рис. 2) состоит из трех слоев сэндвич двух разных
полупроводниковые материалы. Здесь ток эмиттер-коллектор состоит из движения
два типа частиц: электроны, которые заряжены отрицательно, и «дырки» (по сути,
отсутствие электрона в стабильной кристаллической структуре), которые несут
положительный заряд.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Если электроны преобладают, их называют основными носителями и
неосновные носители дырок, причем материал идентифицирован как полупроводник n-типа.
Точно так же материал, в котором преобладают положительные отверстия, называется материалом p-типа.
полупроводник.

Ток эмиттер-коллектор транзистора контролируется введением неосновной
перевозчиков в базовый регион. Так как база довольно тонкая, сравнительно небольшой ток
изменение может управлять гораздо большим током эмиттер-коллектор.Переходной транзистор,
то есть устройство усиления или контроля тока, в отличие от вакуумной лампы, которая
по сути является усилителем напряжения. Кроме того, поскольку базовый ток, пусть и минутный,
важно для работы, устройство должно иметь низкий входной импеданс.

Базовый полевой транзистор состоит из пластины полупроводника n- или p-типа.
материал с электродом на каждом конце и двумя электродами по бокам, как показано
на рис.3. Обратите внимание на то, что боковые электроды связаны вместе и, таким образом, действуют как
одиночный элемент. По соглашению терминал, в который подается ток, называется
исток, а выходная клемма называется стоком. Остающийся электрод, который
служит элементом управления, называется затвором. Обратите внимание на различия в терминологии полевых транзисторов.
от электронных ламп и переходных транзисторов.

Рис.7 — JFET может быть изготовлен путем рассеивания затворов p-типа на любом
сторону подложки n-типа, а затем прикрепите подходящие электроды.

Рис. 8 — Этот транзисторный полевой транзистор имеет несимметричную конструкцию. Здесь,
канал n-типа формируется только на одной стороне подложки p-типа путем фотомаскировки,
травление и примесные диффузионные процессы. Поверхность покрыта изоляционным материалом.
оксидный слой, через который прорезаются отверстия для электродных соединений.

Рис.9 — Поперечный разрез полевого транзистора с изолированным затвором.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?
(IGFET) показывает металлические контакты затвора, изолированные тонким слоем оксида, которые вместе
с полупроводниковым каналом образует конденсатор. Металлические контакты служат одной пластиной.
в то время как материал подложки служит другой пластиной конденсатора.

Как работает полевой транзистор. Основной переходной полевой транзистор (JFET) представляет собой стержень из легированного кремния.
ведет себя как обычный резистор.Обратитесь к рис. 4 и предположите, что полевой транзистор выполнен
подложка (материал) n-типа. Тогда ток через устройство будет в основном состоять из
электронов в качестве основных носителей. Рассмотрим, что происходит, когда постоянный ток напряжение приложено
к электродам истока и стока, а затвор находится под нулевым смещением. В этих условиях
устройство ведет себя более или менее как обычный резистор. В определенных пределах, исток-сток
ток прямо пропорционален приложенному напряжению.

Теперь предположим, что к затвору приложено обратное смещение.(Это будет напряжение
такая же полярность, как у большинства носителей; то есть отрицательный для материала n-типа, положительный
для материала p-типа.) Напряжение на затворе создаст электрическое поле, чтобы оттолкнуть
носители тока и ограничивают область, через которую они протекают. Это действие показано
на рис. 5. По сути, токопроводящий канал обеднен носителями тока внутри
области, непосредственно прилегающие к электроду затвора. Вполне логично, что регионы, где
текущее движение ограничено, называются зонами истощения (иногда их называют
как зоны или регионы, а не как области).

Дальнейшее увеличение смещения обратного затвора приводит к дальнейшему расширению обедненных областей, так как
6, что дополнительно снижает ток сток-исток. Таким образом, с заданным фиксированным затвором
смещения ток стока будет изменяться в зависимости от сигнала, подаваемого на затвор. Отметим также, что
поскольку затвор имеет обратное смещение, полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс, когда
слабый ток стока или его отсутствие.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Полевой транзистор в этом канале ведет себя как вакуумная трубка.
ток регулируется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе.

Рассмотрим, что происходит, когда смещение затвора равно нулю, а напряжение исток-сток постепенно увеличивается.
повысился. До определенного момента ток стока будет увеличиваться линейно, как в резисторе. Тем не мение,
ток стока, протекающий по каналу, создает внутреннее обратное смещение вдоль
поверхность ворот. Это, в свою очередь, создает электрическое поле, которое вызывает постепенное
увеличение площадей истощения аналогично эффекту от применения
смещение внешнего затвора.В конце концов, увеличение площадей истощения, которое имеет тенденцию к
ограничивает ток стока, достигает точки, в которой он уравновешивает увеличение тока стока.
С этого момента не может быть дальнейшего увеличения тока стока независимо от дальнейших действий.
увеличение напряжения сток-исток.

Рис.10 — Условные обозначения, используемые в настоящее время для полевых транзисторов
включают (a) n-канальный JFET, (b) p-канальный JFET, и (c) одну форму p-канального IGFET.

Рис. 11 — Вольтметр на полевом транзисторе с согласованной парой кремнийорганических соединений Siliconix
Полевые транзисторы U112 в схеме дифференциального усилителя имеют чувствительность 0,5 — 1,0 вольт.
полная шкала.

Фактически, ток стока достиг насыщения (это должно быть знакомым термином!).
Точка, в которой происходит это ограничение тока, называется отсечкой сток-исток.
Напряжение. И есть, как вы могли догадаться, напряжение отсечки для любого заданного смещения затвора.Конечно, при более высоких напряжениях смещения затвора отсечение происходит при гораздо меньших токах стока.

Если ток стока отображается в зависимости от напряжения сток-исток для заданного смещения затвора,
Построена характеристическая кривая полевого транзистора. Семейство таких кривых можно получить, построив график
зависимость тока сток-исток от напряжения сток-исток для ряда различных напряжений смещения затвора.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?
По сравнению с соответствующими семействами характеристических кривых вакуумных трубок, типичный
Было обнаружено, что полевой транзистор имеет характеристики, которые практически идентичны характеристикам пентода.
вакуумная труба.

Семейство полевых транзисторов. Полевые транзисторы производятся с использованием современных технологий.
практически идентичны тем, которые используются при изготовлении знакомого переходного транзистора.
Например, полевой транзистор может быть собран путем диффузии или легирования затворов p-типа с обеих сторон.
подложки n-типа, а затем прикрепить подходящие металлические электроды, придавая внешний вид
Рис. 7.

С производственной точки зрения, часто проще провести все распространение и переработку.
операции с одной стороны подложки.Этот тип односторонней конструкции
показано на рис. 8. Производство начинается с пластины из материала p-типа. Фото-маскировка,
Процессы травления и диффузии примесей образуют канал n-типа на одной стороне материала.
Затем вентиль p-типа рассеивается в канал n-типа, и вся поверхность покрывается
с изолирующим защитным оксидным слоем, с отверстиями, протравленными через оксид для
окончательные соединения металлических электродов.

Если вы носили свою «мыслящую шапку», вам может быть интересно, в этот момент,
почему электрод затвора электрически соединен с материалом канала.После всего,
затвор имеет обратное смещение при использовании, в результате чего p-n переход ведет себя так, как если бы он был
диэлектрик. Кроме того, работа устройства основана на наличии различных
электрическое поле на затворе, а не при движении носителей тока от затвора
в регион канала.

Так почему бы не утеплить ворота? Хороший вопрос, но кто-то уже думал об этом раньше.
Фактически, полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) на самом деле производятся несколькими
основные производители.Один из типов конструкции показан на рис. 9. Здесь ворота
изолирован тонким слоем оксида.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Металлическая поверхность затвора накладывается на оксид
и вместе с изолирующим оксидным слоем и полупроводниковым каналом образует
конденсатор. Металлическая поверхность служит верхней пластиной конденсатора, а подложка
материал — нижняя пластина.

В некоторых случаях IGFET собираются как тетродные устройства с корпусом подложки.
(часто обозначаемый как вентиль 2), подключенный к отдельному электроду.Так как сток и исток
изолированы от подложки, любой ток сток-исток при отсутствии напряжения затвора
чрезвычайно низка, потому что электрически структура эквивалентна двум подключенным диодам.
спина к спине.

Таблица 1 — JFET для экспериментатора

полевые транзисторы с изолированным затвором имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление — фактически выше, чем у полевых транзисторов с изолированным затвором.
много электронных ламп — но они очень чувствительны к паразитным электрическим зарядам и не могут быть разрушены
статическим телом.Входные импедансы выше 10 миллионов МОм не редкость. Производители
обычно оборачивают выводы IGFET металлической фольгой или поставляют их со скрепленными вместе выводами.
металлической петлей в качестве защитной меры. При установке необходимо соблюдать особую осторожность,
проводка и тестирование IGFET для предотвращения его разрушения.

Переходный полевой транзистор (JFET), показанный на рис. 7 и 8 могут быть выполнены как
n-канальное или p-канальное устройство. Как и в случае с обычными переходными транзисторами, JFET-транзисторы
идентифицируются слегка измененными схематическими обозначениями, показанными на рис.10 (а) и 10 (б).
Если исток считается общим, n-канальный полевой транзистор требует положительного напряжения стока.
и отрицательное смещение затвора; полевой транзистор с p-каналом работает с отрицательным напряжением стока.
и положительное смещение затвора.

Как показано на рисунке 10 (c), IGFET идентифицируется совершенно другим символом. Этот
общий тип полевого транзистора предлагается в двух основных формах и во многих отдельных типах с различными
электрические характеристики и рабочие характеристики.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Однако в отличие от JFET
данный IGFET может потребовать либо положительного, либо отрицательного смещения затвора относительно его
источник, в зависимости от режима работы.

