Простейший транзисторный усилитель

6.5. ПРОСТЕЙШИЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Предназначен для усиления электрических сигналов. Основное назначение - усиление входного напряжения, т. е. чаще всего используется как предварительный усилитель. Рассмотрим работу схемы усилителя при включении транзистора n-p-n по схеме с ОЭ (рис. 72). Усиление основано на изменении сопротивления между эмиттером и коллектором под действием входного сигнала. Важная особенность - входной и выходной сигналы находятся в противофазе. На схеме обозначены: +Uпит Rк - резистор в цепи колRк(Rн1) лектора; Rэ - резистор в цени R Uвых обратной отрицательной связи C1 1 к по току; Cэ - конденсатор, шунх б тирующий резистор Rэ по пеRн2 + ременному ток; R1,R2 - резиэ Uвх сторы делителя напряжения в Сэ Rэ цепи базы; C1, - разделительR2 ный конденсатор в цепях входного сигнала; Rн - резистор нагрузки; Uвх - входное синусоидальное напряжение (входной сигнал); Uвых - выходное синусоидальное напряжение (выходной сигнал). Разделительный конденсатор С1 нужен для того, чтобы переменный Uвх не влиял на исходное (начальное) входное напряжение Uбэ, задающеее положение исходной точки усилителя на входной характеристике Iб от Uбэ. Шунтирующий конденсатор Сэ фактически обеспечивает шунтирование переменной составляющей U на Rэ, чтобы переменный Uвх прикладывался непосредственно к управляющему переходу Uбэ. Определим требованию к выбору и расчету основных элементов схемы. Для задания режима работы транзистора используется делитель R1R2, который задает рабочую точку на входной характеристике: выбирается линейный участок кривой Iб (Uбэ) по длине на оси Uбэ не короче, чем двойная амплитуда входного сигнала. Средняя точка этого участка выбирается рабочей точкой (точка «покоя»). Проведя перпендикуляр к оси Uбэ находим Uбэп - напряжение (покоя) на входе при отсутствии входного сигнала. Зная Uбэп и Iбп, по характеристикам Iб(Uбэ) или Iк(Uбэ) определяется Iкп (рис. 73). Если нагрузка Rн, включена непосредственно в цепь коллектора (и при отсутствии RЭ ), напряжение источника питания Uпит распределяется между нагрузкой и переходом коллектор - эмиттер (Uкэ): Uпит = Uкэ + Iк * Rн, поэтому ток коллектора изменяется по линейному закону в соответствии с выражением Iк = (Uпит - Uкэ) / Rн (см. рисунок) Iкп Рис. 73. Графический расчет транзисторного усилителя Построим нагрузочную прямую на нагрузочной характеристике Iк(Uкэ). Для этого на оси Uкэ отложим Uпит , а на оси Iк - величину, равную Uпит /Rн и соединим эти точки прямой. Графическая зависимость Iк = f(Uкэ) представляет собой прямую линию, которая называется нагрузочной прямой. Сопротивление в цепи коллектора Rк выбирается в зависимости от нагрузки. Ток Iд через делитель R1R2 должен быть на порядок больше тока базы Iб. Тогда: Iд= Uпит /(R1+R2). В то же время напряжение на базе , Uбп=R2* Uпит /(R1+R2). Откуда: R2=Uбп/Iд и R1= Uпит /Iд-R2. График выходного напряжения, в зависимости от входного сигнала, представлен на рисунке ниже. Транзистор выбирают исходя из следующих соображений:  Коэффициент усиления стат. (h21э) выбирается больше необходимого, так как усиление будет ослаблено обратной связью, образуемой Rэ ;  Максимальный ток коллектора выбирается с учетом нагрузочной прямой;  максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе должна быть больше чем произведение Uвых Iкп*Uкэп.; + Конденсаторы С1 и С2 яв ляются разделительными и предназначены для отсечения постоянной составляющей через них течет только переUвх  менный ток и постоянная со+ t ставляющая источника сигнала не влияет на работу транзистора, а постоянная составляющая с коллектора не попадает в нагрузку. Значения С1 определяется из соотношения: С1 = 1 / 2 f *(R1 || R2 ), где f – частота сигнала. Элементы Сэ и Rэ, стоящие в эмиттерной цепи, предназначены для стабилизации точки покоя: СЭ = (8…10) / 2 f *RЭ . 