графические изображения и элементы многочисленных и разнообразных приборов и устройств электроники, автоматики, радио- и вычислительной техники. Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз и составляют то, чем занимается электроника. Электроника - один из крупных разделов электротехники, который часто рассматривают как отдельную область знаний. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.
Среди близко знакомых многим электронных систем - радиоприемники и телевизоры, стереофонические системы и видеомагнитофоны. В деловой сфере находит применение разнообразное электронное оборудование - от простых систем внутренней связи до мощных компьютеров для обработки информации. Государственные организации многих стран используют весьма сложное электронное оборудование для управления воздушным движением, сбора и обработки информации о погоде и стратегического планирования обороны. Фактически, электронные системы управления, измерения и обнаружения проникают во все уголки жизнедеятельности современного общества.
Одна из выдающихся характеристик электронных схем - гибкость их применения. Многие базовые схемы можно объединять многочисленными способами для выполнения, казалось бы, совершенно различных функций. Так, например, высококачественный усилитель может в одном случае использоваться для исследования электрических сигналов мозга, а в другом - при добавлении соответствующего датчика - для измерения напряжений нагруженной балки. В цифровой электронике простое базовое устройство памяти в одном случае может показывать, открывалась дверь или нет, а в другом - быть частью системы, подсчитывающей количество консервных банок, транспортируемых ленточным конвейером.
Электронные схемы обычно делят на два широких класса - аналоговой и цифровой электроники (некоторые схемы занимают промежуточную "серую" зону). Аналоговые электронные схемы - это те, в которых сигналы (токи или напряжения) непрерывны, и каждая их величина одинаково существенна. В цифровых схемах сигналы принимают лишь одно из двух значений; промежуточные значения не имеют отношения к функционированию цифровой схемы. Основная часть данной статьи посвящена рассмотрению фундаментальных схем аналоговой электроники; кроме того, описаны некоторые схемы цифровой электроники.
Здесь уместно кратко представить основные схемные характеристики транзистора - прибора, наиболее часто используемого в электронных схемах на компонентном уровне (подробнее о транзисторе см. ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ; ТРАНЗИСТОР). Такой более старый прибор, как электронная лампа, на смену которой пришел транзистор, сейчас используется только в качестве специализированных устройств, например телевизионных кинескопов, и в таких применениях, где требуются большие мощности на высоких частотах - в частности, в выходных каскадах вещательных передатчиков. См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ.
Характеристики транзистора. Первая реализация транзистора (1948) возвестила начало эры электроники, в которой миниатюризация, эффективность и надежность приборов далеко превзошли ранее достигнутые пределы. Среди множества разработанных полупроводниковых приборов чаще других в современной микроэлектронике используются два: биполярный плоскостной транзистор (BJT) и полевой транзистор (FET, ПТ). По традиции, электронные приборы обычно классифицируют по числу выводов. У диода есть два вывода, а у триода (BJT и FET являются триодами) - три. Тетроды и пентоды имеют соответственно четыре и пять выводов.
Биполярный транзистор содержит в себе переходы между полупроводниковым материалом p-типа (где электрическая проводимость обеспечивается носителями положительного заряда, т.е. дырками) и полупроводниковым материалом n-типа (где проводимость осуществляется носителями отрицательного заряда - электронами). Металлургический переход между этими материалами - p-n-переход - образует прибор, получивший название диода с p-n-переходом. Все диоды дают на своих выводах характеристику типа показанной на рис. 1,б. На рис. 1,а представлены используемый на чертежах символ диода и испытательная схема, позволяющая снять его вольт-амперную характеристику.
У характеристики диода имеется область малого прироста сопротивления (крутая ветвь), в которой малое повышение приложенного напряжения дает большое увеличение тока через диод, но вместе с тем имеется также область большого прироста сопротивления, где диод пропускает малый ток независимо от поданного на него напряжения. Эти области называют соответственно областями прямого и обратного протекания тока. Типичные значения тока в диодах, не относящихся к категории мощных, могут составлять 10 мА в прямом и 0,1 мкА в обратном направлении. Если напряжение, приложенное в обратном направлении, сделать достаточно большим, может произойти пробой диода. Пробой этого типа, однако, может быть использован для создания диодного стабилизатора напряжения, известного под названием полупроводникового стабилитрона. Такие диоды выпускаются для широкого ряда номинальных напряжений, стабилизируемых пробоем.
Плоскостной диод, используемый для работы с более высокими мощностями, например для преобразования переменного тока в постоянный, обычно называют выпрямителем.
В принципе, биполярный транзистор представляет собой область полупроводникового материала p- или n-типа, которая образует переходы с областями полупроводникового материала, обладающего проводимостью противоположного типа. Таким образом, существуют биполярные транзисторы как n-p-n-, так и p-n-p-типа.
