Федеральное агентство связи
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
среднего профессионального образования
Л.В. Ушакова
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА
Учебное пособие

Москва 2008
Автор Людмила Вячеславовна Ушакова - преподаватель колледжа
телекоммуникаций МТУСИ.
Пособие отрецензировано в колледже телекоммуникаций МТУСИ.
Рекомендовано к изданию Учебно-методическим центром среднего
профессионального образования.
Утверждено директором УМЦ СПО к.п.н., доц. Ю.Г. Моисеевым.
Данное учебное пособие составлено в соответствии с учебным планом.
Оно охватывает основные разделы предмета «Электронная техника».
Пособие предназначено для студентов радио и телекоммуникационных
специальностей. Материал в пособии изложен в краткой и доступной форме,
по каждой теме сделаны выводы и приведены контрольные вопросы для
закрепления.
3
ВВЕДЕНИЕ
Электроника, электронная техника, электронная аппаратура, электронный
мир - очень знакомые слова, часто встречаемые словосочетания. Но редко кто
вдумывается, что же скрывается за этими привычными понятиями. Попробуем
дать определение понятию «Электронная, техника»
Электронная техника — область науки, техники, промышленности,
занимающаяся исследованием, разработкой, производством и эксплуатацией
электронных средств. Однако это достаточно общие слова. Чтобы
действительно разобраться в этом требуется приложить определенные усилия и
затратить немало времени. Но не пугайтесь! Ваши затраты с лихвой окупятся, да
и путешествие в страну Электроника обещает быть увлекательным. А
путеводителем будет это учебное пособие.
Мы с Вами узнаем, какими бывают электронные приборы, какие процессы
в них происходят, научимся строить схемы и целые устройства из этих
«кирпичиков». Каждая следующая глава является логическим продолжением
предыдущей. Поэтому не перескакивайте через главы, Оценить усвоение
материала Вам помогут контрольные вопросы в конце каждой главы.
Итак, в путь!
Начнем с биографии. Днем рождения Электроники принято считать 7 мая
1895 г. В этот день впервые в мире была произведена беспроволочная передача
сообщения. Осуществил эту передачу Александр Степанович Попов. Если
будете в Петербурге, зайдите в Музей связи, Он находится недалеко от
Исаакиевского собора, на Почтамтской улице. Там хранятся первые
радиопередатчик и приемник-самописец, разработанные и использованные
Поповым. В музее есть еще много интересного: от почтовых упряжек, рожков и
ящиков до аппаратуры мобильной связи. Право же не пожалеете, если посетите
этот музей.
Чтобы от опытных образцов перейти к массовым радиоустановкам, нужна
была специальная аппаратура, Элементной базой этой аппаратуры стали
устройства, работа которых основана па движении электронов, Поэтому их и
назвали электронные приборы, а отрасль науки и техники - электроника.
Электронные приборы развивались и усовершенствовались, и сейчас можно
говорить о четырех поколениях электронных устройств. Однако новое
поколение не устраняет полностью предыдущее, и в настоящее время
электронные приборы всех четырех поколений используются в различной
аппаратуре.
Хотя первую лампочку накаливания изобрел в 1872 г. русский электро-
техник Лодыгин, а явление испускания электронов открыл американский
исследователь Эдисон, первым электронным прибором принято считать
электронную лампу - диод. Диод был создан в 1904 г. в Англии физиком
Флемингом. Принцип действия электронов основан на движении электро нов в
вакууме. Поэтому его назвали электронно-вакуумным прибором (ЭВП).
Очевидно, что электромагнитная волна при распространении в
пространстве теряет свою энергию. Чем дальше находится приемник, тем слабее
4
становится сигнал. Понадобились электронные приборы, способные усиливать и
генерировать электрические колебания. Оказалось, что если добавить в диод
всего один электрод, то получится усилительный элемент. Такой трехэлектрод-
ный прибор назвали триод. Изобрел его американский ученый Форест в 1907 г.
В России первые электронные лампы начали создаваться в 1915 г.
Электронно-вакуумные приборы весьма разнообразны; они составляют
первое поколение электронных приборов, которое до пятидесятых годов
прошлого века было основой электронной аппаратуры. Сборка такой
аппаратуры производилась вручную, аппаратура имела большие габариты и
массу, надежность оставляла желать много лучшего. Но справедливости ради
надо отметить, что такие показатели, как выходная мощность и качество
усиления до сих пор остаются непревзойденными.
