ВВЕДЕНИЕ. Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:

 

Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:

– исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе;

– изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов;

– практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах.

Первое из указанных направлений составляет область физической электроники. Второе и третье направления составляют область технической электроники.

Схемотехника электронных устройств – это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике.

Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники. Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи.

У истоков радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений – электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.

Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году.

С этих пор развитие радиотехники определялось развитием ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за этапами развития ее элементной базы.

Простейший электронный прибор – вакуумный диод – был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор – триод – был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель Нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927–1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости. Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники.

Первый полупроводниковый триод – транзистор – создан в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г.

В 1998 году транзистор отметил свой полувековой юбилей – в последний июньский день 1948 года американская фирма «Bell telephon laboratoris» продемонстрировала обще­ственности только что изобретенный электронный прибор, о котором назавтра «Нью-Йорк Таймс» сообщила буднично и без пафоса: «Рабочие элементы прибора состоят из двух тонких проволочек, прижатых к ку­сочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, под­водимый к нему по одной проволоч­ке, а другая проволочка отводит усиленный ток. Прибор под назва­нием «транзистор» в некоторых слу­чаях можно использовать вместо электронных ламп».

Да, именно так выглядел первый транзистор, и неудивительно, что даже специалисты не сразу смогли разглядеть его триумфальное буду­щее. А между тем представленный прибор мог усиливать и генериро­вать электрические сигналы, а также выполнять функцию ключа, по ко­манде открывающего или запираю­щего электрическую цепь. И, что принципиально важно, все это осу­ществлялось внутри твердого крис­талла, а не в вакууме, как это проис­ходит в электронной лампе. Отсюда следовал целый набор потенциаль­ных достоинств транзистора: малые габариты, механическая прочность, высокая надежность, принципиаль­но неограниченная долговечность. Через три-четыре года, когда были разработаны значительно более со­вершенные конструкции транзисто­ров, все эти ожидаемые достоинства начали становиться реальностью.

Честь открытия транзисторного эффекта, за которое в 1956 году была присуждена Нобелевская пре­мия по физике, принадлежит У. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну. Харак­терно, что все трое были блистатель­ными физиками, целенаправленно шедшими к этому открытию. Шокли, руководитель группы исследова­телей, еще в предвоенные годы чи­тал лекции по квантовой теории по­лупроводников и подготовил фунда­ментальную монографию, которая надолго стала настольной книгой для специалистов в этой области. Высочай­шая квалификация Бардина как физика-теоретика подтверждена не только изобретением транзистора и предсказанием ряда эффектов в по­ведении полупроводников, но и тем, что позднее, в 1972 году, совместно с двумя другими исследователями он был повторно удостоен Нобелевской пре­мии – теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобре­тения транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследова­ния поверхностных свойств полу­проводников.

У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, крупным ученым, обладающим широчайшей эрудицией.

Первые транзи­сторы изготавли­вались на основе полупро­водника германия идопускали рабочую темпе­ратуру лишь до 70 °С, а этого во многих прикладных зада­чах было недостаточно.

Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов про­изошел решающий качественный скачок: вместо германия стали ис­пользовать другой полупроводник – кремний. В итоге рабочая темпе­ратура транзисторов выросла до 120–150 °С, при этом их характе­ристики сохраняли высокую ста­бильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» примени­тельно к кремнию была разработа­на так называемая планарная тех­нология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка ди­оксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхнос­ти кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой темпе­ратуре, в полупроводник вводят легирующие добавки – так изготавли­ваются фрагменты будущего прибо­ра. Затем на изолированную от объе­ма поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам – и транзистор готов. Особенностями процесса яв­ляется то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается од­новременная обработка тысяч и мил­лионов транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности.

Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзи­сторов от подложки и друг от дру­га, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы), т.е. создания электронной схемы с ак­тивными и пассивными компонен­тами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом процессе.Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микро­электроники.

Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которо­го изготовлено множество транзис­торов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорож­ками в заданную электрическую схе­му. В первой микросхеме «множе­ство» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил 100 элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать боль­шие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем – сверхбольшие (СБИС) и т.д.

Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т.е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется ми­нимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить техноло­гия.

С информационной точки зрения, смысл существования человечества заключается в поиске, извлечении, обработке и хранении информации. Под информацией понимают то, что уменьшает неопределенность знаний. Для передачи и хранения информации используется тот или иной язык, характеризующийся знаками и правилами их применения. Совокупность знаков, содержащих некоторую информацию, называется сообщением. Носителем сообщения в электронике является электрический сигнал. Под сигналом понимают электрическое колебание, отображающее сообщение. Электрические колебания представляют собой, в частности, изменяющиеся во времени напряжения и токи.

Наиболее общим является разделение колебаний на регулярные (детерминированные, определенные) и случайные (нерегулярные, неопределенные). Колебания конкретного источника могут быть детерминированными для наблюдателя, которому известен закон их образования, и случайными для другого.

Колебания можно делить также на собственно сигналы и помехи: сигналы несут информацию, помехи – это колебания, мешающие наблюдению сигналов. Ясно, что одни и те же колебания могут выступать и в качестве сигналов (например, колебания некоторой принимаемой радиостанции), и в качестве помехи (колебания той же радиостанции, если необходимо принять колебания другой радиостанции).

