5. «КИРПИЧИКИ» РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

5. «КИРПИЧИКИ» РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Поговорим о строительстве соборов и вычислительных машин, о «дырках» в веществе, выпрямлении гвоздей и переменного тока, о транзисторах и интегральных схемах, объединяющих тысячи транзисторов, о том, как сделать усилитель и счетчик импульсов, и о многом другом, что лежит в основе радиоэлектроники.

Об одном разговоре во французском городе Шартре

Давным-давно во французском городе Шартре, когда однажды строителей спросили, что они делают, один ответил: «Ношу кирпичи». Другой сказал: «Готовлю раствор». Третий, не отрываясь от работы, буркнул: «Наращиваю леса». И лишь один, выпрямившись и гордо оглядев уже сделанное, произнес: «Я строю Шартрский собор!»

Я строю…

Как часто за мелочами не видно главного! В современной высокоразвитой электронной промышленности заняты десятки тысяч человек. Одни выращивают высокочистые полупроводниковые кристаллы, другие изготавливают на высокоточном оборудовании интегральные микросхемы, третьи разрабатывают их топологию, четвертые заняты программным обеспечением ЭВМ, есть масса занятий для пятых, шестых и т. д… Но все они вместе возводят одно величественное здание современной электроники — техники, без которой уже не может обойтись ни одна отрасль народного хозяйства.

Любое современное здание, например жилой дом, строится из весьма ограниченного набора блоков — панелей, балок, перекрытий. Расположив эти блоки в различных сочетаниях, можно построить и низкое длинное здание, и возвышающийся как башня над всем городом небоскреб. Даже при ограниченном наборе основных блоков архитекторам предоставлена широкая свобода для творчества. Так и в современной электронике из сравнительно небольшого числа основных «базовых» блоков: транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. д. можно создать бесчисленное множество электронных устройств: радиоприемники, телевизоры, аппараты записи и воспроизведения звука, передачи данных, ЭВМ и многие-многие другие.

Этим занимаются помимо промышленности и радиолюбители. Из весьма скромного набора основных «блочков-кирпичиков», имеющихся в их распоряжении, они конструируют все, что угодно, — от электронного дверного звонка, исполняющего веселую мелодию, до сложных синтезаторов современных вокально-инструментальных ансамблей, от детской игры «Первоклассница», умеющей складывать 1 + 1 = …, до персональной ЭВМ. способной сыграть с вами партию в шахматы или рассчитать, на какой день недели придется первое апреля в 3995 году (хотя эту задачу может решить и микрокалькулятор, собранный из меньшего числа тех же блочков).

Так что же это за «блочки-кирпичики»? Чаще всего — серийные интегральные микросхемы. Некоторые из них и по форме напоминают маленький пластмассовый кирпичик с двумя гребенками выводов. Все микросхемы делят на два больших класса — аналоговые и цифровые. Названия соответствуют аналоговым и цифровым сигналам, для обработки которых предназначены эти микросхемы.

К аналоговым относятся усилители, генераторы, преобразователи сигналов, к цифровым — логические элементы, триггеры, счетчики, шифраторы и дешифраторы, регистры сдвига, устройства памяти, микропроцессоры.

Стандартный корпус интегральной микросхемы.

Что находится внутри радиоэлектронного «кирпичика»

Сырьем для электронных «кирпичиков» может служить обычный песок. Не верите? Песок представляет собой окись кремния SiО₂. А кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.

Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Сейчас нам предстоит решить, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.

Электрический проводник — это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы — хорошие проводники. Мы уже говорили (помните киплинговскую кошку, которая «гуляла сама по себе»?) о том, что в металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку. Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум — небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.

Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почти все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева — проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не утомить вас, приведу лишь несколько цифр.

Удельное сопротивление вещества величина, обратная проводимости, — измеряется в омах на метр (Ом·м). Это сопротивление бруска — вещества сечением 1 м² и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10^-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·10³ Ом, т. е. на двадцать один порядок (10²¹) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и многих других факторов.

Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает. Различают два вида примесей: акцепторные и донорные. Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона. Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».

Образование примесной дырочной проводимости.

Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь. Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места — валентные связи, заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный или отрицательный). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Образование примесной электронной проводимости.

Что легче выпрямить: гвоздь или переменный ток?