Помимо обычных полевых транзисторов, ряд светочувствительных полевых транзисторов производят
производителей. Они называются фото-полевыми транзисторами, они похожи на обычные полевые транзисторы, но оснащены
с прозрачными линзами, которые фокусируют внешний свет на чувствительных участках поверхности. В
photoFET ​​может быть до десяти раз более чувствительным, чем фототранзистор на переходе, и имеет
лучший коэффициент усиления полосы пропускания, в дополнение к исключительной изоляции между входами
и выходная схема.

Терминология. Как и в случае с любой новой технологией, для описания полевых транзисторов используется ряд терминов.
устройства и их характеристики. Некоторые термины используются в основном производителями, другие
в основном проектировщиками схем. К сожалению, термины и символы еще не были
полностью стандартизирован, поэтому разные производители могут использовать разные термины
и символы, обозначающие одно и то же.

На ранних этапах своего развития полевой транзистор назывался разными именами.В разное время он назывался полевым транзистором, UNIFET и униполярным полевым транзистором.
Термины UNIFET и Unipolar были выведены из однопереходной конструкции
Полевой транзистор в отличие от двухпереходной (или биполярной) конструкции переходного транзистора.

Рис. 12. Этот высокочастотный кварцевый генератор, использующий
Полевой транзистор с p-каналом Siliconix 2N2608 имеет полезный рабочий диапазон 1 мегагерц.

Рис.13. Модифицированный регулятор тембра Hi-Fi Baxandall использует один p-канал.
Полевой транзистор (Siliconix 2N2843). Предусмотрены отдельные регуляторы низких и высоких частот.

Рис. 14. Однозначно не рекомендуется для экспериментатора, этот одноступенчатый
предусилитель оснащен полевым транзистором с изолированным затвором (IGFET).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Имя Fieldistor сегодня практически устарело. И другие имена тоже, хотя
одна фирма до сих пор называет свою продукцию UNIFETS.Как правило, агрегаты соединительного типа
просто называемые полевыми транзисторами, хотя некоторые фирмы используют более конкретное обозначение JFET.

Полевые транзисторы с изолированным затвором также называют МОП-транзисторами в знак признания
важность изоляционной пленки металл-оксид-полупроводник (MaS), используемой в их конструкции.
Но некоторые разработчики называют одно и то же устройство просто MOST. Последнее могло привести к
такое выражение, как «Гоша, мистер ФЕТ, вы САМЫЙ».

Иногда полные выражения, используемые для идентификации конкретного транзистора, могут предполагать
внушающая трепет длина.Например, в таблице данных одной фирмы указывается конкретное подразделение.
как — задержите дыхание — малошумящий n-канальный эпитаксиальный планарный кремниевый тетрод с полевым эффектом
транзистор!

Кроме того, не все производители описывают свою продукцию с использованием одинаковых спецификаций.
Параметр, который одна компания считает важным, может быть полностью проигнорирован
еще один. Однако, как правило, большинство производителей предоставляют максимальное напряжение.
номинальные значения, входная и выходная емкости, максимальная рассеиваемая мощность и типичная отсечка затвора
Текущий.Многие даже указывают прямую крутизну общего источника (в мкмос, как
в характеристиках трубок) для типичных условий эксплуатации.

Естественно, по-прежнему делаются ссылки на n-канальные или p-канальные типы, а также на
режимы работы с улучшением или истощением. Тот факт, что как n-, так и p-канальные типы
позволяет использовать полевые транзисторы в различных дополнительных схемах, что является характеристикой
что полевые транзисторы не имеют общего с электронными лампами.

Некоторые фирмы, стремясь упростить дело, адаптировали обозначения типов для обозначения
предполагаемый режим работы устройства.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Таким образом, полевые транзисторы типа A характеризуются
работа в режиме истощения; Тип B предназначен для режимов истощения или улучшения;
и, наконец, обозначение типа C зарезервировано строго для типов расширенного режима.
Но не путайте эти обозначения с усилителями класса A, B или C!

Типичные приложения на полевых транзисторах. С высоким входным и выходным сопротивлениями и другими ламповыми
рабочие характеристики, полевые транзисторы можно рассматривать как почти твердотельные эквиваленты
электронных ламп и может использоваться в практически идентичных цепях при условии номинальной мощности
наблюдаются.Конфигурация с общим источником является наиболее популярной и соответствует
схема схемы с лампой с общим катодом. Типичные схемы полевых транзисторов показаны на
Рис. С 11 по 14.

Рисунок 11 — вольтметр на полевом транзисторе с согласованной парой полевых транзисторов с р-каналом (Q1 и Q2).
в схеме дифференциального усилителя. В целом вольтметры на полевых транзисторах выгодно отличаются
с качественными VTVM.

Показан высокочастотный кварцевый генератор, использующий полевой транзистор с каналом p-типа.
на рис.12. Смещение затвора обеспечивается, как и в цепи вакуумной лампы, истоковым резистором R2,
обойден C2. Обратная связь, необходимая для запуска и поддержания колебаний, обеспечивается
межэлектродная емкость полевого транзистора, а также возможности паразитной проводки.

На рисунке 13 показан одиночный полевой транзистор Q1 с p-каналом в модифицированном Hi-Fi тоне Баксандала.
схема управления, которая может использоваться как часть центра управления стерео. Потенциометр R2
служит регулятором низких частот, а R5 — регулятором высоких частот.

Наконец, простая схема предусилителя с использованием IGFET (MOSFET или MOST, на ваш выбор)
приведен на рис. 14. Здесь смещение затвора обеспечивается резистором R1 сопротивлением 22 МОм, возвращенным обратно.
к дренажному электроду.

Эти схемы иллюстрируют некоторые из многих практических применений полевого транзистора.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Они
не предназначены для использования в строительных проектах, как показано, поскольку некоторые значения компонентов
возможно, придется изменить, чтобы компенсировать использование разных полевых транзисторов.В любом случае только
опытный специалист должен попытаться использовать IGFET в приложении, показанном на
Рис. 14. Практические проекты FET будут рассмотрены в следующих выпусках.

Одно можно сказать наверняка: мистер ФЕТ — настоящий «желающий», и его ждет блестящее будущее!

Опубликовано: 14 декабря, 2018

От ламп до транзисторов — История компьютера 101: Разработка ПК

От ламп к транзисторам

От UNIVAC до новейших настольных ПК эволюция компьютеров продвигалась очень быстро.Компьютеры первого поколения были известны тем, что в их конструкции использовались электронные лампы. В следующем поколении будет использоваться транзистор гораздо меньшего размера и более эффективный.

From Tubes …

Любой современный цифровой компьютер в значительной степени представляет собой набор электронных переключателей. Эти переключатели используются для представления и управления маршрутизацией элементов данных, называемых двоичными цифрами (или битами) . Из-за того, что двоичная информация и маршрутизация сигналов, которые использует компьютер, включены или выключены, потребовался эффективный электронный переключатель.Первые электронные компьютеры использовали вакуумные лампы в качестве переключателей, и хотя лампы работали, у них было много проблем.

Три основных компонента базовой триодной вакуумной лампы.

Тип лампы, который использовался в ранних компьютерах, назывался триодом и был изобретен Ли Де Форестом в 1906 году. Он состоит из катода и пластины, разделенных управляющей сеткой, подвешенных в стеклянной вакуумной трубке. Катод нагревается докрасна электрической нитью накала, которая заставляет его испускать электроны, которые притягиваются к пластине.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Управляющая сетка в центре может управлять этим потоком электронов. Делая его отрицательным, вы заставляете электроны отталкиваться обратно к катоду; делая это положительным, вы заставляете их привлекаться к тарелке. Таким образом, управляя током сети, вы можете управлять включением / выключением выхода пластины.

К сожалению, в качестве переключателя трубка оказалась неэффективной. Он потреблял много электроэнергии и выделял огромное количество тепла — серьезная проблема в более ранних системах. В первую очередь из-за выделяемого тепла трубки были заведомо ненадежны — в более крупных системах одна выходила из строя каждые пару часов или около того.

… К транзисторам

Изобретение транзистора было одним из важнейших событий, приведших к революции персональных компьютеров. Транзистор был изобретен в 1947 году и объявлен в 1948 году инженерами Bell Laboratory Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Сотрудник Bell Уильям Шокли изобрел переходной транзистор несколько месяцев спустя, и все трое совместно разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора. Транзистор, который по сути функционирует как твердотельный электронный переключатель, заменил менее подходящую вакуумную лампу.Поскольку транзистор был намного меньше и потреблял значительно меньше энергии, компьютерная система, построенная на транзисторах, также была намного меньше, быстрее и эффективнее, чем компьютерная система, построенная на электронных лампах.

Переход с ламп на транзисторы положил начало тенденции к миниатюризации, которая продолжается и по сей день. Сегодняшние небольшие портативные ПК (или нетбук, если хотите) и даже системы планшетных ПК, которые работают от батарей, обладают большей вычислительной мощностью, чем многие предыдущие системы, которые заполняли комнаты и потребляли огромное количество электроэнергии.

Несмотря на то, что за прошедшие годы было разработано множество конструкций транзисторов, в современных компьютерах обычно используются полевые транзисторы (MOSFET) Metal Oxide Semiconductor.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? МОП-транзисторы изготовлены из слоев материалов, нанесенных на кремниевую подложку. Некоторые из слоев содержат кремний с определенными примесями, добавленными в результате процесса, называемого легированием или ионной бомбардировкой, тогда как другие слои включают диоксид кремния (который действует как изолятор), поликремний (который действует как электрод) и металл, который действует как провода для подключите транзистор к другим компонентам.Состав и расположение различных типов легированного кремния позволяют им действовать и как проводник, и как изолятор, поэтому кремний называется полупроводником.

MOSFET могут быть сконструированы как типы NMOS или PMOS , в зависимости от расположения используемого легированного кремния. Кремний, легированный бором, называется P-типом (положительным), потому что в нем отсутствуют электроны, тогда как кремний, легированный фосфором, называется N-типом (отрицательным), потому что он имеет избыток свободных электронов.