6.6. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР Полевой транзистор (ПТ) это активный (способный усиливать сигналы) полупроводниковый прибор. Полевые транзисторы выполняют те же функции, что и биполярные. Но, если полупроводниковый транзистор можно условно рассматривать как усилитель тока с коэффициентом усиления стат , то в полевом транзисторе проводимостью канала управляет электрическое п о л е . ПТ называют также униполярными, так как в процессе протекания тока участвуют только основные носители зарядов. ПТ бывают двух полярностей: n-канальные (с проводимостью за счет электронов) и p–канальные (с дырочной проводимостью) (по аналогии n-p–n и p–n- p). Аналогично биполярному, в полевом транзисторе имеется три электрода: сток – аналог коллектора, исток –аналог эмиттера и затвор –аналог базы (рис. 74). Ток через затвор не течет и это главное отличие (и преимущество) полевого транзистора. n канальные p канальные Сток Затвор Сток Затвор Исток Исток Коллектор База Коллектор n-p-n База p-n-p Эмиттер Эмиттер Рис. 74. Полевые транзисторы: а) n-канальные; б) р-канальные Полевые транзисторы могут быть с у п р а в л я ю щ и м p – n переходом и полевые транзисторы с о с т р у к т у р о й м е т а л л д и э л е к т р и к п о л у п р о в о д н и к (МДП), называемые также ПТ с изолированным затвором (рис. 75). Поскольку в качестве диэлектрика р-канальный n-канальный Затвор Сток Сток Подложка Затвор Исток Исток Сток Сток Затвор Подложка Подложка Исток Затвор Подложка Исток Рис. 75. Полевые транзисторы с изолированным затвором часто используется окисел кремния (тонкий слой стекла SiO2), поэтому транзисторы этого типа называют еще МОП - транзисторами (металл - окисел - полупроводник). В них имеется четвертый электрод – подложка. В нормальном положении сток (коллектор) n-канального МОП транзистора имеет положительный потенциал относительно истока. Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное относительно истока напряжение. В последнем случае затвор становится "прямосмещенным", и возникает ток стока, который весь проходит к истоку. Его выходные характеристики подобны биполярному транзистору. Отличия в том , что затвор действительно изолирован от канала сток-исток и ток затвора равен 0. Обычно МОП может выдерживать напряжение затвора до 20В и более. МОП более просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности и при этом через затвор не будет протекать никакой ток. МОП транзисторы прекрасно справляются с ролью аналоговых ключей, управляемых напряжением (рис. 76). Малое сопротивление в проводящем состоянии "ВКЛ", крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки "ВЫКЛ", малые токи утечки и малая емкость. Если МОП ПТ Вх. сигнал включены встречно, подобно симисторам, Выход то они одинаково рабо+15В 47к тают в обоих направлеУправление 0В ниях и называются в Рис. 76. Аналоговый ключ на МОП транзисторе этом случае КМОП транзисторами. К недостаткам ПТ следует отнести то, что они имеют, как правило, больший разброс параметров по сравнению с биполярными и обладают меньшей помехоустойчивостью. 7. ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ 7.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕМЕЙСТВ МИКРОСХЕМ В современной технике для построения различных электронных устройств находят широкое применение интегральные микросхемы (ИМС). По выполняемым функциям ИМС принято разделять на цифровые и аналоговые. Все ИМС имеет выводы (в просторечии "ножки"): питания -: напряжение питания (в большинстве случаев +5 В) и общий (или "земля"), которые на схемах обычно не указываются; входных сигналов (или "входы"), на которые поступают сигналы, в цифровых схемах— логические (цифровые); выходных сигналов (или "выходы"), на которые выдаются сигналы из самой микросхемы. Структура и внешний вид ИМС приведен на рис. 77. Нумерация выводов начинается от ключа (углубление на корпусе, рис. 77б внизу) против часовой стрелки. Каждая цифровая мика) б) росхема преобразует, тем или иным способом, последовательность входных сигналов в выходные сигналы. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы Рис. 77. Микросхема: а) структура; б) внешний вид (называемой таблицей истинности или состояний), или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов. Современные микросхемы изготавливаются в основном по трем технологиям: ТТЛШ (ранее ТТЛ), КМОП и ЭСЛ.  ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки;  КМОП – комплементарная структура металл-окисел-проводник;  ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика. Не вдаваясь в особенности технологии, кратко охарактеризуем наиболее широко применяемые серии микросхем, изготовленные по этим технологиям. ТТЛШ (англ. TTL) характеризуются высоким быстродействием, низким энергопотреблением, широкой номенклатурой и стандартным уровнем питания «+5В», который получил название «ТТЛ уровень». КМОП (англ. CMOS) – имеют сверхнизкое энергопотребление (особенно при невысоких частотах) и работают в широком диапазоне питающего напряжения (от 1,5 до 18В). ЭСЛ – характеризуются сверхвысоким быстродействием и большим энергопотреблением. Имеют нестандартный уровень питания (–5,2В) и нестандартные уровни логических сигналов. Основные характеристики широко распространенных цифровых микросхем показаны в табл. 2 . Кратко охарактеризуем их. Значение Рвент, рассеиваемой мощности (или удельной расчетной мощности на один логический элемент), важно учитывать тогда, когда необходимо знать точное значение тока потребления и когда критично значение потребляемой (выделяемой) мощности Рпотр. = UI . Следует отметить, что закрытому состоянию логического вентиля соответствует один уровень рассеивания мощности, а открытому – другой. Таблица 2 Значение параметра ТТЛШ КМОП (улучшен.) Наименование паОбозначение серии (отечественное / зарубежное) раметра U пит, В Р вент, мВт Т зад , нс D, пДж Uвых, В Логич. 0 / 1 Краз ТТЛ ТТЛШ 155; 133/ SN74 ; 54 +5 10 10 100 0,4 / 2,4 10 555 ;533/ SN74LS; 54LS +5 2 10 20 0,5 / 2,7 20 1533/ SN74ALS +5 2 4 8 0,5 / 2,7 20 561; 1564/ CD4000A,B +1,5-18 0.0004 50-100 0,02 0,3 Uп /0,9 Uп 20 ЭСЛ 500; 1500/ MC10000 -5,2 25 1-2 50 –1,63 / –0,98 10 Термин рассеиваемая мощность , в зависимости условий задачи часто заменяют термином потребляемая мощность. У элементов ТТЛ (и их разновидностей) эта мощность обычно является неизменной при рабочих частотах до 10…12 МГц, и далее она существенно повышается. КМОП - микросхемы потребляют сверхмалые токи, в статическом режиме, независимо от того, закрыт вентиль или открыт. Основное энергопотребление у КМОП происходит в момент переключения из одного состояния в другое. Поэтому энергопотребление этих микросхем при сравнительно низких частотах (не превышающих единиц мегагерц), в сотни и более раз меньше, чем у аналогичных ТТЛ (ТТЛШ) ИМС, но возрастает пропорционально повышению частоты. Микросхемы КМОП чувствительны к статическому электричеству, и могут выходить из строя даже от заряда на руках. Поэтому они требуют особых мер при их использовании (пайке, контроле и т.д.). Нагрузочная способность ячейки в общем случае определяется током, который может быть отдан ячейкой во внешние цепи (нагрузку). В случае однородных нагрузок, создаваемых входами идентичных ячеек, нагрузочная способность оценивается коэффициентом разветвления. Под коэффициентом разветвления (Краз=10…20) полагают число входов последующих ячеек данной серии, которые могут управляться от выхода данной, при сохранении нормального электрического режима. Для определения числа подключаемых единичных нагрузок в пределах одной серии ИМС следует вычислить отношения: IOLmax /IIL и IOHmax /IIH; где IOLmax и IOHmax - максимально допустимые