Однако наука не стоит на месте. Еще в тридцатых годах XX столетия
физики, проводя исследования в полупроводниках, обнаружили усилительный
эффект, и в 1948 г. «родился» первый усилительный полупроводниковый
прибор - биполярный транзистор.
Полупроводниковые приборы также очень разнообразны: это и диоды, и
тиристоры, и транзисторы (биполярные и полевые). Они составляют второе
поколение электронных приборов. Аппаратура па полупроводниковых
приборах выполняется методом печатного монтажа, она более компактна.
Однако, хотя полупроводниковые приборы более надежны, чем электронно-
вакуумные, в целом аппаратура работает не очень надежно. Особенно, если
учесть, что постоянное усложнение аппаратуры приводит к увеличению числа
элементов, а это уменьшает время безотказной работы.
Чтобы обеспечить надежную работу сложных электронных схем, сделать ее
более компактной и экономичной, в шестидесятые годы XX века были
разработаны качественно новые электронные приборы — интегральные схемы
(ИС). Это уже третье поколение электронных приборов. В одном корпусе
интегральной схемы находится множество элементов. И что самое
замечательное, надежность ее работы не зависит от числа этих элементов!
Аппаратура на ИС стала еще компактнее и экономичнее, а главное во много
раз надежнее, чем на дискретных элементах.
Дальнейшая миниатюризация и усложнение электронных устройств
привели к созданию больших, сверхбольших ИС и микропроцессоров. Выпуск ,
этих приборов начался в восьмидесятые годы XX века. Эти приборы составляют I
четвертое поколение электронных приборов.	:
Сейчас ведутся разработки в области наноэлектроники, предлагается резкое «
сокращение габаритов электронных устройств. Вероятно, это станет следующим !
поколением электронных приборов.
5
РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Электропроводность — это способность вещества проводить
электрический ток. В зависимости от электропроводности вещества
подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники - вещества, способные хорошо проводить электрический
ток; они обладают очень высокой электропроводимостью (107 См). К
проводникам относятся металлы и их сплавы.
Диэлектрики — вещества, неспособные проводить электрический ток;
они обладают очень низкой электропроводимостью (10‘10 См). К
диэлектрикам относятся изоляторы: воздух, фарфор, стекло, пластмасса.
Полупроводники - вещества, электропроводность которых занимает
промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и в
значительной мере зависит от внешних факторов: от температуры,
освещенности, напряженности электрического поля. К полупроводникам
относятся кремний, германий, селен, соединения галлия.
1.1. Электропроводность собственного полупроводника
Каким же образом вещество проводит (или не проводит) электрический
ток? Как образуется структура вещества, в частности кристаллическая
структура полупроводника? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим
планетарную модель атома. Так как нам предстоит главным образом изучать
полупроводники, рассмотрим модель атома кремния (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Модель атома кремния (Si)
Как известно, в атоме любого вещества вокруг положительно
заряженного ядра (для кремния заряд ядра +14) вращаются отрицательные
электроны. Заряд каждого электрона -1. Поэтому атом кремния имеет 14
электронов. Согласно квантовой теории электроны обладают и
6
корпускулярной, и волновой природой, находятся в различных состояниях,
вращаются по орбитам разной формы. Но всегда строго задано расстояние
орбиты от ядра, т.е. энергетический уровень электрона., а также число
электронов на каждой орбите: на ближайшей к ядру — 2, на следующей — 8 и
т.д. Электроны, находящиеся на внешней орбите называются валентными,
они обладают наибольшей энергией. Именно они и определяют
электропроводимость вещества. С помощью валентных электронов
образуются ковалентные связи, атомы вещества соединяются в
кристаллическую решетку (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Плоскостное изображение кристаллической решетки кремния
В таком виде кристалл кремния находится только при температуре
абсолютного нуля. Так как внешние электроны слабее, чем другие, связаны с
ядром, то при освещении, облучении кристалла они отрываются от атома И
становятся свободными подвижными носителями заряда. Причем
движение их хаотическое. Там, где в ковалентной связи отсутствует электрон,
образуется дырка, а сам атом превращается в положительный ион -
неподвижный носитель заряда. Дырка вскоре замещается либо свободным
электроном, либо электроном из соседней ковалентной связи. Таким образом,
дырка тоже становится свободным подвижным носителем заряда. Так как
7
на самом деле перемещается электрон, то его можно считать реальным
носителем заряда, а дырку - виртуальным. Описанный процесс получил
название - генерация. В результате генерации образуется пара подвижных
носителей заряда: отрицательный - электрон п (от английского negative) и
положительный - дырка р (от английского positive). Дырки и электроны
имеют очень малое время жизни. Когда электрон, «набегавшись»,
возвращается на орбиту, атом восстанавливает свою нейтральность, а пара
носителей заряда исчезает. Этот процесс называется рекомбинация. При
рекомбинации происходит выделение энергии. Так как свободные электрон и
дырка появляются и исчезают одновременно, то справедливо следующее
равенство: tlj = р,.