МОП-транзисторы имеют три соединения: исток, затвор и сток. Транзистор NMOS сделан с использованием кремния N-типа для истока и стока, с кремнием P-типа, помещенным между ними. Затвор расположен над кремнием P-типа, разделяя исток и сток, и отделен от кремния P-типа изолирующим слоем диоксида кремния. Обычно между кремнием N-типа и P-типа нет тока, что предотвращает прохождение электронов между истоком и стоком.Когда на затвор подается положительное напряжение, электрод затвора создает поле, которое притягивает электроны к кремнию P-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний N-типа, создавая путь для прохождения тока и включая транзистор.

NMOS-транзистор в разрезе.

Транзистор PMOS работает аналогичным, но противоположным образом. Кремний P-типа используется для истока и стока, а кремний N-типа расположен между ними.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Когда на затвор подается отрицательное напряжение, электрод затвора создает поле, которое отталкивает электроны от кремния N-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет поведение этой области, как если бы это был кремний P-типа, создавая путь для прохождения тока и включая транзистор.

Когда полевые транзисторы NMOS и PMOS объединены в комплементарную схему, мощность используется только тогда, когда транзисторы переключаются, что делает возможным создание плотных схем с низким энергопотреблением.По этой причине практически все современные процессоры разработаны с использованием технологии CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

По сравнению с лампой, транзистор намного эффективнее переключателя и может быть уменьшен до микроскопических размеров. С момента изобретения транзистора инженеры стремились делать его все меньше и меньше. В 2003 году исследователи NEC представили кремниевый транзистор размером всего 5 нанометров (миллиардных долей метра). Другие технологии, такие как Graphene и углеродные нанотрубки , исследуются для производства еще меньших транзисторов, вплоть до молекулярного или даже атомного масштаба.В 2008 году британские исследователи представили транзистор на основе графена толщиной всего 1 атом и шириной 10 атомов (1 нм), а в 2010 году исследователи IBM создали графеновые транзисторы, переключающиеся со скоростью 100 гигагерц, тем самым проложив путь для будущих чипов, более плотных и плотных. быстрее, чем это возможно с конструкциями на основе кремния.

Интегральные схемы: новое поколение

Третье поколение современных компьютеров известно тем, что в них используются интегральные схемы вместо отдельных транзисторов.Джеку Килби из Texas Instruments и Роберту Нойсу из Fairchild приписывают изобретение интегральной схемы (ИС) в 1958 и 1959 годах. ИС представляет собой полупроводниковую схему , которая содержит более одного компонента на одной базе (или материал подложки) , которые обычно соединяются между собой без проводов.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Первый прототип ИС, созданный Килби в TI в 1958 году, содержал только один транзистор, несколько резисторов и конденсатор на единой германиевой пластине, а также имел тонкие золотые «летающие провода» для их соединения.Однако из-за того, что подвесные тросы приходилось прикреплять по отдельности, такая конструкция была непрактичной в изготовлении. Для сравнения, Нойс запатентовал «планарную» конструкцию ИС в 1959 году, когда все компоненты рассеиваются или вытравлены на кремниевой основе, включая слой межсоединений из металлического алюминия. В 1960 году Fairchild сконструировал первую планарную микросхему IC , состоящую из триггерной схемы с четырьмя транзисторами и пятью резисторами на круглой матрице размером всего около 20 мм 2 .Для сравнения: четырехъядерный процессор Intel Core i7 включает 731 миллион транзисторов (и множество других компонентов) на одном кристалле размером 263 мм 2 !

Транзистор в трубке: путь к трехмерной биоэлектронике

ВВЕДЕНИЕ

Клеточные анализы широко используются для открытия лекарств, а также для понимания молекулярных механизмов болезней в течение нескольких десятилетий. Хотя большинство методов основаны на оптических преобразователях, электрическое преобразование, возможно, является чрезвычайно богатым данными и динамическим средством взаимодействия с клетками.Большинство электрических измерений до сих пор сосредоточено на электрофизиологическом взаимодействии с электрогенными клетками (например, нейронами или тканями сердца) ( 1 , 2 ). Тем не менее, существует значительный объем работ с использованием методов электрического импеданса для мониторинга таких разнообразных свойств клеток, как адгезия к микродвижению, неинвазивным способом без меток, благодаря новаторской работе Giaever и Keese ( 3 ). Транзисторы, которые многие считают революционным изобретением, открывшим эру микроэлектроники, могут использоваться в качестве преобразователей биологических сигналов при интеграции с электролитами ( 4 ).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? В качестве транзисторов с электролитным затвором органические электрохимические транзисторы (OECT) были особенно популярны для биотрансдукции, поскольку они могут преобразовывать биологические сигналы в электрические выходные сигналы, используя очень низкие рабочие напряжения ( 5 ). OECT использует органическую полупроводниковую пленку в канале, контактирующем с электролитом (биологической средой), потенциал которого модулируется электродом затвора. Работа OECT основана на проникновении ионов электролита в канал и их способности изменять состояние легирования и, следовательно, проводимость канала.Отличительной особенностью этих устройств является то, что взаимодействие ионов с каналом охватывает большую часть органического электронного канала, что приводит к большому усилению модуляции затвора ( 6 ). Таким образом, OECT интегрированы в различные платформы биохимических датчиков, включая имплантируемые матрицы, которые записывают сигналы от электрически активных клеток с рекордно высокой чувствительностью ( 7 ), или платформы in vitro, которые измеряют концентрации метаболитов в физиологических жидкостях ( 8). 10 ).Таким образом, было показано, что OECT, непосредственно взаимодействующие с культурами клеток, оценивают целостность и здоровье барьерных (неэлектрогенных) клеток со степенью превосходства над традиционными платформами измерения электрохимического импеданса с использованием электродов ( 11 ). В этих измерениях клетки, растущие в канале, препятствуют ионному потоку между электролитом и каналом и изменяют производительность устройства. В то время как первые зарегистрированные OECT были основаны на полипирроле ( 12 ), материалом рабочей лошадки, обычно используемым в качестве канала, является проводящий полимер поли (3,4-этилендиокситиофен), легированный полистиролсульфонатом (PEDOT: PSS) из-за его заметная стабильность в окисленной и восстановленной формах.Это особенно важно для приложений на основе клеток, его оптическая прозрачность и способность к функционализации поверхности позволяют проводить параллельную оптическую и электрическую оценку клеток ( 13 ), а также контролировать прикрепление и рост клеток на их поверхности ( 14 ).Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Хотя большинство биологических преобразователей включают [двумерные (2D)] монослои клеток, культивируемых на плоских субстратах, растет признание того, что данные, полученные с помощью подходов плоской биологии, могут вводить в заблуждение.Трехмерные подходы к культивированию клеток в настоящее время широко распространены и принимаются сообществом «орган на чипе» для поиска лекарств и токсикологических анализов, относящихся к человеку ( 15 17 ). Следовательно, было разработано большое количество трехмерных моделей, которые лучше имитируют физиологию in vivo, включая сфероиды, органоиды и каркасы, причем последние обычно представляют собой пористую матрицу поддержки клеток, состоящую из синтетических материалов или биополимеров ( 18 , 19 ). Интеграция этих сложных систем с электрическими преобразователями ограничена плоскими электродами ( 20 23 ), что несовместимо с точным контролем функций этих сложных моделей.Однако, как недавно было продемонстрировано, возможность изготовления из проводящих полимеров механически мягких гидрогелей и каркасов ( 24 ) открывает новые захватывающие возможности для интеграции электропроводящих материалов с трехмерными клеточными культурами ( 25 27 ). Ранее была показана интеграция каркасов в OECT, но большой размер устройств означал очень низкие скорости и низкую трансдуктивность, а мониторинг клеток не был показан ( 26 ). Недавно мы впервые продемонстрировали использование каркасов PEDOT: PSS для одновременного размещения и мониторинга (посредством импеданса) сокультуры роста клеток млекопитающих в их пористой архитектуре ( 28 ).Мы были вдохновлены подходами тканевой инженерии к выращиванию клеток в трехмерном пространстве на пористых каркасах с механическими и биохимическими сигналами, обеспечивающими рост клеток, но с добавлением электрических функций благодаря проводящему полимеру. Такое трехмерное электродное устройство предлагает расширенные возможности восприятия; однако выделить критические параметры из комплексного спектра импеданса довольно сложно.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы?

Продолжая эту работу, здесь мы покажем использование трехмерных макропористых каркасов в конфигурации OECT для динамического мониторинга роста клеточных культур.Мы демонстрируем простую настройку этих каркасов с точки зрения электрических, механических и биохимических свойств благодаря процессу лиофилизации in situ, который мы адаптировали для сборки каркасов внутри жидкостных трубок. Трубчатая структура способствует газообмену и доставке свежей среды к клеткам, которые растут внутри каркаса, в некоторой степени напоминающих кровеносные сосуды. Мы демонстрируем, что клетки легко растут и образуют тканеподобную архитектуру внутри проводящего полимерного каркаса, составляющего канал транзистора.Формирование ткани постепенно модулирует электронные свойства проводящего полимерного каркаса, о чем свидетельствуют изменения как в установившихся, так и в переходных характеристиках устройства. Сопоставляя изменения в характеристиках транзистора с адгезией и ростом клеток с течением времени, мы извлекаем полезную информацию о формировании ткани. Этот динамический и «живой» электронный инструмент без этикеток демонстрирует потенциал этих каркасов для мониторинга трехмерной клеточной культуры в реальном времени и совместимость с использованием в долгосрочных платформах «орган на чипе».