Для оптимизации рабочих характеристик транзистора используют различные структуры. Во всех случаях общую область называют базой, а переходы - переходом эмиттер-база (эмиттерный) и коллектор-база (коллекторный). Три внешних вывода имеют названия базового, эмиттерного и коллекторного и обозначаются соответственно b, e и c (рис. 2).
Электрические характеристики переходов эмиттер-база и коллектор-база, взятых по отдельности, такие же, как у диода; поэтому о транзисторе часто говорят, что это два диода, включенные "спина к спине". Для правильной работы транзистора напряжения смещения для него выбирают так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. На рис. 2 показаны напряжения смещения Ve и Vc и направления создаваемых ими токов. Обратите внимание, что p-n-переход имеет прямое смещение, когда p-область положительна по отношению к n-области.
Удобный способ представления вольт-амперных характеристик транзистора - использование графика с семейством кривых. Эти кривые могут быть полезны при проектировании схем для работы в режиме большого сигнала или, что чаще, для разработки малосигнальных моделей, которые затем можно совершенствовать методами схемотехники. При построении характеристик транзистора возможны несколько вариантов выбора абсциссы, ординаты и параметра. Один из вариантов приводит к семейству кривых для схемы включения с "общей базой" (рис. 3).
Кривые, представленные на рис. 3, хорошо иллюстрируют работу транзистора. Важно обратить внимание на следующие моменты. За исключением влияния напряжения коллектора, входные характеристики, показанные на рис. 3,а, по существу такие же, как у диода, имеющего смещение в прямом направлении; но это так лишь до достижения точки, где переход коллектор-база становится смещенным в обратном направлении. Выходные характеристики (рис. 3,б) показывают, что коллекторный ток только немного меньше эмиттерного и практически не зависит от коллекторного напряжения, когда переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Отметим, что выходные характеристики по существу такие же, как у обратно смещенного перехода, но сдвинуты на величину тока эмиттера. Тот факт, что изменение тока эмиттера не вызывает такого же изменения тока коллектора, показывает, что усиления здесь не получается. Однако, поскольку в качестве нагрузки можно использовать резистор с большим сопротивлением, транзистор в данной схеме может служить для передачи тока низкоомного источника на высокоомную нагрузку, обеспечивая тем самым значительное усиление мощности. Другие схемы включения транзисторов могут давать усиление тока и напряжения.
Транзистор, как уже говорилось, имеет три электрода. Выбор одного из электродов в качестве общего для входа, подключенного к источнику, и выхода на нагрузку дает в принципе шесть основных схем усилителей. Из них только три получили широкое распространение: схема с общей базой, эмиттером в качестве входа и коллектором в качестве выхода; схема с общим эмиттером, где база служит входом, а коллектор - выходом; схема с общим коллектором, где база служит входом, а эмиттер - выходом. Наиболее часто используют схему с общим эмиттером.
Описание процесса создания эквивалентных схемных моделей для усилителей рассмотренных конфигураций и получение математических выражений, дающих характеристики таких схем, выходят за рамки данной статьи. Результаты соответствующих расчетов можно кратко представить в следующем виде.
Усилитель с общей базой. Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
Усилитель с общим коллектором. Обладает наивысшим входным и наименьшим выходным сопротивлением. Усиление по напряжению, как правило, близко к единице. Коэффициент усиления по мощности обычно самый низкий, но коэффициент усиления по току самый высокий. Фаза сигнала не инвертируется. Используется главным образом как буферный усилитель. (Такой усилитель называют также эмиттерным повторителем.)
Усилитель с общим эмиттером. Входное и выходное сопротивления этой конфигурации имеют промежуточные величины по сравнению с другими конфигурациями. Коэффициент усиления по напряжению почти такой же, как у схемы с общей базой, а коэффициент усиления по току почти столь же большой, как у схемы с общим коллектором; в результате данная конфигурация обычно дает наивысший коэффициент усиления по мощности. Фаза сигнала меняется на 180?.
Полевой транзистор (ПТ) играет столь же важную роль в качестве базового активного компонента электронных схем, как и биполярный. В этом транзисторе используются носители заряда только одного типа. Существует несколько вариантов полевых транзисторов; они различаются технологией изготовления и делятся на две группы: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник, или сокращенно МОП-транзисторы. У этих приборов есть некоторые общие характеристики. В отличие от плоскостных биполярных транзисторов, которые управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением, но, как и в биполярных, выходной ток у них по существу не зависит от выходного напряжения, когда оно превышает некоторый уровень. То, что ПТ управляется напряжением, означает, что ток на входе близок к нулю и, следовательно, от источника сигнала не требуется значительной мощности. Гораздо меньшие потребности полевых транзисторов в мощности в основном и способствовали широкому распространению микросхем с высокой степенью интеграции. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА.
См. также:
ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ: АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ: ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА