第12节 电子管与半导体 (修订中)
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在现代电子学文本中将一整章用于电子管的设计和功能似乎有点奇怪，因为半导体 (opens new window)技术几乎在所有应用中都已经淘汰了电子管。然而，探索管子不仅是出于历史目的，而且对于那些在半导体霸权方面需要限定短语“几乎所有应用”的利基应用都有其优点。
在某些应用中，电子管不仅继续得到实际应用，而且比任何迄今发明的固态器件都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_要好得多_。
在大功率、高速电路切换领域，氢闸流管和氪电子管等专用管能够切换大得多的电流，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。通过真空的电子传导不是。因此，与管子相比，半导体器件的实际热极限相当低。能够在比同等半导体器件高得多的温度下运行管子，可以使管子在给定的耗散面积内耗散更多的热能，这使得它们在连续高功率应用中更小、更轻。
在大功率应用中，管子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。当一根大管出现故障时，它可能会以远低于购买新管的成本进行拆卸和维修。当一个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无线电发射机 (opens new window)的前面板。在玻璃门后面的凹陷区域可以看到两个“Eimac”品牌的功率管之一。根据参观设施的车站工程师的说法，这种管子的重建成本仅为 800 美元：与新管子的成本相比相当便宜，与新的、可比较的半导体元件的价格相比仍然相当合理！
管的制造不如半导体元件复杂，生产成本也可能更便宜，尽管世界上大量的半导体器件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”，可以手动组装真空管，组装工作不需要在半导体制造所需的“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，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 (opens new window)，因为电子管电路会产生特定的失真。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有很大不同的原因），放大器产生的失真类型与个人品味一样重要技术测量。由于摇滚音乐特别是随着吉他手演奏电子管扩音器设备而诞生的，因此该流派本身就有很大程度的“电子管吸引力”，这种吸引力体现在摇滚吉他手对“电子管”吉他扩音器的持续需求中。
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技术词汇表的引述，该网站将保持无名：
固态： 专门设计用于使吉他放大器声音变差的组件。与电子管相比，这些设备的使用寿命非常长，这可以保证您的放大器在很长一段时间内都能保持其纤细、毫无生气和嗡嗡声的声音。
在音频再现放大器（音乐工作室放大器和家庭娱乐放大器）领域，最好使用放大器以尽可能_少的速度再现音乐信号_尽可能变形。矛盾的是，与以失真为设计目标的吉他放大器市场相比，高端音频是电子管放大器继续享受消费者需求的另一个领域。尽管人们可能会认为低失真的客观技术要求会消除发烧友的任何主观偏见，但这是非常错误的。高端“管状”放大器设备市场非常不稳定，随着趋势和时尚而迅速变化，这是由音频系统评论员和销售人员对“神奇”声音的高度主观主张所驱动的。就像在电吉他世界中一样，在发烧友世界的某些方面，对电子管放大器的狂热程度不小。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，microphonics（由于声波振动管结构而导致的管性能变化）。
尽管如此，有大量的技术文献将电子管与用于音频功率放大器的半导体进行对比，尤其是在失真分析领域。不少有能力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_放大器在一定程度上会扭曲其输入信号，尤其是在过载时，因此问题是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，人们不会平等地解释所有类型的声学失真，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，一些放大器也会比其他放大器听起来“更好”。要确定哪种类型的音频放大器会“最小”地扭曲音乐信号，我们必须将人耳和大脑视为整个声学系统的一部分。由于人类听觉反应尚不存在完整的模型，因此客观评估充其量是困难的。然而，
管还具有在广泛的操作条件下低“漂移”的明显优势。与半导体元件的势垒电压、β 比、体电阻和结电容可能随着器件温度和/或其他工作条件的变化而发生显著变化不同，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，因为这些特性主要取决于管的结构元素（阴极、网格和板）的物理尺寸，而不是晶格中亚原子粒子的相互作用。
这是固态放大器设计人员通常设计其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消耗大量能量，而晶体管特性往往随温度发生显著变化。温度引起的“漂移”使放大器电路中的“Q”点和其他重要的性能相关措施难以稳定。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的随之而来的漂移，很难设计具有任何实际额定功率的固态 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，即使 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在这种低功率电路配置中所经历的温度变化的不利影响。
然而，当长时间（数年）测量时，电子管性能参数往往比半导体器件“漂移”更多。真空管“老化”的一个主要机制似乎是真空泄漏：当空气进入真空管内部时，其电气特性会发生不可逆转的变化。同样的现象是管子死亡的主要原因，或者是为什么管子通常不会像它们各自的固态对应物那样持久。然而，当管真空保持在高水平时，卓越的性能和寿命是可能的。这方面的一个例子是持续 240,000 小时工作的速调管（用于产生雷达系统中使用的高频无线电波）（由 Litton Electron Devices Division 的 Robert S. Symons 在他的信息性论文“Tubes”中引用: 这么多年了还是很重要的_IEEE 频谱_杂志）。
如果不出意外，音响发烧友在电子管与半导体之间的紧张关系已经激发了相当程度的实验和技术创新，对于那些希望自学放大器理论的人来说，这是一个极好的资源。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）暗示了电路设计的潜力远比使用半导体的可能性要大得多。由于这个原因和其他原因，电子管永远不会“过时”，而是将继续发挥利基作用，并为那些不愿被传统束缚的电子工程师、发明家和爱好者促进创新。
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