РЕЗУЛЬТАТЫ

Самым распространенным и относительно простым методом придания полимеру трехмерной структуры является сублимационная сушка (известная как лиофилизация) ( 29 , 30 ). Используя эти процессы, можно получить отдельно стоящие макропористые каркасы из водных растворов / дисперсий полимеров с механической стабильностью и пористостью, регулируемыми составом материала и условиями обработки. Кроме того, поскольку основной материал находится в жидкой форме, можно регулировать размеры получающейся затвердевшей структуры с помощью формы, в которой она отливается.Это обеспечивает беспрецедентную простоту изготовления, а также большую универсальность для проектирования платформ на основе этих трехмерных материалов с макроскопическими порами.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? В нашей предыдущей работе ( 28 ) жидкостная трубка была интегрирована с относительно большим каркасом на основе PEDOT: PSS (с использованием кюветы в качестве формы) для обеспечения гомогенного накопления клеток внутри каркаса, а также для обеспечения непрерывной перфузии необходимых питательных веществ. для роста клеток в течение нескольких дней ( 31 , 32 ). Теперь мы перевернули и уменьшили эту концепцию и разработали платформу трехмерного мониторинга ячеек на основе трубчатой ​​Т-образной конструкции с электродами истока, стока и затвора, встроенными внутри жидкостной системы.Такая геометрия позволяет интегрировать трехмерный проводящий канал (трехмерный проводящий полимерный каркас) внутри трубки, что одновременно обеспечивает возможность перфузии с легким взаимодействием со стандартными жидкостными системами. Маршрут изготовления «транзистор-в-лампе» («тубистор») и архитектура устройства показаны на рис. 1, A и B, соответственно. Два одноосных конца устройства действуют как входные и выходные порты, в то время как центральное отверстие используется для интеграции электродов исток-сток.Электрод затвора (например, Pt-сетка или проволока из Ag / AgCl) устанавливается в удлинении трубки рядом с входным отверстием. Трехмерный канал тубистора состоит из пористого каркаса из PEDOT: PSS, сформированного на месте с помощью процесса сублимационной сушки, как описано в другом месте ( 26 ). Вкратце, процесс включает замораживание водного раствора полимера с контролируемой скоростью с последующей сублимацией кристаллов льда в условиях высокого вакуума. Это приводит к пористой матрице с высоким отношением поверхности к объему и обширной трехмерной сетью взаимосвязанных пор.Схематическое изображение морфологического перехода, вызванного процессом сублимационной сушки, показано на рис. S1. Размеры производимых трубчатых каркасов определяются внутренним диаметром трубки, а их размер можно регулировать, контролируя вводимый объем. Тубистор запирается через жидкий электролит, который перекрывает основную часть полимерного каркаса и электрода затвора.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Несмотря на значительно большую геометрию транзистора и «громоздкую» морфологию PEDOT: PSS, механизм работы тубистора идентичен таковому у 2D OECT ( 5 , 6 , 33 ).В случае OECT смещение на электроде затвора вводит ионы электролита в канал, что приводит к изменению окислительно-восстановительного состояния проводящего полимера. В случае каркасов PEDOT: PSS при приложении положительного смещения затвора катионы из электролита вводятся в сложную матрицу (состоящую из пар сульфонат-аниона и дырки), и анионы компенсируются. Это вызывает удаление дырок и, как следствие, уменьшение тока стока (т. Е. Дедопирование PEDOT: PSS) (проиллюстрировано на рис.1Б). Передаточные и выходные характеристики тубистора показывают уменьшение тока стока с напряжением затвора, что соответствует работе в режиме истощения (рис. 1, D и E). На основе модели, предложенной Ривнаем с соавторами, крутизна ОЭКТ зависит от объемной емкости канала и напрямую зависит от геометрических характеристик ( 6 , 34 ). Учитывая, что объем канала PEDOT: PSS в тубисторе в несколько сотен раз больше, чем в типичных устройствах центробежного литья ( 33 ), ожидаются высокие значения крутизны и низкие скорости переключения.Несмотря на большую длину канала (> 500 мкм), было обнаружено, что крутизна типичного тубистора превышает значения 12 мСм из-за большой ширины и общей толщины. Коммутационная способность транзисторов была исследована с использованием импульсных напряжений на электроде затвора (рис. 1F). Подбирая переходный процесс тока стока, вызванный импульсом напряжения на затворе, мы оценили время отклика (τ) транзисторов. Как правило, тубисторы давали низкую скорость переключения, с экспоненциальным временем нарастания, часто превышающим ~ 1.5 с. Кроме того, наблюдалось асимметричное поведение между режимом дедопирования ( В, GS = 0,2 В) и восстановлением тока ( В, GS = 0 В) (рис. S2). Это изменение отражается в соотношении значений времени отклика двух режимов τ rec / τ dedop, , которое оказалось равным примерно 1,4.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Этот результат указывает на то, что процесс восстановления (при В, GS = 0 В) происходит медленнее, чем дедопирование, и может быть объяснен более медленным дрейфом катионов из объема полупроводника в электролит из-за захвата ионов.

Рис. 1. Простые в изготовлении 3D-проводящие полимерные транзисторы в лампе: Tubistor.

( A ) Схематическое изображение процесса изготовления. ( B ) Схематическое изображение конструкции устройства. Устройство состоит из трех основных частей: (i) трубчатая полость с тремя отверстиями (два из них предназначены для контактов и электрода затвора, а другое — для перфузии), (ii) гибкие электроды с покрытием из золота, используемые в качестве источника. (S) и дренажный (D) контакты канала, закрепленные внутри трубки, и (iii) каркас PEDOT: PSS в качестве канала с электродом затвора, встроенным в трубку.Чтобы облегчить визуализацию канала, вид в разрезе показывает, как электроды размещаются внутри каркаса. На схеме показан процесс дедопирования внутри канала, когда катионы из электролита вводятся в каркас 3D PEDOT: PSS. ( C ) Фотография тубистора с увеличенным изображением проводящего каркаса внутри трубки. Фотография предоставлена ​​Харалампосом Питсалидисом. ( D ) Выходные кривые транзистора, показывающие зависимость тока стока ( I DS ) от напряжения стока ( В, DS ) для напряжения затвора ( В, GS ) в диапазоне от 0 до 0.6 В. ( E ) Передаточные характеристики и соответствующая крутизна ( г м ) типичного тубистора при В DS = -0,6 В. ( F ) Переходный отклик тубистора на периодический прямоугольные импульсы затвора ( В, GS = 0,2 В в течение 10 с) при В DS = -0,2 В. Электролит представлял собой 0,1 М водный раствор NaCl. Расстояние между электродами исток-сток ( L *) в этом конкретном устройстве составляло примерно 1 мм, а ширина ( W, *) каркаса составляла 4 мм.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Диаметр ( D ) трубчатого каркаса составлял ~ 1,5 мм.

Учитывая высокое отношение поверхности к объему каркасов, мы полагаем, что управление пористыми трехмерными транзисторами электролитом является более сложной задачей по сравнению с планарными OECT. Таким образом, выбор электрода затвора имеет решающее значение, и необходимо найти хороший баланс между биосовместимостью и эффективностью стробирования ( 35 ). Для характеристики тубисторов использовался неполяризуемый электрод, такой как Ag / AgCl, поскольку падение напряжения на электроде затвора / электролите минимально.Несмотря на широкое использование Ag / AgCl в электрофизиологии, его цитотоксичность была доказана долгосрочными клеточными исследованиями ( 36 ). Альтернативной стратегией является использование электрода затвора большой емкости, такого как PEDOT: PSS. Таким образом, мы исследовали использование вторичного каркаса PEDOT: PSS в качестве электрода затвора (рис. S3A). Независимо от хорошего затвора, предусмотренного в этом случае, электрическая проводка и контакт с решеткой затвора внутри трубы оказались технически сложными. Pt-электроды обладают хорошей биосовместимостью; однако эффективность стробирования довольно неэффективна из-за его поляризуемого характера (рис.S3B). Чтобы преодолеть эти ограничения, необходимо существенно увеличить поверхность электрода затвора. Как мы покажем далее в этой работе, многослойный сетчатый платиновый электрод обеспечивает эффективное управление (при заданной геометрии канала) для нашего трехмерного транзистора, а также хорошую цитосовместимость.

Морфологические и структурные свойства каркасов могут иметь большое влияние на функциональные возможности клеток и результирующее тканевое микроокружение. В частности, размер пор и плотность представляют собой наиболее важные характеристики, поскольку они влияют на проникновение клеток в каркас и определяют их пространственное распределение в трехмерной матрице ( 37 ).Кроме того, они могут влиять на сопротивление потоку, транспортировку питательных веществ и выведение продуктов жизнедеятельности.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Простой способ контролировать морфологию пор — варьировать параметр скорости охлаждения. Ранее сообщалось, что размер пор можно эффективно увеличить, уменьшив скорость охлаждения ( 38 ). Чтобы подтвердить это, мы исследовали влияние различных скоростей охлаждения (0,4, 0,8 и 1,2 ° C / мин) на морфологию пор каркасов PEDOT: PSS с додецилбензолсульфоновой кислотой (DBSA) в качестве добавки (рис.S4A). Средний размер пор [оцененный из изображений сканирующей электронной микроскопии (SEM)] показал тенденцию к уменьшению с увеличением скорости охлаждения с ~ 85,9 ± 15,0 до 47,9 ± 7,8. Следует отметить, что параметр скорости охлаждения извлекается из значений температуры полки; таким образом, фактическая скорость охлаждения внутри трубки может быть другой. Несмотря на различия в размере пор, наблюдались лишь незначительные колебания электрических характеристик соответствующих устройств (рис. S4B). Последующие эксперименты проводились с промежуточным условием скорости охлаждения (0.8 ° C / мин), так как он дает достаточно большие поры и в целом хорошую однородность.