Справедливости ради надо заметить, что за прошедшие несколько сотен лет технология выпрямления гвоздей заметно не изменилась. Этого совсем нельзя сказать о технологии выпрямления переменного тока. Прежде всего: а зачем его выпрямлять? Преимущества переменного тока очевидны: при передаче на большие расстояния напряжение можно повысить с помощью трансформатора. Ток в линии передачи при этом во столько же раз уменьшится, ведь одна и та же передаваемая мощность равна произведению тока и напряжения: Р = I·U. Значит, для передачи высокого напряжения подойдут провода меньшего сечения, уменьшатся их нагрев и потери мощности при передаче. Теперь в силовых сетях используют только переменный ток. Но во многих случаях необходим постоянный ток. Он нужен для питания электронных устройств, зарядки аккумуляторов. Тяговые двигатели постоянного тока имеют значительно лучшие характеристики. Поэтому поезда метро, трамваи и троллейбусы работают на постоянном токе. Лишь в последние годы электровозы на железных дорогах стати переводить на переменный ток, но электродвигатели на них по-прежнему работают на постоянном токе. Значит, промышленности и транспорту необходимы устройства, превращающие переменный ток в постоянный.

В технике часто используют принципы, уже известные, выдвинутые давным-давно или подсказанные самой природой. В рассматриваемом случае подходят два принципа: мышеловки и горки. Обобщенный принцип мышеловки заключается в следующем: некоторая дверца открывается легко, если двигаться с одной стороны, и не открывается — если двигаться с другой. Этот принцип используется в любом клапане, например в клапане насоса для накачивания волейбольного мяча.

Электронная лампа — тоже клапан. Выпрямить переменный ток может самая простая двухэлектродная лампа — диод, — содержащая анод и катод. Носители заряда — электроны — излучаются накаленным катодом и двигаются к аноду только тогда, когда он заряжен положительно. При этом через диод проходит электрический ток. Если же на аноде отрицательный потенциал, электроны отталкиваются и тока через диод нет. Если на анод диода подать переменное напряжение, а последовательно с диодом включить нагрузку, то в цепи нагрузки будет проходить пульсирующий ток одного направления, т. е. уже почти постоянный. Для уменьшения пульсаций тока параллельно нагрузке включают сглаживающие конденсаторы или используют многофазные схемы выпрямителей. Долгие годы вакуумный диод был единственным прибором для выпрямления переменного тока. У него было много недостатков. Трудно получить большой ток: нужен мощный катод, излучающий большой поток электронов, а на его накал тратится большая мощность. Анод под ударами электронов тоже сильно разогревается. В результате вакуумная двухэлектродная лампа — кенотрон — не может выпрямить ток с высоким коэффициентом полезного действия. Для питания радиопередатчиков и других мощных установок изобрели газонаполненные диоды — газотроны, дуговые лампы, «поджигаемые» только во время положительных полуволн переменного напряжения, и многое другое. Но главная проблема — снижение мощности, рассеиваемой внутри выпрямителя, — оставалась нерешенной. Поэтому, например, до последнего времени и не было электровозов, работающих на переменном токе, поскольку не было эффективных выпрямителей.

Выпрямитель на вакуумной лампе — кенотроне.

Но разговорившись о ламповых выпрямителях, мы как-то забыли про другой принцип получения однонаправленного движения — принцип горки. Катиться с горки легко, а взбираться трудно. А если горка очень крутая и скользкая то просто невозможно. Похожим принципом пользовались еще первобытные охотники, устраивая ямы-ловушки. Зверь может упасть в яму, и выбраться из нее ему уже вряд ли удастся.

Яма-ловушка.

А что если и для электрических зарядов устроить такую горку, разумеется электрическую, чтобы они легко скатывались под горку, но не могли выбраться назад? Подобная горка называется потенциальным барьером. Он обязательно образуется в месте контакта двух веществ с различными типами проводимости-дырочным (p-тип) и электронным (n-тип). Веществами могут быть полупроводник p-типа и металл или два полупроводника р- и n-типов проводимости.

Вот как это происходит. В веществе с проводимостью n-типа избыток свободных электронов, а в веществе с проводимостью p-типа, напротив, электронов не хватает. Разумеется, электроны устремляются оттуда, где «густо», туда, где «пусто». А дырки двигаются в противоположном направлении. Очень образный пример, иллюстрирующий природу и движение электронов и дырок, приведен в учебнике физики для вузов Г. А. Зисмана, О. М. Тодеса: электрон можно представить как капельку воды над поверхностью, а дырку — как пузырек воздуха под ней. Одна и та же сила тяжести заставляет капельку двигаться вниз, а пузырек воздуха — вверх. Подобным же образом электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях под действием одного и того же электрического поля.

Контакт р- и n-полупроводников назван р-n переходом. Итак, дырки и электроны двинулись через переход. Долго ли будет продолжаться их движение? Наверно, нет. Как и на любом перекрестке, должен вспыхнуть красный свет, прекращающий движение по переходу. Ведь в результате движения зарядов p-область получает отрицательный. заряд, а n-область — положительный. В точке контакта возникает электрическое поле, препятствующее (как красный свет светофора) дальнейшему движению. Теперь дыркам, чтобы попасть в n-область, надо забраться на потенциальную горку высотой ??, т. е. преодолеть потенциальный барьер. То же самое относится и к электронам: поскольку они отрицательны, то и горка со склоном вниз для них препятствие. Значение ?? определяется только свойствами веществ, образующих переход, и еще немного зависит от температуры.

А вот теперь начинается самое интересное. В любом полупроводниковом диоде есть р-n переход. Собственно, кроме перехода диод имеет лишь корпус и выводы. Диод пропускает ток только в одном направлении. Давайте мысленно поэкспериментируем. Приложим внешнее напряжение «плюсом» к n-области, а «минусом» — к p-области. Этим мы только увеличим высоту горки или потенциального барьера. При этом всякое движение зарядов через переход прекратится и тока в цепи не будет. Поменяем полярность внешнего напряжения. Это уменьшит высоту потенциального барьера, и, следовательно, уже ничто не будет мешать носителям заряда двигаться через переход, т. е. в цепи появится электрический ток.

Потенциальный барьер, образующийся в р-n переходе.

Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении. Это направление называется прямым, а ток — прямым, или отпирающим. Допустимое значение прямого тока определяется площадью контакта и для мощных диодов может составлять десятки ампер. В то же время значение обратного тока обычно пренебрежимо мало и исчисляется микроамперами. Если нужно выпрямить еще больший ток, несколько полупроводниковых диодов соединяют параллельно.

Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении.

Схема простейшего выпрямителя на полупроводниковом диоде мало отличается от приведенной схемы выпрямителя с кенотроном. Она даже упрощается — становится ненужной обмотка силового трансформатора, питающая накал лампы. Но у такого выпрямителя, называемого однополупериодным, есть недостаток: ток в нагрузку течет лишь во время одного полупериода переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель.

Чтобы «заставить работать» и второй полупериод, устанавливают второй диод и наматывают еще одну обмотку (вторичную) силового трансформатора. Напряжения на диодах U_A и U_B имеют противоположную полярность, они противофазны. Поэтому диоды выпрямителя работают поочередно: когда один диод проводит ток, другой заперт, и наоборот. У нас получился двухполупериодный выпрямитель. Ток в нагрузке теперь пульсирует с частотой 100 Гц, а не 50, как ранее.

Двухполупериодный выпрямитель.

В простейших случаях пульсации устраняются конденсатором большой емкости, когда же требуется более точное сглаживание, используют фильтр нижних частот.

Сглаживающий фильтр.

Аналогичными свойствами обладает и мостовая схема выпрямителя. В ней используются четыре диода, зато нужна только одна вторичная обмотка трансформатора. Ток в нагрузке мостового выпрямителя имеет точно такой же вид, как и у двухполупериодного. Специально для мостовых выпрямителей выпускаются блоки из четырех диодов в одном корпусе.

Мостовой выпрямитель.

Полупроводниковые диоды легки, компактны и отличаются очень высоким КПД. Область их применения обширна — от детектирования слабых сигналов в радиоприемнике до выпрямления тока при мощностях в сотни киловатт в грузовых электровозах. Теперь на вопрос, поставленный в заголовке раздела, мало-мальски сведущие в электронике люди ответят: «Выпрямить переменный ток? Разумеется, нет ничего проще!».

Триод из… полупроводника?

Инженерам, воспитанным на электровакуумной технике, эта мысль казалась нелепой еще в 50-х годах. Ведь триод — это радиолампа, содержащая катод, анод и управляющую сетку. Потенциал сетки управляет анодным током, и благодаря этому эффекту получают усиление сигналов. Вот как это делается: входное напряжение сигнала прикладывают между сеткой и катодом. Для того чтобы случайные электроны, осевшие на сетке, отправлялись обратно к катоду, включают резистор утечки сетки R_g. В анодную цепь последовательно с источником питания включают резистор нагрузки R_a. Под действием входного напряжения изменяется анодный ток. Каждую лампу характеризуют рядом параметров, в том числе и крутизной характеристики S = ?I_a/?u_g - величиной, показывающей, на сколько изменится анодный ток при изменении потенциала сетки на 1 В. Принцип «чем больше, тем лучше» оправдывается и здесь. Обычно стремятся получить максимальную крутизну характеристики в рабочей точке, т. е. при заданных напряжениях на электродах. Анодный ток, проходя через резистор нагрузки, создает на нем некоторое падение напряжения. Его постоянная составляющая обычно не используется, а вот изменения, вызванные изменениями анодного тока, служат полезным выходным сигналом U_вых = ?I_a·R_a. Выразите изменения анодного тока через изменения сеточного напряжения ?u_g = U_вх и подставьте в последнюю формулу.

У вас получится U_вых = S·R_a·U_вх. Произведение S·R_a является коэффициентом усиления лампы по напряжению. Хотя мы получили упрощенную формулу, она дает верное представление о значении коэффициента усиления.