Индекс i означает, что в кристалле полупроводника присутствуют только
четырехвалентные атомы. Такой полупроводник называется беспримесный.
Теперь становится понятным, почему через полупроводник может
протекать электрический ток. Электропроводимость полупроводника
определяется числом свободных носителей заряда.
Для сравнения электропроводимости проводников, диэлектриков и
полупроводников рассмотрим их энергетические диаграммы (рис. 1.3).
Проводник
Диэлектрик
Рис. 1.3. Энергетические диаграммы
Свободные электроны обладают высоким уровнем энергии и составляют
зону проводимости. Электроны, которые находятся на орбите, составляют
валентную зону. Запрещенная зона характеризует ту энергию, которая
необходима валентному электрону, чтобы стать свободным.
В металлах (проводниках) валентная зона и зона проводимости
перекрывают друг друга. Этим объясняется их высокая электропроводимость.
У диэлектриков, чтобы валентному электрону стать свободным,
требуется очень большая энергия, отсюда их низкая электропроводимость.
Генерация носителей заряда в полупроводниках происходит при значительно
меньшей внешней энергии и уже при нормальной температуре (20°С)
большое количество электронов переходит в зону проводимости:
8
1.2. Электропроводимость примесного полупроводника
Чтобы повысить электропроводность полупроводника в него добавляют
примеси. Очень незначительной ее концентрации (один атом примеси на 105
атомов кремния) достаточно, чтобы понизить сопротивление полупроводника
в сотни раз.
Различают пятивалентную (донорную) примесь и трехвалентную
(акцепторную). В качестве донорной примеси используют фосфор (Р) или
сурьму (Sb). В качестве трехвалентной примеси - индий (In), галлий (Ga),
алюминий (Л1) или бор (В).
Рис. 1.4а. Плоскостное изображение кристаллической решетки кремния
с атомом донорной примеси
9
Рис. 1.46. Плоскостное изображение кристаллической решетки кремния
с атомом акцепторной примеси
Когда пятивалентный атом попадает в решетку кремния, четыре
электрона вступают в ковалентные связи, а пятый - «липший» (рис. 1.4(a)). Он
легко отрывается и становится свободным подвижным носителем заряда, а
атом примеси превращается в положительный ион (неподвижный носитель
заряда). При этом дырка не образуется. При достаточной энергии может
оторваться электрон и у четырехвалентного атома, тогда на его месте
образуется дырка. Но это процесс менее вероятен. Поэтому в полупроводнике
с донорной примесью подвижных электронов больше, чем дырок.
Электроны называют основными носителями заряда (ОНЗ), а дырки -
неосновными носителями заряда (ННЗ).
Полупроводник с донорной примесью называют п-полупроводник, для него
справедливо неравенство:
Пи» Рп
В п — полупроводнике число основных носителей заряда (электронов)
определяется концентрацией примеси, а число неосновных носителей заряда
(дырок) - внешней энергией.
Когда трехвалентный атом попадает в решетку кремния, одна
ковалентная связь остается незанятой, т.е. образуется дырка, которая
заполняется электроном из соседней ковалентной связи, а атом примеси
превращается в отрицательный ион (рис. 1.46), При достаточной энергии
может произойти ионизация четырехвалентных атомов кремния; но в любом
случае дырок будет гораздо больше, чем электронов, поэтому дырки в таком
10
полупроводнике будут основными носителями заряда, а электроны —
неосновными носителями заряда.
Полупроводник с акцепторной примесью называется р-полупроводник, и
для него справедливо неравенство:
Рр »Пр
В р — полупроводнике число ОНЗ (дырок) определяется концентрацией
примеси, а число ННЗ (электронов) - внешней энергией.