Варианты рецептуры PEDOT: PSS также могут изменять электрические и механические свойства полученных каркасов. Как мы показали ранее, добавление DBSA или коллагена в раствор PEDOT: PSS заметно изменяет проводимость или механическую жесткость соответственно ( 28 ). Следуя этому обоснованию, мы приступили к исследованию влияния различных составов PEDOT: PSS на электрические характеристики тубисторов, показанных на микрофотографиях SEM чистого PEDOT: PSS, PEDOT: PSS / DBSA, PEDOT: PSS / DBSA / коллаген и PEDOT: Каркасы из PSS / DBSA / SWCNT (однослойные углеродные нанотрубки) (рис.2, от А до Г). Каркасы демонстрируют сильно взаимосвязанные пористые сети с размером пор от ~ 50 до 120 мкм. Здесь параметры сублимационной сушки во время изготовления различных каркасов поддерживались постоянными ( T C = -50 ° C, 0,8 ° C / мин). В случае чистого PEDOT: PSS очевидно более случайное распределение пор по размерам, в то время как включение DBSA улучшает однородность порообразования, вероятно, из-за его поверхностно-активных свойств, которые способствуют диспергированию твердых частиц в исходном растворе.Транзистор ламповый: Транзисторы или лампы? Присутствие коллагена в смеси PEDOT: PSS / DBSA, по-видимому, не вызывает какого-либо морфологического воздействия на макроуровне на полученную пористую структуру. В случае смеси ОСУНТ проволочные нанодомены немного выступают за поверхность каркаса (рис. 2D, вставка).

Рис. 2 Морфологические и электрические характеристики различных проводящих каркасов.

СЭМ-изображения тубисторов на основе ( A ) чистого PEDOT: PSS, ( B ) PEDOT: PSS / DBSA, ( C ) PEDOT: PSS / DBSA / collagen и ( D ) PEDOT: Подмости PSS / DBSA / SWCNT.На вставках показаны СЭМ-изображения пор при большем увеличении. ( E ) Сравнительные характеристики выходных транзисторов (при В, GS = 0 В) и ( F ) соответствующие кривые крутизны для различных типов каркасов. Характеристики транзистора измеряются в физиологическом растворе с фосфатным буфером (PBS) с использованием гранулы Ag / AgCl в качестве электрода затвора. Расстояние ( L *) между электродами исток-сток составляло примерно 1 мм, а ширина ( W *) каркаса в этом случае составляла 4 мм.Показанные результаты получены на типичных устройствах.

Более поддающиеся количественной оценке изменения можно наблюдать в электрическом поведении тубисторов, а именно, в сравнительных выходных характеристиках и эволюции крутизны в данном диапазоне В, GS (рис. 2, E и F). При использовании в качестве материала канала каркасы на основе DBSA продемонстрировали существенное улучшение электрических характеристик по сравнению с исходными образцами, что подтверждается характеристиками транзисторов соответствующих тубисторов, что согласуется с предыдущими отчетами о проводимости PEDOT: PSS с усилением DBSA ( 25 , 39 ).В частности, величина I DS увеличилась примерно в шесть раз с DBSA (с ~ 0,7 до ~ 4,2 мА), а величина g m увеличилась с 0,95 до 11,2 мСм. Хотя добавление коллагена может обеспечить лучшую биосовместимость и механические свойства для исследований роста тканей, его изолирующая природа ухудшает проводимость каркасов и общие характеристики тубисторов. Напротив, включение SWCNT в смесь PEDOT: PSS / DBSA привело к тубисторам с высокими значениями крутизны 18.7 мс (лучшая записанная производительность) ( 40 , 41 ). Дальнейшая работа будет включать более подробное исследование структурных, морфологических и электрических свойств каркасов PEDOT: PSS / наноматериал (УНТ, графен и т. Д.).

Как описано Jimison et al . ( 42 ), OECT могут использоваться для оценки и мониторинга целостности барьерных тканей. В первой попытке использовать тубистор в качестве электрохимического преобразователя биологических событий, две разные клеточные линии были засеяны на клетки трубчатой ​​формы (длина 4 мм; диаметр 1 мкм).5 мм) PEDOT: каркасы PSS, а именно, барьерные эпителиальные клетки почек (MDCKII) и иммортализованные теломеразой фибробласты (TIF). Изображение различных отдельно стоящих каркасов PEDOT: PSS показано на рис. 3А. В этой серии экспериментов этап посева и роста клеток происходил в пробирке Эппендорфа в течение 3 дней. Затем содержащие ткань каркасы были вставлены внутрь тубистора, чтобы исследовать влияние роста клеток на электрические характеристики тубистора (рис. 3B). Флуоресцентные изображения (рис.3, C и D), взятые после 3 дней культивирования, свидетельствуют о накоплении клеток в каркасе с несколько неоднородным распределением клеток и охватом, очевидным для обоих типов клеток. Это согласуется с предыдущими наблюдениями роста клеток в каркасах PEDOT: PSS и может быть объяснено отсутствием перфузионной системы ( 28 ). В то время как клетки TIF, по-видимому, были распределены по каркасу, образуя отдельные клеточные домены, каркасы, засеянные клетками MDCKII, демонстрировали высокую степень слияния с тканеподобной морфологией на поверхности пор, как показано на увеличенном изображении на рис.3С.

Рис. 3 Электронный мониторинг трехмерных клеточных культур, выращенных ex situ, с помощью тубистора.

( A ) Фотография отдельно стоящих строительных лесов PEDOT: PSS различных размеров и форм. Фотография предоставлена ​​Харалампосом Питсалидисом. ( B ) Набросок процесса роста и измерения клеток ex situ в 3D. Перед электрическими измерениями каркас приводили в контакт с электродами исток-сток в присутствии питательной среды. Изображение флуоресцентной микроскопии PEDOT: каркасы PSS, засеянные ( C ) MDCKII и ( D ) TIF клетками после 3 дней культивирования клеток в пробирке Эппендорфа.Отсканированные изображения были псевдо-желтого цвета. Нормализованная трансдуктивность ( г, м ) по сравнению с В GS при В DS = -0,6 В до и после культивирования с ( E ) MDCKII и ( F ) TIF-клетками. Нормализованный токовый отклик OECT на периодические прямоугольные импульсы В GS с и без ( G ) MDCKII и ( H ) TIF-ячеек. Пунктирная черная линия — экспоненциальная аппроксимация, используемая для извлечения значений τ.Электрические измерения проводились с помощью затворного электрода Ag / AgCl. Расстояние ( L *) между электродами исток-сток составляло приблизительно 1,5 мм, а ширина ( W *) каркаса в этой серии экспериментов составляла 4 мм.

Было замечено, что адгезия клеток и последующее образование ткани внутри пор каркаса существенно изменяет ток стока, как показано на выходных характеристиках рис. S5. Это изменение сопровождается сдвигом в сторону отрицательного значения В DS , вероятно, из-за неидеального физического контакта между электродами и полупроводником, что приводит к плохой инжекции заряда, особенно в каркасах, покрытых ячейками.Кроме того, было обнаружено, что рост клеток в каркасах влияет на эффективность передачи ионного сигнала, выраженную величиной g m . Сравнивая максимальные нормализованные значения g m как функцию V GS между каркасами, содержащими клетки, и каркасами без клеток, мы заметили уменьшение на 72 и 60% для MDCKII, засеянных клетками (рис. 3E) и каркасы, засеянные клетками TIF ​​(рис. 3F), соответственно. В соответствии с предыдущими наблюдениями планарных OECT, формирование барьерной ткани (например,g., MDCKII) на канале PEDOT: PSS OECT изменяет характеристики транзистора, то есть увеличивает время отклика (τ). Это было дополнительно подтверждено импульсными характеристиками тубисторов (рис. 3, G и H). Наблюдается заметная разница в относительном изменении времени ответа между двумя типами клеток. В частности, в случае эпителиальных клеток MDCKII, где ионный транспорт затруднен из-за свойств плотного барьера, время ответа (τ), как было обнаружено, существенно увеличивается с 1.От 4 до 3,1 с. Напротив, посевные устройства для TIF-клеток (безбарьерные тканеобразующие клетки) показали незначительное изменение от 2,0 до 2,6 с. Мы полагаем, что это различие связано с дополнительными эффектами сопротивления, которые передаются эпителиальными клетками, в отличие от клеток фибробластов. Это подтверждается предыдущими работами по скринингу нескольких типов клеток (образующих барьер и не образующих барьер) на двухмерных планарных устройствах ( 43 ). Контрольные эксперименты, проведенные без клеток в культуральной среде в течение 4 дней, показали лишь небольшое ухудшение характеристик устройства, как показано на рис.S6. В частности, было измерено уменьшение I DS примерно на 17%, в то время как соответствующее изменение максимального значения g m было обнаружено примерно на 18%.

Чтобы оценить универсальность наших 3D-устройств, мы провели мониторинг роста клеток в реальном времени. Жидкая структура тубисторов способствует эффективной перфузии каркасов за счет подачи непрерывного потока среды (0,5 мкл / мин) во время культивирования клеток при одновременном мониторинге параметров транзистора.Как обсуждалось ранее, чтобы сделать тубистор биосовместимым с долгосрочными электрическими измерениями, в качестве электрода затвора использовалась платиновая сетка, встроенная в трубку. Схематическая иллюстрация экспериментальной установки показана на рис. 4A. В этой серии экспериментов клетки MDCKII культивировали внутри тубистора без какой-либо предварительной обработки каркаса и визуализировали через 1 и 2 дня (рис. 4, B и C). Гомогенное распространение и распределение клеток четко видно по всему каркасу, наряду с обширным образованием ткани через 2 дня культивирования.Это наблюдение подчеркивает важную роль перфузионной системы при размещении трехмерных клеточных культур. В течение этих 2 дней мы могли отслеживать колебания электрических характеристик устройств, связанных с различными стадиями роста клеток. Выходные характеристики тубисторов в определенные моменты времени в процессе культивирования клеток показывают заметное падение величины I DS ( В, DS = -0,6 В) с -1,6 до 0,46 мА после посева. и во время инкубации (1 час без протока), сопровождающейся уменьшением g m более чем на два порядка (рис.4, Г и Д). Мы связываем эти изменения с высокой плотностью исходной клеточной суспензии, которая может затруднять инжекцию носителей заряда и диффузию ионов. После этапа инкубации неприлипающие клетки были вытеснены путем подачи свежей среды в систему, что привело к частичному восстановлению производительности устройства. Дополнительные эксперименты были проведены для изучения начального влияния плотности клеток на производительность устройства путем изменения количества клеток, засеянных в каркасы (4 × 10 3 против 4 × 10 5 клеток).Мы могли наблюдать заметную разницу в производительности устройства после 1 часа посева с различной плотностью клеток. Устройство с засеянным устройством с более высокой плотностью клеток привело к большему снижению величины тока, сопровождаемому изменением значения g m на ~ 28% по сравнению с изменением на ~ 16% для более низкой плотности клеток (рис. S7). Рост клеток в 3D-матрице оказывает прямое влияние на производительность устройства, скорее всего, связанное с ионным сопротивлением и сопротивлением канала. Таким образом, регулируя количество клеток при заданном размере каркаса, мы можем настроить уровень чувствительности устройства для оценки начальных этапов прикрепления клеток.На этом этапе могут наблюдаться изменения от устройства к устройству из-за случайного распределения ячеек и покрытия. Примечательно, что после прикрепления клеток устройства демонстрируют устойчивое поведение, в то время как постепенное уменьшение с течением времени величины g m наблюдалось после t = ~ 16 часов культивирования клеток, как показано на рис. 4E. Клеточная организация внутри каркасов в течение первых 48 часов сильно определяет электрическую работу устройств с относительным уменьшением максимального значения g m примерно на 82%.Из-за небольшого размера каркаса и хорошей перфузионной способности тубистора мы смогли получить интенсивный рост клеток уже через 2 дня культивирования. После 44 часов культивирования клеток нет никаких серьезных изменений в g m , что указывает на то, что была получена сливная ткань. Электрические измерения in situ инкубированного устройства без клеток не показали каких-либо значительных изменений значения g m во времени, как показано на контрольной кривой (обозначенной звездочками) на рис.4E.

Рис. 4 Тубисторы совместимы с мониторингом клеток in situ.

( A ) Иллюстрация экспериментальной установки, используемой в динамических экспериментах. СЭМ-изображение, показывающее клетки MDCKII, культивированные in situ в каркасе PEDOT: PSS в течение ~ 2 дней, что свидетельствует о том, что клетки были способны прилипать и образовывать ткань внутри тубистора. Серая линия (звездочки) показывает изменение трансдуктивности во времени бесклеточного устройства, инкубированного (37 ° C, 5% CO 2 ) в среде для культивирования клеток.Флуоресцентные изображения клеток MDCKII, культивированных in situ в течение ( B ) 1 день и ( C ) 2 дня. Отсканированные изображения были псевдо-желтого цвета. ( D ) Репрезентативные выходные характеристики тубисторов in situ, зарегистрированные во время роста клеток в различные моменты времени. ( E ) Соответствующая эволюция значений нормализованной трансдуктивности на разных этапах процесса культивирования клеток. Электрические измерения проводились с использованием затворного электрода с сеткой из платины, встроенного в удлинитель трубки.Устройство было подключено к электрическому измерительному блоку во время культивирования клеток.

Мы и другие показали, что адгезия клеток может сильно изменить импеданс электродов, на которых они культивируются; однако другие процессы, такие как формирование барьера (типичное для эпителиальных клеток, таких как клетки MDCKII, используемые здесь), могут иметь дополнительные электрические эффекты, которые могут наблюдаться. Чтобы проиллюстрировать будущий потенциал этих устройств для непрерывного токсикологического мониторинга, мы провели предварительные эксперименты с EGTA, хелатором кальция, который разрушает параклеточные соединения, тем самым нарушая тканевой барьер.Подтверждая влияние EGTA (100 мМ) на наши устройства для 3D-культивирования, прогрессирующее разрушение клеточного барьера было подтверждено уменьшением постоянной времени τ, поскольку плотные контакты подвергаются разборке (рис. S8A). В частности, быстрое уменьшение нормализованного значения τ наблюдалось в течение первых 15 минут, что означает нарушение целостности барьера (рис. S8B). Эти результаты хорошо согласуются с нашими предыдущими исследованиями эффектов EGTA на околеклеточную проницаемость с использованием 2D OECT ( 13 , 44 ).

ОБСУЖДЕНИЕ

От первой демонстрации записи нейрона пиявки с использованием транзисторной технологии на основе Si ( 4 ) до более поздних исследований, таких как зондирование активности отдельных клеток с помощью настраиваемого полевого транзистора с трехмерным зондированием в нанометровом масштабе. и др. . ( 45 ), транзисторы оказались очень полезными для мониторинга ячеек. Будучи по своей сути более биомиметическими транзисторами, из-за органической природы материала, из которого изготовлен канал, OECT стали становиться все сильнее при взаимодействии с клетками.В частности, OECT использовались не только для мониторинга электроактивных ячеек, но и для мониторинга целостности тканей, со степенью превосходства над традиционным двухэлектродным форматом, используемым при измерении электрического импеданса ячеек ( 11 , 46 ). Помимо метода патч-зажима (или подходов с использованием микроигл) для мониторинга внутриклеточной электрической активности, электроды для взаимодействия с клетками сами по себе почти исключительно двумерные, что ограничивает эффективность электрических измерений более физиологически значимых трехмерных тканевых структур.Несомненно, трехмерная клеточная биология извлекала и будет продолжать извлекать выгоду из достижений в области материаловедения и биологии с помощью сложных и физиологически релевантных сложных моделей, поэтому срочно необходимы технологии, которые могут адаптироваться для точного мониторинга этих систем. Таким образом, наша инновационная концепция полностью интегрированного трехмерного транзистора на основе полимера в трубке в качестве опоры для клеточной ткани и активного преобразователя открывает новый путь к действительно биомиметической трехмерной электронике in vitro (био). Мы успешно решили проблемы с точки зрения (микро) электроники, связанные со стабильностью, электрическими характеристиками и системной интеграцией.Наш 3D OECT продемонстрировал исключительно хорошие и стабильные во времени электрические характеристики и надежность благодаря своей конструкции и формированию проводящего канала на месте. С точки зрения материалов / функциональности, мы продемонстрировали возможность изготовления широкого разнообразия мезомасштабных и макромасштабных геометрий, и что, настраивая компоненты в проводящем растворе прекурсора, мы можем легко регулировать как характеристики устройства (т. Е. Электрическую проводимость), так и свойства каркаса (т.е., пористость) для разных целей. Мы также обнаружили, что наши устройства демонстрируют электрическое поведение в зависимости от напряжения благодаря хорошим эластичным свойствам каркасов PEDOT: PSS, как показано на рис. S9. Кумулятивное сжатие каркаса внутри тубистора привело к постепенному увеличению измеряемого тока стока, возможно, из-за создания большего количества проводящих точек. Поскольку это наблюдение выходит за рамки нашего текущего применения, будущие исследования позволят более тщательно изучить возможности нашего устройства для измерения давления.

С биологической точки зрения мы продемонстрировали отличную совместимость трехмерных проводящих каркасов с двумя различными типами клеток как при посеве ex situ, так и in situ с использованием непрерывного потока через нашу интегрированную жидкость. Интегрированный жидкостный клапан обеспечивает большую простоту использования и совместимость с биологическими системами. Как и ожидалось, посев in situ привел к значительно более быстрой адгезии и росту клеток из-за постоянного обмена средой через нашу перфузионную систему. Тубистор также использовался в качестве активного датчика прикрепления и роста клеток внутри каркаса.Как было замечено, разные типы клеток приводили к различным изменениям как в установившемся состоянии, так и в переходной реакции. Как и ожидалось, клетки, образующие барьер, ингибировали ионный поток в большей степени и приводили к более выраженному подавлению электрических характеристик по сравнению с клетками, которые, как известно, не образуют ионные барьеры. In situ динамические измерения тубистора с тканевыми клетками барьерного типа позволили получить полезную информацию о временной шкале нескольких событий, что позволило нам постулировать критические стадии прикрепления и роста клеток, используя коэффициент усиления транзистора как показатель качества для биотрансдукции.Вместе эта работа открывает новую неизведанную область интегрированной трехмерной биоэлектроники в направлении более физиологически релевантных систем in vitro. Наше видение будущего включает в себя разработку более сложных систем органоидного типа, включающих несколько типов клеток, для изучения механизмов, лежащих в основе заболеваний, и помощи в разработке соответствующих методов лечения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Приготовление трехмерных каркасов

Каркасы были приготовлены из водной дисперсии PEDOT: PSS (Clevios PH 1000, Heraeus) в концентрации 1.25 мас.%. Для улучшения механических свойств и стабильности каркасов в водном растворе в качестве сшивающего агента добавляли (3-глицидоксипропил) триметоксисилан (Sigma-Aldrich) (3 мас.%). Кроме того, для дальнейшего повышения проводимости каркасов мы добавили 0,5% DBSA (Sigma-Aldrich). Это была основная рецептура, используемая для изготовления отдельно стоящих проводящих каркасов, а также для тубисторов, используемых в клеточных исследованиях. Для оценки влияния на электрическое поведение каркасов с основным составом использовали две различные добавки: (i) коллаген (0.05 мас.%, Тип I из хвоста крысы) и (ii) ОСУНТ (0,5 мас.%). Перед процессом сублимационной сушки дисперсию PEDOT: PSS заливали в различные формы и системы трубопроводов. Для изготовления тубистора объем, вводимый внутри пробирки, составлял от 40 до 80 мкл в зависимости от желаемых размеров системы. Затем образцы помещали в сублимационную сушилку (Cryotec и Virtis AdVantage 2.0 BenchTop), где они замораживались от 5 ° до -50 ° C при контролируемой скорости охлаждения -0,8 ° C мин. -1 (для стандартного изготовленного устройств), в этот момент ледяная фаза сублимировалась с каркасов, как описано Wan et al .( 26 ). После сублимационной сушки образцы запекали при 70 ° C в течение 2 часов. Перед электрическими измерениями на устройстве и экспериментами с клетками все каркасы промывали несколько раз деионизированной (ДИ) водой, а затем выдерживали в деионизированной воде в течение 24 часов, чтобы обеспечить диффузию низкомолекулярных компонентов из структуры. Для экспериментов с культурами клеток образцы стерилизовали 70% этанолом в течение примерно 30 мин.

