От редакции РЛ
Издательство Наука и Техника предложило для ознакомления несколько глав из только что вышедшей книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Сегодня Радиолоцман предлагает вниманию читателей первую главу.
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
| Аннотация издательства Наука и Техника | ||||
 |
Книга является путеводителем для радиолюбителя и начинающего разработчика в мир создания электронных схем на полупроводниковых элементах. Глубина рассмотрения сочетается с предельной доступностью, использованием наиболее простых и «прозрачных» методов синтеза схем и их анализа. Выдержан принцип пошагового рассмотрения – от простого к сложному. Радиолюбителям эта уникальная книга поможет перейти от слепого копирования схем к созданию собственных конструкций. Создаются и сравниваются аналогичные конструкции на различной элементной базе. Содержится интересный разбор частых заблуждений и ошибок, много полезного материала из практики разработчиков электронных схем. Книга предназначена для радиолюбителей и начинающих разработчиков. В ряде случаев книга будет полезна профессиональным разработчикам и студентам радиотехнических специальностей: изложение ведется на достаточно серьезном уровне. |
|||
1.1 Транзисторы и их модели
Характеристики транзисторов
Начало промышленного выпуска плоскостных полупроводниковых триодов приходится на середину 50-х годов прошлого века. Тогдашним радиоинженерам, привыкшим работать с электронными лампами, новый усилительный прибор казался как бы «ухудшенной радиолампой».
Дело в том, что и принципы построения схемных конфигураций, и методы расчетов – по инерции оставались пронизанными «ламповым подходом», предполагавшим относительно надежное знание характеристик активного прибора. Вы и сами наверняка встречали в литературе методики расчетов транзисторных каскадов, связанные с отысканием рабочих точек на кривых, построением к ним касательных, и прочим подобным… В этой книге ничего такого не будет.
| Радиолюбитель: | Не понимаю, что в этом плохого, ведь такие методики считаются классикой? |
Плохо то, что кривые оказываются недостоверными, характеристики – нестабильными, в итоге весь расчет – блефом.
| Радиолюбитель: | Однако во многих справочниках вольтамперные характеристики для различных типов транзисторов приведены. |
Если вы в них всмотритесь, то убедитесь, что все они похожи как две капли воды. Вполне достаточно иметь представление о типичной характеристике биполярного транзистора. Ей-то мы сейчас и займемся. Не забывая, что характеристику нельзя рассматривать как «точную».
| Радиолюбитель: | Если она не точная… то как же быть? |
Секрет состоит в непревзойденных свойствах обычного (так называемого биполярного) транзистора. А именно: характерные его сопротивления оказываются либо значительно меньше, либо значительно больше типичных величин пассивных сопротивлений схемы.
Это дает возможность использовать очень простые, но достаточно адекватные модели активных приборов. Эффективность применения таких моделей связана с особым подходом к расчету, когда анализ схемы проводят не со входа, а с выхода, ориентируясь на «конечный результат».
| Радиолюбитель: | Я уже догадываюсь, что речь идет о подходе, похожем на тот, который применяют при построении устройств на операционных усилителях? |
Совершенно верно. Точно так же, как в вашем примере, использование таких моделей предполагает построение схемных конфигураций, основные параметры которых мало зависят от характеристик активных элементов.
Этому же способствует отказ от привычки «экономить» транзисторы (как когда-то лампы).
| Радиолюбитель: | Это-то понятно, ведь даже дискретные полупроводниковые приборы дешевле, да и, пожалуй, надежнее многих других элементов схемы. |
Верно. Ну а количество активных элементов на кристалле интегральной схемы, как вы понимаете, вообще не имеет существенного значения.
Биполярный транзистор
Перед нами важнейшие характеристики типичного маломощного кремниевого транзистора: характеристика прямой передачи (рис. 1.1) и семейство выходных характеристик – при заданном токе эмиттера (рис. 1.2) и при заданном напряжении база-эмиттер (рис. 1.3). Отметим главное.
|
|
||||||||
 |
|
| Рис. 1.3. | При UКЭ, близком к нулю, усилительные свойства теряются |
При тех значениях тока коллектора IК, которые являются допустимыми для конкретного прибора, напряжение между базой и эмиттером транзистора (а оно-то и служит управляющим) почти всегда должно находиться в пределах 0..6…0.7 В.