Ну вот, мы посмотрели, как действует усилитель электрических сигналов на электровакуумной лампе. Его коэффициент усиления может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен раз.

Усилитель на электровакуумной лампе (триоде).

Как же сделать триод из полупроводника? Эту задачу решили в 1948–1949 годах американские ученые Д. Бардин, В. Братгайн и У. Шокли, за что они были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Давайте посмотрим, как им удалось сделать транзистор. Объединим два диода, как показано на рисунке. Область р в середине структуры называется базой, одна из n-областей — эмиттером, а другая — коллектором. Из самих названий ясно, что эмиттер должен что-то излучать, или испускать, а коллектор — это «что-то» собирать.

Структура транзистора n-p-n типа.

Но что можно испускать в полупроводнике? Разумеется, носители заряда — электроны или дырки. Следовательно, на эмиттерный переход надо подать отпирающий потенциал, тогда через этот переход пойдет ток и возникнет движение зарядов. Вот схема включения полупроводникового триода, или транзистора. Транзистор здесь уже изображен так, как его обычно указывают на принципиальных схемах электронных устройств. База (Б) обозначена черточкой, эмиттер (Э) — стрелкой, а коллектор (К) просто наклонной линией, подходящей к базе. Стрелка эмиттера показывает направление тока через эмиттерный переход. Этот ток создается батареей G1. А чтобы он не достигал очень больших значений, ведь сопротивление открытого р-n перехода весьма мало, включен ограничивающий ток резистор R_э. Итак, из эмиттера в толщу полупроводника (хотя какая там толща — толщина базы современных транзисторов измеряется микрометрами!) направляется поток электронов. Все было бы хорошо, если бы электроны, собравшиеся было осесть на базе, не попадали в сильное электрическое поле коллектора, который находится очень близко от эмиттера. На коллектор от батареи G2 подано сравнительно большое напряжение (несколько вольт или даже десятков вольт). Оно приложено в направлении, обратном для коллекторного р-n перехода, поэтому собственного тока через коллекторный переход практически нет. Но есть эмиттерный ток, и электроны, попадая в поле коллектора, направляются к нему и создают ток в коллекторной цепи. У современных транзисторов коллектор «перехватывает» более 99 % всех электронов, излучаемых эмиттером.

Следовательно, «коэффициент перехвата», равный отношению коллекторного тока к эмиттерному, h_21б = 0,99 или даже больше. Он называется коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой или коэффициентом передачи тока эмиттера. Действительно, в данной схеме включения базовый электрод является общим и для эмиттерной, и для коллекторной цепей. В саму же базу попадает всего 1 — h_21б т. е. менее 1 % тока эмиттера. Но вот что важно: и коллекторный, и базовый токи прямо пропорциональны току эмиттера, и если последний прекратится, то прекратится и коллекторный ток. Значит, эмиттерный ток управляет коллекторным! Но где же усиление? В этой схеме усиления по току действительно нет. Тем не менее можно получить усиление по напряжению и по мощности, если в цепь коллектора включить не измерительный прибор (миллиамперметр), как показано на рисунке, а резистор нагрузки с достаточно большим сопротивлением. Тогда изменения коллекторного тока вызовут изменения падения напряжения на нагрузке тем большие, чем больше ее сопротивление.

Включение транзистора по схеме с общей базой.

Но существует и другая, наиболее распространенная схема включения транзистора — с общим эмиттером. Здесь отпирающее напряжение подается на базу. Переход база — эмиттер, как и прежде, отпирается, и эмиттер испускает носители заряда — электроны. Если обозначить ток эмиттера i_э то ток базы составит (1 — h_21б)/i_э, а ток коллектора — h_21б)·i_э.

Включение по схеме с общим эмиттером.

Найдем отношение тока коллектора к току базы: i_k/i_б = h_21б(1 — h_21б). Его значение около 100. Оно называется коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером h_21э или коэффициентом передачи тока базы. Ток коллектора непосредственно зависит от тока базы: чем больше i_б, тем больше и i_k. Тут опять происходит управление большим током коллектора с помощью малого тока базы. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но уже значительно усиленный, выделится и на резисторе нагрузки R_н в коллекторной цепи. Именно так и устроены простейшие транзисторные усилители сигналов. Никаких накаленных катодов, никаких баллонов, откачанных до глубокого вакуума — транзистор представляет собой крошечный элемент с тремя проволочками-выводами. И напряжения питания требуются небольшие — всего несколько вольт. По массе, габаритным размерам и потребляемой мощности транзистор не идет ни в какое сравнение со своей предшественницей — электронной лампой.