Подготовка устройства

Т-образные трубки (Cole Parmer) использовались в качестве несущих конструкций для изготовления тубисторов.Для изготовления электродов истока и стока использовались покрытые золотом (150 нм) каптоновые пленки (120 мкм). Используя верхнее отверстие, электроды исток-сток были закреплены внутри трубки с помощью временного цилиндрического сепаратора, чтобы избежать любого контакта между двумя электродами. Расстояние между электродами истока и стока варьировалось от 0,5 до 1,5 мм. Верхнее отверстие заклеили медицинским клеем. Перед введением раствора PEDOT: PSS систему промывали и сушили в атмосфере азота для удаления возможных загрязнений.С тубисторными устройствами были протестированы три различных электрода затвора: (i) Ag / AgCl, (ii) Pt и (iii) PEDOT: PSS. Различные затворы были помещены в удлинитель НКТ и опломбированы. Для длительных экспериментов по мониторингу ячеек мы использовали сетчатый платиновый электрод. Размер Pt-электрода был существенно больше, чем размер каркаса, чтобы обеспечить эффективный затвор.

Характеристики каркаса и устройства

Микроструктура и морфология каркасов были выполнены с использованием SEM. SEM ULTRA 55 (Carl Zeiss) использовали для оценки инвазии клеток в каркасы.Вкратце, клетки в каркасе фиксировали в 2,5% глутаральдегиде в 0,1 М какодилатном буфере в течение ночи при 4 ° C. После обширной промывки PBS каркас затем дегидратировали в серии градиентных этанолов и сушили с использованием раствора гексаметилдисилазана. Наконец, образец был покрыт 15 нм золотом / палладием и проанализирован при ускоряющем напряжении 5 кВ. Электрические характеристики были выполнены с использованием раствора 100 мМ NaCl в деионизированной воде в качестве электролита. Характеристики транзисторов измерялись с помощью измерителя источника Keithley 2612, специализированного программного обеспечения LabVIEW и анализатора параметров Keysight B1500A.Эксперименты проводились в окружающей атмосфере, когда клетки не были задействованы, а для исследований клеток использовали инкубатор при температуре 37 ° C и уровне CO 2 5%.

Для оценки размера пор использовался анализ изображений SEM. Средний диаметр пор был измерен на основе n = 40 пор на каркас.

Эксперименты с культурами клеток

В экспериментах использовались клетки двух типов: эпителиальные клетки почек собак (MDCKII, подарок от F.Luton, Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire, Valbonne) и человеческие TIF (подарок Э. Ван Обберген-Шиллинга, Institut de Biologie de Valrose). Клетки MDCKII культивировали в среде Игла, модифицированной по Дульбекко (DMEM) с низким содержанием глюкозы, с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки, 2 мМ глутамина, пенициллина (50 ед. Мл -1 ) и стрептомицина (50 мкг мл -1 ). Фибробласты культивировали в среде DMEM с высоким содержанием глюкозы и добавляли, как описано ранее, без глутамина. После отделения клеток от колбы для тканевой культуры с использованием раствора 0.25% трипсина, суспензию клеток центрифугировали и супернатант заменяли свежей средой. Суспензию свежих клеток (100 мкл) смешивали со 100 мкл 0,4% трипанового синего. Клетки подсчитывали с помощью стеклянного гемоцитометра и ресуспендировали для получения желаемой концентрации клеток. Перед посевом клеток каркасы выдерживали погруженными в клеточную среду в течение 2 часов при 37 ° C, обеспечивая адгезию белка.

Для эксперимента с отдельно стоящим каркасом среду полностью удаляли с каркаса, помещая его на абсорбер на 2 мин.Посев клеток осуществляли сразу после погружения высушенного каркаса в суспензию клеток (MDCKII или TIF; 5 × 10 6 клеток / мл), позволяя проникать клеткам под действием капиллярных сил. Затем каркас выдерживали при 37 ° C в течение 1 часа, позволяя клеткам прикрепиться и размножаться, прежде чем менять среду для удаления неприсоединенных клеток. Поддержание клеточной культуры осуществляли путем помещения каркаса в пробирку Эппендорфа, наполненную средой, на срок до 3 дней.

Для экспериментов in situ среда не удалялась, чтобы предотвратить образование пузырьков внутри устройства, поэтому клетки вводили непосредственно в каркас, используя трубку для жидкости со скоростью 1.5 мкл / мин. Поддержание клеточной культуры проводили с использованием клеточной среды с добавлением 5 мМ Hepes и постоянной скорости потока 0,5 мкл / мин в течение 2 дней.

Для экспериментов по адгезии клеток были приготовлены две различные клеточные суспензии: 5 × 10 6 и 5 × 10 4 клеток / мл. Объем 80 мкл вводили внутрь каркасного устройства, в результате чего получали 4 × 10 5 и 4 × 10 3 клеток, соответственно. Электрические измерения проводили перед посевом клеток и после инкубации устройств в течение 1 часа при 37 ° C.

Иммунофлуоресцентное окрашивание

Клетки MDCKII и TIF ​​фиксировали в 4% параформальдегиде в течение 20 мин при комнатной температуре. Каркасы тщательно промывали PBS и инкубировали с родамином фаллоидином (Sigma) в течение 30 минут для мечения актиновой нити. Флуоресцентные изображения каркасов получали с использованием эпифлуоресцентного / конфокального микроскопа (Axio Observer Z1 LSM 800, Zeiss).

EGTA эксперименты

клеток MDCKII высевали внутрь каркасов и инкубировали для роста в течение 3 дней.После стабилизации устройств в течение нескольких минут мы записали электрический сигнал (отклик переходного тока), чтобы исследовать эффекты добавления EGTA. В частности, 100 мМ раствор EGTA разводили в клеточной среде (0,5 М водный раствор Alfa Aesar EGTA, J60767) и равномерно вводили в каркас через жидкостный контур. Транзисторная запись производилась в течение нескольких минут после введения ЭГТА. При измерениях переходной характеристики использовались следующие параметры: В DS = -0.3 В, В GS = 0,3 В, по времени т = 15 с. Был проведен анализ данных, чтобы подобрать постоянную времени для каждого отдельного импульса ( 13 ). Контрольные эксперименты проводились путем воздействия на бесклеточный каркас раствора EGTA в течение определенного периода времени, как показано на нормализованных данных на рис. S8C.

Выражение признательности: Финансирование: Мы выражаем признательность за финансирование проекта ANR 3Bs (ANR15-CE18-0004-001 для S.I. и C.P.) и докторантуру от Ecole des Mines de St.Этьен (М.П.Ф.). Дополнительное финансирование было предоставлено грантом h3020 ERC CoG «IMBIBE» GA № 723951 (для R.M.O. и C.P.) и грантом h3020-MSCA-IF-2015 «SMART-BONE» GA № 704175 (для D.I.). Вклад авторов: C.P. задумал, выполнил и проанализировал результаты экспериментов. М.П.Ф. делали культуру клеток и СЭМ. Д.И. с помощью SEM и характеристики каркаса. L.T. подготовлены и охарактеризованы ОУНТ. S.I. помог с первоначальной концепцией и подготовкой тубистора. R.M.O. задумал и руководил исследованием на бумаге.Рукопись была написана и отредактирована К. и R.M.O. Конкурирующие интересы: C.P., S.I. и R.M.O. являются изобретателями по патенту, связанному с этой работой, поданному во французское патентное ведомство (заявка № FR 1758683, подана 20 сентября 2017 г.). Все остальные авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Крошечный транзистор с вакуумной трубкой, май 1959 г. Мир электроники

Май 1959 Мир электроники

Оглавление

Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники. См. Статьи
с
Electronics World
, опубликовано в мае 1959 г.
— Декабрь 1971 г. Все авторские права подтверждаются.

The
RCA Nuvistor был
находка для бескомпромиссных любителей электронных ламп, которые были стойкими членами Never
Транзисторный механизм
1950-х и 1960-х годов.Надеюсь, это будет чудо
изобретение, устраняющее необходимость замены ламп на транзисторы. Конечно
все знали, что электронные лампы будут вечно нужны для средних и высоких мощностей.
Приложения. Твердотельные полупроводники никогда не смогут заменить электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)
для дисплеев или тиратронов для загоризонтных и коммерческих передатчиков
усилители, так зачем вообще возиться с транзисторами? Хорошо, может быть, это была не эмоция
суровая, но если вы прочитаете достаточно статей из винтажных журналов
эпоха перехода от лампы к транзистору, вы знаете, что было очень сильное
сопротивление.История окончательно определила победителя. Как винтажная электроника
Я сам парень эпохи Возрождения, мне нравится оранжевое свечение моего лампового радио, но также
оцените удобство и превосходные характеристики современной электроники.

Крошечный транзистор с вакуумной трубкой

Три новых лампы сейчас в стадии разработки. показаны ниже вместе
с их более крупными современными аналогами. На вставке — внутренняя конструкция триода.
Внешняя оболочка или оболочка новой трубки металлическая или металлическая и керамическая.

Высокоэффективные электронные лампы размером с наперсток стали возможны благодаря новому RCA Nuvistor
дизайн.

Новая разработка в технологии изготовления электронных ламп, которая будет служить для создания
Более конкурентоспособную лампу с транзистором недавно продемонстрировала компания RCA. В умеренных
для использования с высокой мощностью и особенно на высоких частотах, лампы, изготовленные с использованием техники
ожидается, что они намного превзойдут свои транзисторные аналоги. Более того, новое строительство
хорошо подходит для массового производства, а готовые трубы намного прочнее, надежнее,
и эффективнее, чем обычные лампы.Отказ от многих представлений о конструкции трубы
и конструкция новых труб была основана на новом подходе к дизайну, как от
механическая и электрическая точки зрения.

Новые лампы, получившие название «Nuvistors», могут найти широкое применение в телевизионных приемниках, средствах связи.
приемники и компьютеры, а также в более компактном и эффективном электронном оборудовании
для обороны и промышленности. Прототипы новых труб сейчас находятся в стадии доработки.
в подразделении электронных ламп RCA в Харрисоне, штат Нью-Йорк.J. Опытные образцы «нового»
Посмотрите «лампы сейчас поставляются для электронной промышленности. Слабосигнальный триод
и тетрод слабого сигнала предлагаются сначала, а позже будут
лучево-силовая трубка. Согласно нынешним планам, будет запущено ограниченное коммерческое производство.
в 1960 г.

На демонстрациях прессы полностью «нивисторизованный» тюнер телевизора.
комплект был показан в эксплуатации. Тюнеру требуется лишь часть необходимого напряжения на пластине.
обычными тюнерами.Этот экспериментальный тюнер считается одним из самых компактных в мире.
разработан для «ТВ-приемников», уменьшает общую громкость обычного лампового ТВ-тюнера.
единиц примерно на треть.

Прочность новой конструкции была продемонстрирована в нескольких испытаниях на прочность и выносливость.
Крошечная трубка продолжала нормально функционировать в электронной схеме при попеременном размещении.
в нагревательных змеевиках специальной печи (при температуре 660 градусов по Фаренгейту) и в жидком азоте (при
-320 градусов по Фаренгейту).На другой демонстрации новые лампы были показаны в непрерывном режиме работы.
как в специальной печи, так и в жидком азоте. Эксплуатации ламп тоже не было.
возникло возмущение, так как трубки неоднократно падали на металлический блок с высоты в несколько
ноги. Измеритель кривой электронно-лучевой трубки, подключенный к падающей трубке, показал абсолютно
никаких изменений в работе и производительности, когда трубка отскакивала от блока. Демонстрации
наглядно показали высокотемпературные возможности «Нувисторов», а также их
надежная работа в условиях сильных ударов и продолжительной вибрации.

Хотя ресурсные испытания еще не завершены, было сказано, что трубки этого
новый дизайн должен иметь срок службы в десятки или даже сотни тысяч часов
Нормальная операция.

Опубликовано: 11 июля, 2018

История создания вакуумной трубки / термоэмиссионного клапана »Электроника

История вакуумной трубки или термоэмиссионного клапана от первых наблюдений за эффектом Эдисона до ранних разработок, таких как колебательный клапан Флеминга и Audion де Фореста.


История клапана / трубки Включает:
Обзор истории
Ранние открытия
Колебательный клапан Флеминга
Audion де Фореста
Развитие основной идеи
Клапан типа R
6L6 клапан


Электронная лампа или термоэлектронный клапан положили начало эпохе электроники. Его изобретение позволило беспроводной технологии того времени продвинуться вперед.

История вакуумной трубки или термоэмиссионного клапана объединяет множество отдельных открытий, которые делают возможным изобретение.

История термоэмиссионного клапана также продолжается, чтобы рассказать о дальнейших разработках.

Все эти отдельные элементы занимают свое место в общей истории термоэмиссионного клапана или вакуумной трубки.

Ранний клапан — возможно, примерно с 1910 года

Обзор истории клапана

На протяжении своей истории вакуумная трубка или термоэмиссионный клапан сыграли решающую роль во многих исторических событиях, и их изобретение изменило образ повседневной жизни.

Хотя клапан был впервые изобретен в 1904 году и широко не использовался до 1910-х годов, он сыграл решающую роль в закладке основ того, что мы сегодня называем электронной технологией. Радиотехника, телекоммуникации и многие другие области охватили новую термоэлектронную технологию, заложив основы многих областей техники, которые сегодня считаются само собой разумеющимися.

По мере роста потребности в клапанах / трубках росли и требования к их характеристикам. Чтобы удовлетворить эти потребности, требовалась работа на более высоких частотах наряду с более высокими уровнями стабильности, усиления и предсказуемости.

Более глубокое понимание физики того, как работают эти термоэмиссионные клапаны / вакуумные лампы, позволило достичь гораздо более высоких уровней производительности. В результате этого понимания рабочие характеристики клапанов улучшились, и это позволило им обеспечить гораздо более высокие уровни производительности, что, в свою очередь, привело к их более широкому использованию.

Изначально клапаны были дорогими и использовались в очень небольших количествах. В качестве индикатора этого роста, данные компании RCA показывают, что они продали около 1 штуки.25 миллионов приемных клапанов или трубок в 1922 году, но к 1924 году этот показатель вырос до 11,35 миллиона.

Некоторые из ключевых проблем с клапанами, которые препятствовали их внедрению, заключались не только в стоимости их покупки, но и в стоимости их эксплуатации. В ранних клапанах использовались катоды с прямым нагревом, и, как следствие, для разрядки кромки требовались батареи. Когда были разработаны клапаны с косвенным нагревом, это значительно расширило их использование, и они стали более широко использоваться в радиоприемниках. В дополнение к этому супергетеродинное радио требовало использования большего количества ламп, чем эквивалентные настроенные радиочастотные приемники, которые начали использоваться примерно в конце 1920-х — начале 1930-х годов из-за их превосходных характеристик.Поскольку на эти приемники подавали иски для домашних радиоприемников, потребность в клапанах возросла еще больше.

Начало Второй мировой войны стало ключевым моментом в истории термоэмиссионных клапанов. Эти устройства нашли свое применение, поскольку они были необходимы для электронного оборудования всех видов, от радиоприемников до передатчиков, радаров, оборудования радиоэлектронной борьбы, ретрансляторов связи и многого другого.

В этот период арматура производилась в огромных количествах с обеих сторон.

После войны к клапанам были предъявлены новые требования, и история клапанов или история вакуумных ламп показывают, что произошел серьезный шаг в сторону миниатюризации.Ранние клапаны и их оборудование были большими. Теперь требовалось меньшее оборудование, и в результате производились клапаны меньшего размера.

Однако с изобретением транзистора в 1949 году и его коммерческим использованием, транзистор стал меньше, надежнее и потреблял меньше энергии. Хотя изначально они были не дешевле клапанов, вскоре цены упали, и клапаны использовались только в некоторых областях, где их характеристики были лучше. Однако по мере улучшения характеристик транзисторов и полевых транзисторов стало очень мало областей, в которых технология термоэлектронных клапанов превосходила транзисторы.Соответственно, история клапанов показывает, что их использование резко сократилось в 1960-х годах, а к 1970-м годам использовалось очень мало клапанов.

Клапанная техника

Термоэмиссионный клапан или технология вакуумных трубок, разработанная для обеспечения значительной степени функциональности радиоприемников, а затем и более широкой области электроники.

Примечание по технологии вакуумных трубок:

В основе вакуумных трубок или термоэмиссионных клапанов лежит концепция термоэлектронной эмиссии.Использование двух электродов позволяет изготавливать диоды, которые могут выпрямлять сигналы — можно добавить дополнительные электроды, чтобы сделать усилители и выполнить другие приложения.

Подробнее о Технология вакуумных трубок

Хронология истории клапана

Есть несколько ключевых дат в разработке термоэмиссионного клапана или вакуумной трубки. Эти даты сведены в таблицу на временной шкале истории клапана ниже:

Временная шкала истории клапана
Дата Событие
1640 Отто фон Герике первым создал воздушный насос, способный создавать частичный вакуум.Для работы термоэмиссионных клапанов требовался вакуум.
1858 Юлиус Плюккер демонстрирует, что магнитные поля могут отклонять лучи, которые позже называются катодными лучами
1860 Джозеф Суонн патентует угольную лампу накаливания
1871 Сэр Уильям Крукс делает вывод, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц.
1879 Томас Эдисон подает патент в США на лампу накаливания в высоком вакууме с углеродной нитью
1883 Томас Эдисон наблюдает термоэлектронную эмиссию в вакууме.
1883 Профессор Джон Амброуз Флеминг из Университетского колледжа Лондона представляет доклад Физическому обществу о «Молекулярной тени».
1885 Сэр Уильям Прис воспроизводит эффект Эдисона и проводит измерения, представляя доклад Королевскому обществу.
1897 Гульельмо Маркони основывает свою компанию по беспроводному телеграфу и передаче сигналов, чтобы использовать радио или «беспроводные» технологии.
1900 Эмброуз Флеминг становится консультантом Маркони.
1901 Маркони осуществляет первую трансатлантическую радиопередачу, но возникли трудности с обнаружением сигналов.
1904 Амброуз Флеминг исправляет беспроводные сигналы, используя то, что он называет своим колебательным клапаном — это первый раз, когда был использован эффект Эдисона. Это был простой диодный клапан, который иногда называют диодом Флеминга.
1904 16 ноября 1904 года Амвросий Флеминг подает заявку на патент на свой колебательный клапан.
1906 Проведя множество экспериментов, Ли де Форест в США добавляет третий электрод к диоду Флеминга, чтобы получить то, что он назвал своим Audion. Это устройство все еще использовалось только для исправления.
1908 Амвросий Флеминг заменяет углеродную нить, обычно используемую в диодном клапане, на вольфрамовую нить.
1912 Ли де Форест делает первый ламповый усилитель.
1915 Во Франции был изготовлен первый жесткий вакуумный триод. Он назывался Type TM, и во время Второй мировой войны их было изготовлено более 100 000 штук.