Крутизна прямой передачи биполярного транзистора S = ΔIК / ΔUБЭ очень велика (десятки и сотни мА/В), это хорошо видно по рис. 1.1.
Выходное сопротивление транзистора (см. рис 1.2) при заданном эмиттерном токе – ΔUКБ / ΔIК очень велико – не менее 1 МОм.
Усилительные свойства транзистора сохраняются при снижении напряжения между коллектором и базой IКБ до нуля (и даже чуть ниже – см. рис. 1.2).
Токи коллектора и эмиттера практически равны между собой. Точнее, они различаются на малую величину тока базы:
| IЭ = IК + IБ ≈ IК | (1.1) |
причем отношение IК / IБ представляет собой известный параметр транзистора – коэффициент передачи тока, обозначаемый h21Э (можно также встретить и вариант обозначения β).
Крутизна прямой передачи
С достаточной степенью точности крутизна биполярного транзистора определяется током коллектора:
| S = IК / φТ или: S = 40IК | (1.2) |
(IК в миллиамперах, S – в миллиамперах на вольт). Фигурирующий здесь коэффициент 40 – это величина, обратная так называемому термическому потенциалу φТ, пропорциональному абсолютной температуре. И она потребует поправок, если температура кристалла отличается от «нормальной», при которой φТ = 25 мВ.
Вообще-то (1.2) является дифференциальным уравнением, из которого следует, что характеристика прямой передачи (зависимость IК от UБЭ) является экспоненциальной функцией. И это действительно верно для не слишком больших токов.
| Радиолюбитель: | А как для «слишком больших»? |
При токах IК, близких к предельно допустимым для транзисторов данного типа, формула (1.2) дает завышенные значения. Причина – дополнительное падение напряжения от базового тока на омическом сопротивлении базы.
«Линейный участок» или иллюзия?
Не правда ли, кривые, наподобие изображенной на рис. 1.1, дают видимость наличия ясно выраженных участков: с большей кривизной (левее) и почти линей-ного (справа)?
| Радиолюбитель: | По-моему, это очевидно. |
Вот отсюда – ошибочные советы по «правильному выбору рабочей точки», при котором надо судить по визуально оцениваемой форме кривых.
Но достаточно изменить масштаб графика по оси токов, и прежняя экспонента просто сдвинется вправо или влево. Это сразу обнаружит иллюзорность выделения в характеристике транзистора специфических участков или каких-либо особых точек (например, «с максимальной кривизной – для лучшего детекти-рования»).
| Радиолюбитель: | А как же тогда выбирать оптимальный режим, ведь в книгах всегда твердят: «на линейном участке»? |
Такие вопросы решаются не столь легкомысленно, а на более серьезной основе, и мы это увидим в последующих главах.
Коэффициент передачи тока базы
Статическое значение параметра h21Э, контролируемое на низких частотах, играет немалую роль при расчете схем. Завод-изготовитель, даже для нормальной температуры, дает на величину h21Э весьма большой допуск (убедитесь в этом, заглянув в справочник).
| Радиолюбитель: | Да, в справочных данных обычная разница между минимумом и максимумом 2.5 – 3 раза. |
Вот чтобы не оказаться в ситуации, когда спроектированная схема неработоспособна с некоторыми экземплярами транзисторов (вполне исправными!), расчет ведут всегда, ориентируясь на наихудшее для данного случая значение коэффициента передачи тока h21Э (для выбранного типа прибора и классификационной группы).
| Радиолюбитель: | То есть – на наименьшее? |
Почему же? Смотря по содержанию расчета. Бывает и обратное.