выходные (Out) токи (при низком L и высоком H уровне сигналов) нагружаемой ИС; а IIH, IIL - входные токи базового элемента данной серии. Меньшее из этих значений и является коэффициентом разветвления по выходу Краз, который показывает число единичных нагрузок, подключенных к данному выходу. Аналогичным образом можно рассчитать Краз при работе передатчика одной серии и приемника другой серии ИС. Для серий ТТЛ и ТТЛШ Краз представлен в табл.3 Таблица 3 Серии: ИМС-передатчик 155 531 555 1533 155 10 12 5 2 Краз для ИМС (нагрузок) других серий: 531 555 8 20 10 50 4 20 2 10 1533 20 50 20 20 В сериях ТТЛ и ТТЛШ имеются ИМС с повышенной нагрузочной способностью, которые имеют как открытый коллекторный, так и активный двухтактный выход. Нагрузочные способности таких элементов характеризуются табл. 4. Таблица 4 ИС - передатчик 155ЛА6 555ЛА6 155ЛА12 531ЛА12 555ЛА12 531ЛА16 Краз для ИМС (нагрузок) других серий: 155 531 555 1533 30 24 60 60 15 12 60 60 30 24 60 60 37 30 150 150 15 12 60 60 37 30 15 150 Быстродействие логического элемента определяется скоростями его перехода из состояния "0" в состояние "1" и обратно (рис. 78). Переходные процессы изменения состояния элемента состоят из двух этапов: задержки и форUвх мирования фронта (переднего 50% 50% или заднего) сигнала. Длительность задержек и фронтов заUвых t tзад.вн. Рис. 78. Задержка в ИМС tзад.нв висит от динамических свойств логического элемента. Длительности переходных процессов при включении и выключении транзистора в общем случае не равны, но для оценки быстродействия часто используют обобщенную характеристику -среднее время задержки. Задержка распространения tзад – время прохождения сигнала через устройство (вентиль), определяется, как время задержки появления изменённого сигнала на выходе относительно появления изменённого сигнала на входе, зафиксированный на определённом уровне от номинального значения сигнала, например, 50%. Задержка распространения характеризует быстродействие, то есть граничную частоту гарантированной работоспособности. t зад нв – время задержки при переходе вентиля из низкого состояния в высокое (задержка включения); t зад вн – время задержки при переходе вентиля из высокого состояния в низкое (задержка выключения); Общее время задержек на сложное устройство определяется путём сложения задержек на каждом устройстве. Часто фирмы изготовители указывают не задержку, а быстродействие или частоту (скорость) переключения, определяющую пределы устойчивой работы. Важным обобщающим параметром качества микросхем является добротность D, которая определяется как произведение задержки и потребляемой мощности. Естественно, чем меньше значение добротности, тем лучше. Одна из важнейших характеристик элемента - его помехоустойчивость. Помеха – нежелательное внешнее явление, которое может вызвать незапланированное изменение состояния логического элемента. Различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Устойчивость к воздействию динамической помехи тем ниже, чем выше быстродействие элемента. При определении статической помехоустойчивости помеха рассматривается как длительно действующий уровень потенциала, а при определении динамической помехоустойчивости - как импульс определенной длительности. Устойчивость элемента к воздействию длительной помехи меньше, чем к воздействию кратковременной помехи при одинаковых амплитудах. Существует два основных способа борьбы с помехами: 1. Изменение (уменьшение) уровня помех в источнике их возникновения: улучшение линий связи; разводки (развязки), экранирования и т.п. 2. Уменьшение чувствительности к помехам самих микросхем. Естественно, немаловажными характеристиками микросхем являются их стоимость и дефицитность и др. Более подробно особенности интегральных микросхем установлены ГОСТом 19480-89 Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров [8].