管与半导体

在现代电子学课本中用一整章介绍电子管的设计和功能似乎有点奇怪，因为半导体技术几乎在所有应用中都已经淘汰了电子管。然而，不仅出于历史目的，而且对于那些需要限定短语“几乎 半导体至上的每一个应用。

在某些应用中，电子管不仅可以继续实际使用，而且比任何尚未发明的固态设备都能更好地执行各自的任务。在某些情况下，电子管技术的性能和可靠性远 上级。

在大功率、高速电路开关领域，诸如氢闸流管和 Krytron 之类的专用管能够开关大量电流，比迄今为止设计的任何半导体器件都快得多。半导体物理学的热和时间限制限制了开关能力，而管子的工作原理不同。

在高功率微波发射器应用中，仅管的出色耐热性就确保了它们对半导体的主导地位。通过半导体材料的电子传导受温度的影响很大。电子不能通过真空传导。因此，与管相比，半导体器件的实际热极限相当低。由于能够在远高于等效半导体器件的温度下运行管子，因此管子可以在给定的散热面积内散发更多的热能，这使得它们在连续高功率应用中更小、更轻。

在高功率应用中，管相对于半导体元件的另一个决定性优势是它们的可重建性。当一根大管子出现故障时，它可以以远低于购买新管子的成本进行拆卸和维修。当半导体元件发生故障时，无论大小，通常都没有修复方法。下图显示了 1960 年代老式 5 kW AM 无线电发射器的前面板。在玻璃门后面的凹陷区域可以看到两个“Eimac”品牌功率管中的一个。根据参观设施的车站工程师的说法，这种管的重建成本仅为 800 美元：与新管的成本相比，相当便宜，与新的类似半导体元件的价格相比，仍然相当合理！

管在制造上不如半导体元件复杂，生产成本也可能更低，尽管世界上半导体器件的大量生产大大抵消了这一理论优势。半导体制造相当复杂，涉及许多危险的化学物质，需要超洁净的组装环境。管子本质上只不过是玻璃和金属，带有真空密封。物理公差足够“宽松”以允许手工组装真空管，并且组装工作不需要在半导体制造所必需的“洁净室”环境中进行。

电子管优于半导体元件的一个现代领域是专业和高端音频放大器市场，尽管这部分是由于音乐文化。例如，由于电子管电路产生的特定失真，许多专业吉他手更喜欢电子管放大器而不是晶体管放大器。电吉他放大器旨在产生失真 而不是像音频再现放大器那样避免失真（这就是为什么电吉他听起来与原声吉他如此不同的原因），并且放大器产生的失真类型与个人喜好一样重要技术测量。由于摇滚音乐尤其是吉他手演奏电子管放大器设备而诞生的，因此该流派本身具有显着的“电子管吸引力”，这种吸引力体现在摇滚吉他手对“电子管”吉他放大器的持续需求中。

为了说明一些吉他手的态度，请考虑以下引自电子管放大器网站的技术词汇表，该网站将保持匿名：

固态： 专门设计用于使吉他放大器听起来很糟糕的组件。与电子管相比，这些设备的使用寿命非常长，可以保证您的放大器在很长一段时间内保持其纤细、无生气和嗡嗡声。

在音频再现放大器领域（音乐工作室放大器和家庭娱乐放大器），放大器最好以小再现音乐信号 尽可能失真。矛盾的是，与以失真为设计目标的吉他放大器市场相反，高端音频是电子管放大器持续满足消费者需求的另一个领域。尽管人们可能认为低失真的客观技术要求可以消除发烧友的任何主观偏见，但这是非常错误的。高端“管式”放大器设备市场非常不稳定，随着音频​​系统评论员和销售人员对“神奇”声音的高度主观主张的推动，随着趋势和时尚而迅速变化。与电吉他世界一样，在发烧友世界的某些方面，对电子管放大器的狂热崇拜是不小的。作为这种不合理性的一个例子，考虑许多超高端放大器的设计，其底盘被构建为公开展示工作管，尽管管的这种物理暴露明显增强了麦克风的不良效果> （由于声波振动管结构导致管性能变化）。

尽管如此，有大量技术文献将电子管与用于音频功率放大器的半导体进行了对比，尤其是在失真分析领域。不少称职的电气工程师更喜欢电子管放大器设计而不是晶体管，并且能够提供实验证据来支持他们的选择。量化音频系统性能的主要困难是人类听觉的不确定响应。 全部 放大器会在一定程度上扭曲其输入信号，尤其是在过载时，因此问题在于哪种类型的放大器设计失真最小。然而，由于人类的听觉是非常非线性的，人们不会对所有类型的声学失真做出相同的解释，因此即使使用电子仪器进行的定量失真分析表明类似的失真水平，某些放大器的声音也会比其他放大器“好”。要确定哪种类型的音频放大器会使音乐信号失真“最少”，我们必须将人耳和大脑视为整个声学系统的一部分。由于尚不存在人类听觉反应的完整模型，因此客观评估充其量是困难的。然而，一些研究表明，电子管放大器电路的特性失真（尤其是在过载时）不如晶体管产生的失真更令人讨厌。

管还具有在各种操作条件下低“漂移”的独特优势。与半导体元件不同，半导体元件的势垒电压、β 比、体电阻和结电容可能会随着器件温度和/或其他工作条件的变化而发生显着变化，真空管的基本特性在很宽的工作条件范围内几乎保持不变，因为这些特性主要由管结构元件（阴极、网格和板）的物理尺寸决定，而不是由晶格中亚原子粒子的相互作用决定。

这是固态放大器设计人员通常设计他们的电路以最大限度地提高功率效率的主要原因之一，即使它会损害失真性能，因为功率效率低的放大器会以废热的形式耗散大量能量，而晶体管特性往往随温度发生显着变化。温度引起的“漂移”使放大器电路中的“Q”点和其他与性能相关的重要措施难以稳定。不幸的是，功率效率和低失真似乎是相互排斥的设计目标。

例如，A 类音频放大器电路通常表现出非常低的失真水平，但非常浪费功率，这意味着由于晶体管特性随之而来的漂移，很难设计具有任何实质性额定功率的固态 A 类放大器.因此，大多数固态音频放大器设计人员选择 B 类电路配置以获得更高的效率，尽管 B 类设计因产生一种称为交叉失真的失真而臭名昭著 .然而，使用电子管很容易设计出稳定的 A 类音频放大器电路，因为电子管不会受到这种低效电路配置中温度变化的不利影响。

然而，在长时间（数年）测量时，管性能参数往往比半导体器件更容易“漂移”。真空管“老化”的一种主要机制似乎是真空泄漏：当空气进入​​真空管内部时，其电气特性将发生不可逆转的改变。这种相同的现象是管子死亡的主要原因，或者为什么管子通常不像它们各自的固态对应物那样耐用。但是，当管真空度保持在较高水平时，出色的性能和寿命是可能的。这方面的一个例子是一个速调管（用于产生雷达系统中使用的高频无线电波），它持续了 240,000 小时的运行（由 Litton Electron Devices Division 的 Robert S. Symons 在他的信息论文“管：这些年来仍然很重要，”发表于 1998 年 4 月的 IEEE Spectrum 杂志）。

如果不出意外，发烧友之间在电子管与半导体之间的紧张关系激发了显着程度的实验和技术创新，为那些希望自学放大器理论的人提供了极好的资源。从更广泛的角度来看，电子管技术的多功能性（不同的物理配置、多个控制网格）暗示了比使用半导体可能实现的电路设计更多样的潜力。出于这个和其他原因，电子管永远不会“过时”，但将继续扮演小众角色，并为那些不愿让自己的思想被传统扼杀的电子工程师、发明家和爱好者促进创新。