Регулярные сигналы не несут информации для получателя, и поэтому с информационной точки зрения их передача по каналу связи является бессмысленной. Однако они являются простой и удобной моделью для изучения основных свойств сигналов. Так, при изучении усилительных устройств, в качестве тестовых используют колебания синусоидальной формы и в виде прямоугольного импульса. Реальные сигналы, несущие информацию, для получателя представляются случайными и должны изучаться с позиций общей теории случайных процессов. Исследование случайных сигналов не входит в программу изучаемого курса.

Регулярные сигналы можно разделить на управляющие (низкочастотные) и радиосигналы (высокочастотные, модулированные). Управляющие сигналы появляются в месте возникновения информации (электрические колебания на выходе микрофона, передающей телевизионной трубки, какого-либо датчика и т.п.). Низкочастотные по своей природе управляющие сигналы часто должны быть переданы на существенные расстояния от места возникновения информации. Для этого может быть использован переносчик – высокочастотное колебание, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза) изменяется (модулируется) по закону управляющего колебания. Такое колебание называют высокочастотным сигналом, радиосигналом, модулированным сигналом.

Электронным устройством называют совокупность определенным образом соединенных отдельных функциональных элементов, действующих как единое целое, способных выполнять заданные операции по обработке электрических сигналов.

В зависимости от того, какими сигналами оперирует устройство, все электронные устройства можно разделить на аналоговые и цифровые.

Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам, – минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.

Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.

Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.

Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

По виду зависимостей между токами и напряжениями устройства в целом (системы) и их функциональные элементы делятся на линейные, нелинейные и параметрические. Система может быть отнесена к линейной, если ее параметры постоянны и не зависят от действующих в ней токов и напряжений. Процессы в линейной системе описываются линейными дифференциальными уравнениями (уравнениями с постоянными коэффициентами, не зависящими от переменных). Если зависимости между токами и напряжениями в системе описываются нелинейными уравнениями, то систему принято называть нелинейной. Нелинейная система имеет в своем составе хотя бы один нелинейный элемент. Параметрическая цепь имеет в своем составе хотя бы один параметрический элемент, т.е. элемент, параметры которого изменяются во времени по определенному закону.

Одним из главных свойств линейной системы является то, что отклик линейной системы на гармоническое воздействие всегда является гармонической функцией. К линейным системам применим принцип суперпозиции (наложения), гласящий, что отклик линейной системы на сумму воздействий есть сумма откликов на каждое воздействие в отдельности. Этот принцип лежит в основе большинства методов расчета линейных цепей, таких как метод контурных токов, метод узловых потенциалов, метод наложения и др. На выходе сколь угодно сложной линейной системы невозможно получить сигналы с частотами, отсутствующими у входного сигнала. Нельзя, например, построить из одних только линейных элементов выпрямитель (детектор), у которого входной сигнал – гармоническая функция, а выходной сигнал – постоянное напряжение. Нельзя построить из линейных элементов автогенератор, у которого входной сигнал – постоянное напряжение, а выходной – гармоническая функция. Только нелинейные и параметрические цепи обладают свойством преобразования частоты, когда в спектре отклика устройства появляются частоты, которых нет в спектре воздействия.

Усилитель – это устройство, сигнал на выходе которого должен по форме совпадать со входным сигналом, но мощность выходного сигнала должна быть больше, чем у входного. Усилитель может работать как в линейном, так и в нелинейном режиме. Нелинейный режим работы усилителя используется для повышения к.п.д.

Изложенные в данном учебном пособии принципы построения и анализа схем усилительных устройств, генераторов гармонических колебаний, стабилизаторов постоянного напряжения составляют содержание дисциплины «Аналоговая схемотехника» и служат базой для изучения дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника», рассматривающей ключевые режимы работы транзисторов, вопросы построения базовых схем логических элементов, генераторов и формирователей импульсов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей [10]. Пособие предназначено для обучения студентов специальности «Промышленная электроника» ТУСУРа.

Транзистор – основной элемент электронных устройств – является нелинейным элементом. Точный анализ усилительных устройств, даже после проведения линеаризации параметров транзисторов, приводит к громоздким соотношениям, мало пригодным для практики инженерных расчетов. В работе используются приближенные эквивалентные схемы и методы анализа, позволяющие получить простые и наглядные соотношения для описания свойств изучаемых устройств и выбора их элементов. Уточненный анализ аналоговых устройств может быть выполнен, например, путем компьютерного моделирования с помощью пакетов Electronics Workbench или ASIMEC.

Последовательность изложения материала выбрана такой, что каждый последующий раздел базируется на знании материала предыдущих разделов. Результаты анализа отдельных электронных цепей и каскадов используются при рассмотрении более сложных усилительных устройств.

Изучение дисциплины базируется на изученных ранее дисциплинах общепрофессионального цикла «Твердотельная электроника» и «Теоретические основы электротехники». Необходимо иметь представление о принципе работы и характеристиках биполярных и полевых транзисторов, методе эквивалентного генератора при расчете электрических цепей, операторном методе расчета переходных процессов в линейных электрических цепях.

Настоящий раздел пособия подготовлен совместно с А.А. Шибаевым и Н.П. Денисовым, разделы 3 и 15 написаны совместно с Н.П. Денисовым, раздел 14 подготовлен совместно с А.А. Шибаевым [8].

Читатель может расширить свои представления по вопросам аналоговой схемотехники, воспользовавшись работами [1–7].