Транзисторы, собственно, открыли возможность микроминиатюризации аппаратуры. С одной стороны, микроминиатюризация, а с другой… Допустим, вы столкнулись с конкретной технической задачей: надо сделать выключатель для очень мощного потребителя тока, скажем лампы прожектора, электродвигателя дрели или станка. Потребляемый ток — несколько ампер. У вас нет выключателя с такими контактами. Что делать? Долгое время подобные задачи решались традиционным способом — использовали электромеханическое реле. Маломощный выключатель замыкает цепь обмотки реле. Обмотка потребляет сравнительно небольшой ток, поэтому и выключатель можно взять маломощный, и провода, ведущие к нему, могут быть длинными и тонкими. Когда ток идет через обмочу, сердечник намагничивается и притягивает якорь, а тот, в свою очередь, замыкает контакты. Все переменилось с разработкой мощных транзисторов. Когда цепь базы разомкнута, ток базы равен нулю, следовательно, отсутствует и ток коллектора. Лампа прожектора Н1 не горит. Замыкая контакты выключателя S1, мы включаем ток базы, и через лампу идет коллекторный ток, заставляя ее гореть. Ток базы может быть в сто раз меньше тока коллектора, и наш маломощный выключатель оказывается вполне пригодным. У транзисторного реле нет обгорающих контактов, нет трудоемкой в изготовлении обмотки, да и вообще нет движущихся элементов.

Электромеханическое и транзисторное реле.

Если электромеханическое реле может выдержать несколько тысяч или десятков тысяч включений, то срок службы транзисторного реле практически ничем не ограничен. Теперь подобные транзисторные реле используют в автомобилях. Для подобных же целей разработаны и еще более совершенные полупроводниковые выключатели — тиристоры. Тиристор может находиться только в одном из двух состояний; либо «включено», либо «выключено». В первом случае он оказывает минимальное сопротивление проходящему через него току, а во втором — практически полностью размыкает цепь. Для переключения тиристора во включенное состояние достаточно небольшого и весьма маломощного импульса напряжения, подаваемого на управляющий электрод.

Специалисты долгое время относились с недоверием к полупроводниковым силовым устройствам, опасаясь их малой надежности. Сейчас эти опасения остались в прошлом. Не зря одна из фирм США в рекламном проспекте изображала полупроводниковый блок питания с лежащим поверх него ломиком-гвоздодером! По надежности, мощности и долговечности эти два «устройства» вполне сопоставимы.

После более чем десятилетнего безраздельного господства в электронике только что описанных транзисторов (названных биполярными) у них появился конкурент. Он, собственно, и дал обыкновенному транзистору новое название — «биполярный транзистор», которое подчеркивает этим наличие у обычного транзистора «двух полюсов»-контактов с различными типами проводимости.

Новый транзистор, изобретенный У. Шокли, назван униполярным или полевым. «Полевым?» спросит читатель. Бывают полевые цветы, полевые работы, палевая артиллерия, наконец! А что такое полевой транзистор? Свое название полевой транзистор получил от электрического поля, принимающего самое непосредственное участие в его работе.

Устройство полевого транзистора несложно. На поверхности чистого полупроводника с помощью примеси формируют токопроводящий канал р- или n-типа. От концов канала сделаны выводы, называемые истоком (аналог эмиттера) и стоком (аналог коллектора). В середине сечение канала сужается, и в этом месте сделан еще один вывод — затвор. Проводимость затвора противоположна проводимости канала. Более того, на затвор подают запирающее напряжение смещения, и ток через затвор отсутствует. Получился полевой транзистор с р-n переходом. В других конструкциях затвор вообще изолирован от канала тонким (доли микрометра) слоем диэлектрика. Это полевой транзистор с изолированным затвором.

Как же работает полевой транзистор? Когда на сток подано напряжение питания, через канал проходит некоторый ток i_с, обусловленный движением носителей — электронов (в канале n-типа) или дырок (в канале р-типа). Запирающее поле затвора сужает канал, увеличивая его сопротивление. Чем больше запирающее напряжение на затворе, тем меньше становится эффективное сечение канала, сквозь которое движутся носители тока. Общий ток стока при этом, естественно, уменьшается. При напряжении на затворе, равном напряжению отсечки U_отс, ток стока прекращается совсем. Описанные процессы очень похожи на явления, происходящие в электровакуумной лампе — триоде, с той лишь разницей, что происходят они не в вакууме, а в толще полупроводника.

На рисунке показана схема включения полевого транзистора. Рядом приведена характеристика зависимости тока стока от напряжения на затворе. Если напряжение на затворе изменяется в соответствии с усиливаемым сигналом, то по такому же закону изменяется и ток стока. На резисторе нагрузки R_н выделяется усиленное напряжение сигнала.

Полевой транзистор.

Поле затвора сужает канал и запирает транзистор.

Важным достоинством полевого транзистора является его исключительно высокое входное сопротивление — ведь цепь затвора никакого тока практически не потребляет (еще одно сходство его с электронной лампой). Правда, коэффициент усиления но напряжению полевого транзистора, как правило, несколько меньше, чем у биполярного.

В последние годы разработаны полевые транзисторы для самых различных устройств — и для сверхчувствительных ультракоротковолновых приемников, и для мощных усилителей звуковой частоты. Используют полевые транзисторы и в цифровых интегральных микросхемах, отличающихся особой экономичностью.

Схема включения и стоко-затворная характеристика полевого транзистора.

Обрабатываем аналоговые сигналы

Что же можно сделать с аналоговым сигналом с помощью радиоэлектронных «кирпичиков» и зачем? Возьмем два простых примера. Перед микрофоном мышонок, он еле пищит, а требуется громко воспроизвести звук его «голоса». Значит, аналоговый сигнал после микрофона надо усилить. Другой пример: у мышонка надо измерить температуру. Обычный градусник не подходит — он больше самого мышонка, да и держать его мышонок не будет. Значит, надо воспользоваться электронным термометром. Что он собой представляет? Крохотную бусинку — термопару, укрепленную на конце термозонда. Достаточно таким термодатчиком прикоснуться к нагретому телу, как в термопаре, представляющей собой контакт двух проволочек, изготовленных из разных металлов, возникает термоЭДС. Она очень мала-часто не более долей милливольта. А для нормальной работы стрелочного или цифрового индикатора нужно напряжение примерно несколько вольт. Значит, выходной сигнал термопары надо усилить, по крайней мере, в 1000 раз. Тогда-то мы и получим возможность, на мгновение прикоснувшись термозондом к телу мышонка, отсчитать значение термоЭДС, пропорциональное температуре.

Усиление звуковых колебаний.

Как измерить температуру мышонка?

В описанных случаях нужны два принципиально разных усилителя. Звуковой сигнал — быстро изменяющийся процесс, состоящий только из колебаний. Ведь не требуется передавать значение атмосферного давления — надо преобразовать в электрическую форму и усилить лишь изменения давления. Соответственно и усилитель должен быть усилителем переменного тока. Диапазон усиливаемых им частот соответствует звуковому диапазону, и у хороших моделей он составляет 20 Гц… 20 кГц. Иная ситуация возникает при усилении сигнала термодатчика. Если мышонка не дразнить и не пугать, его температура останется неизменной. Постоянной будет и термоЭДС датчика. Следовательно, здесь нужен усилитель постоянного тока, усиливающий не только изменения, но и так называемую постоянную составляющую подводимого к его входу сигнала.

Усилители переменного тока, как правило, проще, надежнее и стабильнее усилителей постоянного тока. Как включить транзистор, чтобы он работал как усилитель, мы уже знаем. Для увеличения коэффициента усиления соединяют последовательно несколько каскадов, как показано на рисунке.

Двухкаскадный усилитель переменного тока.

Каждый каскад такого усилителя содержит транзистор, два резистора и разделительный конденсатор. Первый резистор R_б1, создает некоторый начальный ток базы, который называют током смещения. Транзистор этим током «выводится» на линейный участок характеристики и становится способным усиливать как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. Слова «линейный участок характеристики» имеют следующий смысл: выходной сигнал усилительного каскада пропорционален входному, что и требуется для усиления без искажений.

Ток коллектора, проходя через резистор нагрузки R_н1, создает на нем некоторое падение напряжения, которое изменяется в такт с изменениями входного сигнала. Обычно режим работы транзистора (т. е. токи электродов) подбирают таким, чтобы на резисторе нагрузки выделялось постоянное напряжение, равное половине напряжения питания. Тогда ток через транзистор может изменяться (при изменениях входного сигнала) от нуля до удвоенного значения при отсутствии тока сигнала. При этом амплитуда снимаемого с нагрузки сигнала может достигать половины напряжения питания.

Существует много разновидностей усилителей переменного тока. Для увеличения размаха и мощности выходного сигнала резистор нагрузки усилительного каскада иногда заменяют трансформатором. Сопротивление его обмотки для постоянного тока мало, и на коллектор транзистора поступает практически полное напряжение источника питания. А для переменного тока индуктивное сопротивление трансформатора велико, в результате и усиление получается значительным. Часто используют двухтактные усилители мощности. В них положительная полуволна входного сигнала усиливается одним транзистором, а отрицательная — другим. В результате возрастают КПД и выходная мощность усилителя.

Но давайте вернемся к усилителям постоянного тока. Проектирование их всегда было большой проблемой. Часто предпочитали даже такой сложный путь: преобразовывали входной сигнал постоянного тока в переменный, усиливали получившийся переменный ток и затем снова выпрямляли (детектировали). Положение изменилось после разработки транзисторов с различными типами проводимости. Мы до сих пор рассматривали только транзистор структуры n-р-n. Опирающее напряжение на его базе должно быть положительным. Напряжение такой же полярности надо подавать и на коллектор. Но бывают транзисторы и р-n-р типа, требующие напряжений другой полярности. Более того, они были и разработаны первыми и многие годы применялись почти исключительно во всех электронных устройствах. Кристаллы для этих транзисторов изготавливались из германия. В последние годы германиевые транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми, имеющими лучшие параметры и лучшую температурную стабильность. К тому же сырье для германиевых транзисторов дорого и его не хватает. Сейчас, вводя различные примеси, делают кремниевые транзисторы любого типа проводимости.

Пару транзисторов с различными типами проводимости, но примерно с одинаковыми параметрами (мощностью, коэффициентом передачи тока) называют комплементарной парой. Эта «дружная» пара открыла новые возможности для создания эффективных усилителей с высоким КПД. Вот, например, как выглядит простейший усилитель мощности на комплементарной паре транзисторов.

Комплементарная пара и усилитель па комплементарных транзисторах.

Для него нужны два источника питания с одинаковыми напряжениями, но различными полярностями +E_пит и — E_пит. Это недостаток, но он с лихвой окупается многими достоинствами усилителя. На вход можно подавать сигнал как положительной, так и отрицательной полярности. В первом случае открывается верхний, n-р-n транзистор, и в нагрузку R_н течет ток положительной полярности.

Во втором — отпирается нижний, р-n-р транзистор, и в нагрузку течет ток отрицательной полярности. Если же входной сигнал отсутствует, то оба транзистора закрыты и от источников питания не потребляется почти никакой мощности. Этим и объясняется высокий КПД усилителя. Напряжение сигнала описываемый усилитель не увеличивает. Действительно, при усилении положительной полуволны входного сигнала транзистор V1 должен быть от крыт, т. е. напряжение между его базой и эмиттером U_БЭ = U_вх — U_вых должно быть положительным. А это значит, что выходное напряжение U_вых, будет меньше входного U_вх. То же самое произойдет и при усилении отрицательной полуволны сигнала, когда откроется транзистор V2, только знаки напряжений изменятся на обратные. Коэффициент передачи усилителя по напряжению составляет в зависимости от типов транзисторов, напряжения питания и сопротивления нагрузки 0.8…0,99, т. е. немного меньше единицы. Зато ток в нагрузке, а следовательно, и мощность могут быть намного больше, чем ток и мощность сигнала, действующего на входе усилителя. Чтобы подчеркнуть тот факт, что выходное напряжение примерно повторяет входное, часто такой каскад называют комплементарным (составным) эмиттерным повторителем.

Проблему усиления мощности, т. е. вопрос проектирования выходного каскада усилителя постоянного тока, мы решили. Но надо ведь усиливать и напряжение. Обычный, уже разобранный нами усилительный каскад на одном транзисторе здесь малопригоден, поскольку на его коллекторной нагрузке выделяется большое постоянное напряжение, не зависящее от сигнала. Его надо как-то компенсировать, да к тому же оно изменяется при колебаниях напряжения питания, изменениях тока транзистора из-за нагрева и многих других факторов. На выручку приходит дифференциальная схема включения двух транзисторов, показанная на рисунке.

Дифференциальный транзисторный каскад и мальчики, образовавшие «дифференциальную» пару.

Когда двое ребят качаются на доске-качелях, их движения взаимосвязаны; если один опускается вниз, другой летит вверх. Дифференциальный каскад действует подобным же образом. Если на базу одного транзистора подан открывающий положительный потенциал, ток через этот транзистор возрастает. Возрастает и падение напряжения на общем эмиттерном сопротивлении R_э, следовательно, потенциал эмиттеров обоих транзисторов тоже повышается. Но потенциал базы второго транзистора остался неизменным, значит, второй транзистор будет закрываться. Сумма коллекторных токов обоих транзисторов остается неизменной, но сами токи могут изменяться (один уменьшаться, другой увеличиваться), как и высота подъема ребят на качелях. У дифференциального каскада два входа, причем реагирует он на разность потенциалов между входами. Синфазные же изменения входных напряжений, также как и напряжений питания, уже значительно меньше влияют на работу каскада. Выходной сигнал снимают с обоих выходов или же с любого из них. Дифференциальные каскады с эмиттерной связью очень широко применяются в электронной технике.

К сожалению, в одной книге нет возможности рассмотреть громадное многообразие схемотехнических решений, используемых в современной электронике. Читатели, интересующиеся вопросами построения транзисторных схем, когда потребуется, могут обратиться к специальной литературе, которая, во всяком случае в библиотеках, имеется в избытке. А пока пойдем дальше. Выше мы без тени сомнений использовали по два транзистора в устройствах, где, казалось бы, можно обойтись и одним. Двадцать лет назад применение двух ламп вместо одной было целым событием. С появлением полупроводниковой технологии положение совершенно изменилось. Все реже транзисторы и другие детали электронных схем можно увидеть в виде отдельных, как говорят, дискретных элементов. Дело в том, что сейчас уже всю схему усилителя можно выполнить на одном кристалле полупроводника! Вот как это делается.

Интегральная технология

На одном кристалле чистого полупроводника можно изготовить много транзисторов. И они не будут «мешать» друг другу или взаимодействовать между собой, ведь чистый полупроводник плохо проводит электрический ток. Добавляя в нужных местах микроскопические капельки примесей, можно получать транзисторы с их эмиттерными и коллекторными переходами. Для нужной схемы транзисторы надо соответствующим образом соединить друг с другом. Напылим между нужными точками микроскопические дорожки из металла, и соединительные проводники готовы! Если в соединительный проводник вмонтирован резистор, напылим металла поменьше, слой будет тоньше, чтобы сопротивление проводника равнялось требуемому. Или в разрыв соединительного проводника введем капельку примеси, чтобы сопротивление полупроводника в этом месте достигло нужной величины. Так формируется резистор.

Труднее обстоит дело с конденсаторами. Способами полупроводниковой интегральной технологии они не изготавливаются, поэтому часто используют гибридную технологию, напыляя или прикрепляя другим способом микроскопические керамические конденсаторы в нужных местах микросхемы. Все это, конечно, легко сказать, но нелегко сделать. Ушли годы напряженной конструкторской и изобретательской работы, прежде чем появились первые интегральные микросхемы. Разумеется, их невозможно изготовить вручную. Отполированный кристаллик кремния размерами, скажем, 1,5 х 1,5 мм закрепляется на координатном столике фотолитографической установки. На поверхность кристалла уже нанесен слой специального вещества — фоторезиста. Изображение деталей или проводников мощным объективом проецируется на кристалл, включается кварцевая лампа — происходит экспонирование. Затем неэкспонированные места вытравливаются кислотами — образуется рельефный рисунок будущей микросхемы.

Вводятся примеси. Способов много — например, ионная имплантация. В вакуумной камере мощная «пушка» излучает поток ионизированных атомов примеси. Лучик их очень узок, измеряется микрометрами. Длительность экспонирования определяет количество введенной примеси. Или, например, диффузионный способ. На кристалл наносят строго дозированные микроскопические капельки примеси, и затем кристалл нагревается в электроиндукционной печи и расплав примеси диффундирует в толщу полупроводника на строго заданную глубину. Есть множество хитроумных и сложных технологических процессов, в результате которых и получается современная интегральная микросхема. Производство их сложно, но уж если поточная линия и все технологические процессы отлажены, микросхемы можно «штамповать» десятками тысяч, и все затраты с лихвой окупаются. Разработана так называемая групповая технология, с помощью которой на одной кремниевой пластине сразу изготавливают сотни микросхем.

На рисунке показаны, как говорится, «год нынешний» и «год минувший». Одинаковые металлические корпусы диаметром 10 и высотой 8 мм. Различить детали внешне можно только по числу выводов и по маркировке на корпусе. Слева транзистор МП26 выпуска 1971 года. У него всего три вывода. Он может усилить сигнал в 30 раз, можно на нем построить генератор. Правда, в обоих случаях надо еще десяток внешних элементов, главным образом резисторов. Значит так: нужно разработать и изготовить печатную плату, сделать монтаж, наладить изготовленное устройство. И места оно займет порядочно…

Справа интегральный операционный усилитель К140УД8А выпуска 1982 года. Восемь выводов. Коэффициент усиления 50 000. Вход практически не шунтирует источник сигнала — входное сопротивление более 1000 МОм (миллионов ом!). Выход, правда, маломощный (допустимое сопротивление нагрузки 2 кОм), зато и потребляемый от источников питания ток составляет всего 3 мА. Заметен прогресс? То ли еще будет, когда мы обратимся к цифровой технике. А пока подробнее об этом и подобных ему усилителях.

От биполярного транзистора к операционному усилителю.

Операционный усилитель

Операционный усилитель один из самых главных «кирпичиков» современной аналоговой электроники. Он спроектирован так, чтобы удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчиков электронной техники. Вот его обозначение:

Операционный усилитель.

У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный «+», и инвертирующий, обозначенный «—». Если на неинвертирующий вход подать положительный потенциал, то потенциал на выходе возрастет. Но если положительный потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе уменьшится.

А если одинаковый потенциал подать сразу на оба входа? Потенциал выхода не изменится. Как и полагается усилителю с дифференциальным входом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами и хорошо подавляет одинаковые сигналы на входах или, как говорят специалисты, синфазную составляющую входного сигнала.