Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
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 +Eпит и — Eпит. 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 Rн 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 UБЭ = Uвх — Uвых должно быть положительным. А это значит, что выходное напряжение Uвых, будет меньше входного Uвх. 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 Rэ, 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.