Коэффициент передачи тока h21Э зависит от величины коллекторного тока, но меньше, чем крутизна. Для маломощных транзисторов этот параметр чаще всего имеет максимум в диапазоне токов 5…20 мА, но заметный спад его начинается лишь при IК менее 0.5…1 мА. Поэтому не сделает большой ошибки тот, кто будет ориентироваться на значение h21Э, взятое из паспортных данных (приведенных, конечно, для определенного IК, может быть, вовсе не того, на которое производится расчет).
Германиевые транзисторы
Все, сказанное выше о кремниевых приборах, по большей части относится и к германиевым.
| Радиолюбитель: | Почему-то в современных схемах их практически и не встретишь... |
Так и есть – по ряду причин (которые станут ясны в свое время). Пока следует лишь указать, что усилительный режим германиевых транзисторов соответствует меньшим напряжениям UБЭ (0.15…0.2 В).
Полевые транзисторы
Они, в отличие от биполярных, во многом напоминают электронные лампы. Не обладая высокой крутизной, они в некоторых случаях являются удачным дополнением биполярных приборов, если надо, например, обеспечить высокое входное сопротивление каскада. Ведь ток затвора полевого транзистора практически равен нулю.
На рис. 1.4 представлена типичная характеристика прямой передачи транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа (2П302А). Рабочая область напряжений на затворе в усилительном режиме простирается от напряжения отсечки UОТС, при котором ток стока падает практически до нуля, до примерно +0.5 В (большее напряжение UЗИ подавать нельзя: открывается переход затвор-канал и работа транзистора нарушается).
Подобную же характеристику имеет и полевой МДП (или МОП, в зарубежной литературе – MOSFET) транзистор со встроенным каналом n-типа (например, 2П305А). Только в этом случае она продолжается также и в область положительных напряжений на затворе – ведь здесь затвор полностью изолирован от канала.
|
|
||||||||
Транзисторы, которые при UЗИ = 0 открыты, относят к приборам «с обеднением». А на рис. 1.5 изображена стоко-затворная характеристика транзистора «с обогащением» – полевого МОП прибора (2П304А). Он имеет индуцированный канал p-типа, который открыт лишь тогда, когда напряжение затвор-исток превышает по абсолютной величине пороговое UПОР, на графике это примерно 3.7 В. Данные о пороговых напряжениях (и напряжениях отсечки) всегда можно найти в паспортах на полевые приборы.
Ранее мы видели, что биполярный транзистор сохраняет усилительные свойства при снижении напряжения между коллектором и эмиттером до десятых долей вольта. В противоположность им, полевые приборы требуют для эффективной работы в усилитель-ных каскадах определенного напряжения на стоке:
| | UСИ | > | UЗИ – UПОР | или: | UСИ | > | UЗИ – UОТС |. | (1.3) |
Проследите по стоковой вольтамперной характеристике (рис. 1.6), что при несоблюдении этого условия рабочая точка оказывается на участке характеристики, где крутизна и выходное сопротивление резко падают.
 |
|
| Рис. 1.6. | На крутом участке характеристики усилительные свойства полевого транзистора падают |
Крутизна полевого транзистора
В паспорте на полевой транзистор вы найдете значение крутизны прямой передачи
S = ΔIС / ΔUЗИ,
гарантированное заводом-изготовителем для определенного тока стока (например, для IС = 10 мА).
| Радиолюбитель: | А если придется использовать прибор при другой величине тока? |
Несложно дать оценку крутизны, зная, что она изменяется пропорционально квадратному корню из тока: ведь характеристика прямой передачи здесь – парабола. Пусть при IС = 10 мА крутизна составляет 5 мА/В. Тогда для IС = 2 мА получаем – сколько?
| Радиолюбитель: | Думаю, что посчитать можно так:  . |
Верно. Иногда для аналогичных расчетов удобнее бывает учитывать, что от напряжения затвор-исток крутизна зависит линейно, снижаясь до нуля при напряжении отсечки.
| Радиолюбитель: | Я вижу, что для полевых транзисторов все как-то сложнее, что ли, чем для биполярных. |
Увы, такова специфика вольтамперных характеристик и параметров полевых приборов. Эту разницу мы почувствуем немедленно: стоит лишь обратиться к анализу задачи стабилизации режима активного прибора.
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