Основные выводы
1.	Существуют три вида полупроводников: собственный, с донорной
(пятивалентной) примесью и с акцепторной (трехвалентной) примесью.
2.	В собственном полупроводнике электропроводимость невысока; П,= Pi.
3.	Для увеличения электропроводимости в полупроводник добавляют
примесь.
4.	В полупроводнике с донорной примесью (п—полупроводнике) ОНЗ -
электроны; ННЗ - дырки; Пп » рп.
5.	В полупроводнике с акцепторной примесью (р - Полупроводнике) ОНЗ-
дырки; ННЗ - электроны; рр » Пр.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Электронно-дырочный переход - это переходной слой между р -
полупроводником и n-полупроводником. Чаще его называют/? —и переход.
Р—п переход является основой всех полупроводниковых электронных
приборов. Его можно получать либо сплавным, либо диффузионным методом.
Сущность сплавного метода-, к пластине п-германия прикрепляют
таблетку индия и нагревают до сотен градусов. Расплавляясь, индий
соединяется с германием и образует р слой (n-слоем служит германиевая
пластина).
Для изготовления диффузионного р-п перехода в печь, нагретую почти
до 1000°С, помещают пластину n-германия и продувают газ, наполненный
парами индия. Атомы индия активно внедряются в пластину, образуя р-слой.
Р-п переходы отличаются и по площади. Бывают точечные (с малой
площадью перехода) и плоскостные (с большой площадью). Точечные р-п
переходы обычно изготавливаются сплавным методом.
Р-п переход может находиться в трех состояниях: равновесном (без
подключения внешнего источника питания), при прямом и при обратном
включении. Рассмотрим все три состояния поочередно.
11
2.1. Равновесное состояние р-n перехода
Рис. 2.1. Образование потенциального барьера в р-n переходе
В момент образования контакта обе области электрически нейтральны. В
p-области преобладают подвижные носители заряда - дырки, а в п-области -
электроны. При возникновении р-n перехода подвижные носители заряда
стремятся выровнять концентрацию НЗ. Возникает процесс диффузии-, дырки
из p-области перемещаются в n-область, а электроны из n-области в р-область.
Возникает ток диффузии основных носителей заряда—1Лиф,онз,
Подвижные носители заряда, покидая свою область, оставляют на
барьере заряженные ионы - неподвижные носители заряда. В p-области на
барьере концентрируются отрицательные ионы, а п-области -
положительные. Электрическая нейтральность областей нарушается,
образуется контактная разность потенциалов UK о  Слой из ионов будет
препятствовать дальнейшему нарастанию диффузионного тока. Поэтому этот
слой получил название запирающий слой или потенциальный барьер-, его
ширина на рис. 2.1 обозначена dg Электрическое поле запирающего слоя
вызывает встречное движение - дрейф неосновных носителей заряда.
Возникает ток дрейфа — 1др ннх
12
Процессы диффузии и дрейфа уравновешивают друг друга, дрейфовый и
диффузионный токи становятся равными по величине и противоположными
по направлению, результирующий ток через р-n переход равен нулю:
1диф.онз 1др.ннз
Ip-П Гдиф.ОНЗ 1др.11НЗ О
Ширина запирающего слоя зависит от концентрации примеси. Чем
больше концентрация, тем уже потенциальный барьер.
2.2. Прямое включение р-n перехода
Рис 2.2. Р-n переход при прямом включении
При прямом включении к p-области подключается положительный
полюс внешнего источника питания, а к п-области - отрицательный. При этом
силовые линии внешнего (Евнш) и внутреннего (Евнт) электрического поля
направлены встречно. Ширина запирающего слоя, его сопротивление и
контактная разность потенциалов уменьшаются. Из внешней цепи в
полупроводник поступают дополнительные носители заряда: в р-область
положительные, а в п-область - отрицательные. Понижение потенциального
барьера и увеличение числа основных носителей заряда приводит к резкому
росту диффузионного тока. Он становится гораздо больше дрейфового:
1диф.онз'>'>1др.ннз
Результирующий ток через р-п переход:
1р-П— 1диф.ОНЗ 1др ннз'"' 1диф,онз
Этот ток называется прямым током 1пр, его величина достигает сотен
мА и даже единиц А. Прямое напряжение на барьере Unp составляет десятые
доли В, сопротивление перехода Rnp — единицы Ом. Такое состояние р-п
перехода называют открытым.
23. Обратное включение р-п перехода
При обратном включении к p-области подключается отрицательный
полюс внешнего источника питания, а к n-области положительный. Силовые
линии внешнего (Евнш) и внутреннего (Евнт) электрического поля направлены
в одну сторону. Ширина запирающего слоя, его сопротивление и контактная
разность потенциалов увеличиваются. Диффузионный ток резко падает и
становится даже меньше дрейфового:
1диф.онз<~ Iдр. ННЗ
Результирующий ток через р-п переход:
1р-п“ Тдиф.онз ~ 1др.ННЗ~ ” 1др.ННЗ
Этот ток называется обратным током 1о^р, его величина от единиц до
сотен мкА, что в тысячи раз меньше прямого тока. Обратное напряжение на
барьере Uogp составляет десятки и даже сотни В, сопротивление перехода
Rogp - миллионы Ом (единицы МОм). Такое состояние р-п перехода
называют закрытым.
14
Рис. 2.3. Р-n переход при обратном включении
2.4.	Явление пробоя р-n перехода
Остановимся на обратном включении р-n перехода. Если продолжить
повышать обратное напряжение, то можно наблюдать интересное явление.
При определенной величине Uo6p обратный ток начнет резко возрастать, а
напряжение практически не меняется. Это явление получило название
электрический или лавинный пробой.
При электрическом пробое происходит резкое увеличение числа
носителей заряда за счет ударной ионизации атомов электронами, которые
приобретают большую скорость при высоком обратном напряжении. Поэтому
сопротивление перехода падает, а ток резко возрастает. Напряжение на р-п
переходе остается постоянным.
Электрический пробой обратим: уменьшив обратное напряжение, можно
вернуться к закрытому состоянию р-n перехода. Но если продолжать
увеличивать UO6P , может наступить нарушение теплового баланса, и р-п
15
переход разрушится. Это явление получило название тепловой пробой.
Тепловой пробой необратим.
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект-
«просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер из валентной зоны
п-пслупроводника в зону проводимости р-полупроводника. Это явление
происходит при высоком напряжении на р-n переходе и при высокой
концентрации примеси в полупроводнике.
2.5.	Вольт - амперная характеристика р-п перехода
Вольт - амперная характеристика (ВАХ) р-п перехода - это зависимость
тока, протекающего через р-n переход, от приложенного к нему напряжения.
ВАХ р-n перехода имеет две ветви: прямую 1пр = f(UHp) и обратную 1(^р =
<Uo6p). Прямая ветвь (ОА) показывает экспоненциальное нарастание пря-
мого тока и характеризует открытое состояние р-n перехода. Обратная ветвь
имеет три участка: ОВ — слабое нарастапие обратного тока, ВС —
электрический пробой, CD тепловой пробой (рис. 2.4). Обратная ветвь
характеризует закрытое состояние р-n перехода.
Рис. 2.4. Вольт - амперная характеристика р-n перехода
Увеличение температуры перехода оказывает влияние на его ВАХ.
Прямой ток увеличивается незначительно, так как он образован основными
носителями заряда, число которых определяется концентрацией примеси, а
обратный ток будет увеличиваться гораздо сильнее, так как число неосновных
носителей заряда, которыми он образован, в значительной степени зависит от
внешней энергии (в данном случае от температуры).
16
Анализ ВАХ р-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный
элемент. Следовательно, все электронные приборы, построенные на р-п
переходах, являются нелинейными элементами.
Элементы с нелинейными волы-амперными характеристиками
подразделяются на две подгруппы: неуправляемые и управляемые. ВАХ
неуправляемого нелинейного элемента определяется его материалом,
конструкцией и технологией изготовления. Электрические характеристики
управляемых нелинейных элементов зависят не только от его материала и
конструкции, но и от управляющего воздействия, подаваемого на элемент.
Очевидно, что соотношение тока и напряжения в разных точках ВАХ р-п
перехода будет различным. Однако, можно выбрать участки ВАХ, которые
приближаются к линейным. Такой режим работы называется режимом
малых сигналов.
2.6.	Эквивалентная схема р-n перехода
Составим электрическую схему, эквивалентную р-n переходу (рис.2.5).
Очевидно, что обе полупроводниковые области р-п перехода обладают
некоторым электрическим сопротивлением Ro. Сопротивлением обладает и
сам барьер. Это сопротивление обозначим Rp.D. Величина Rp.B зависит от
полярности и значения приложенного напряжения. В предыдущем параграфе
мы выяснили, что на барьере р-n перехода скапливаются неподвижные
носители заряда. Таким образом, на барьере возникает- электрическая емкость.
Эта емкость получила название барьерная емкость Cf)ap. Величина емкости
Сбар определяется площадью пластин S, расстоянием между ними d и
диэлектрической проницаемостью £
С' ~ е'$
'-бар — '
Если речь вдет о р-n переходе, то:
S - площадь р-n перехода
d- ширина р-n перехода
е - диэлектрическая проницаемость
Барьерная емкость зависит от полярности и значения приложенного к
переходу напряжения: при прямом включении ширина перехода d и
барьерная емкость Cgap уменьшаются, а при обратном увеличиваются.
Емкость р-n перехода создает инерционность, т.е. уменьшает его
быстродействие. Точечные р-n переходы обладают высоким
быстродействием, а плоскостные - более инерционны.
Рис. 2.5. Эквивалентная схема перехода
2.7.	Несимметричный р-n переход
В полупроводниковых приборах обычно используется р-n переход, в
котором концентрация примеси в р - области и n-области значительно
различаются. Запирающий слой смещен в область с меньшей концентрацией
примеси (рис. 2.6). При прямом включении несимметричного р-n перехода
диффузия носителей заряда происходит в основном из области с большей
концентрацией примеси в область с меньшей концентрацией (на рис.2.6 из р+-
области в n-область). Такая односторонняя диффузия называется эмиссия, а
область с большей концентрацией - эмиттер. Область с меньшей
концентрацией примеси называется база.
р+ - область
л - область
' © ' О . 1	1 о.о о. 0'0.0. 0.0,0.	+ + + +; © ® о @ > + + + :о® © 1 — — ©	! @ ® @ © ++++ ]++++
Переход
Рис. 2.6. Несимметричный р-n переход
18
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. ЯВЛЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА
Принцип работы элсктрнно-вакуумных и газоразрядных приборов
основан на движении свободных электронов в закрытом пространстве.
Источником свободных электронов служит специальный металлический
электрод-катод. Процесс выхода электронов из катода называется
электронной эмиссией.
Внутри металла имеется большое количество свободных электронов,
которые находятся в состоянии хаотического движения. При температуре
20°С очень мало электронов могут выйти из металла. Они теряют свою
энергию и накапливаются на поверхности металла. Между этими электронами
и положительными ионами на поверхности металла образуется электрическое
поле, которое тормозит дальнейший выход электронов. Кроме того, металл
притягивает вышедшие на его поверхность электроны.
Чтобы покинуть металл, электрон должен совершить определенную
работу по преодолению сил притяжения. Эта работа называется работой
выхода и измеряется в элетронволыпах (эВ). Один эВ - это работа, которую
должен проделать электрон для преодоления разности потенциалов в 1 вольт.
Выход электронов может быть совершен из полупроводника и из
диэлектрика. В этом случае электрон должен преодолеть запрещенную зону
(рис. 1.3).
Электронная эмиссия происходит, если энергия электронов превышает
работу выхода. Повысить энергию электрона можно различными способами:
J нагреванием катода — возникает термоэлектронная эмиссия;
S бомбардировкой катода потоком носителей заряда (электронами или
ионами) - возникает вторичная эмиссия;
J воздействием на катод электромагнитного излучения - возникает
фотоэмиссия:,
J воздействием на катод электрического поля - возникает
электроэмиссия.
В электронно-вакуумных приборах используется термоэлектронная
эмиссия. Заметная термоэлектронная эмиссия начинается при температуре
катода выше 2000°С и экспоненциально повышается с ростом температуры.
Поэтому катод изготавливается из тугоплавкого металла, например,
Вольфрама. Работа выхода у вольфрама очень большая - 4,5 эВ. Для
уменьшения работы выхода катод покрывают тонкой пленкой из тория или
оксида. Этот процесс называется активизацией катода.
Фотоэлектрические явления, на основе которых строится работа
оптоэлектронных приборов, можно разделить на три группы:
>	изменение электропроводности вещества при его освещении -
внутренний фотоэффект-,
>	возникновение ЭДС на границе двух металлов под действием света -
фотоэффект в запирающем слое-,
>	испускание веществом электронов при воздействии света - внешний
фотоэффект.
19
Основные законы фотоэффекта были открыты русским физикам А. Г.
Столетовым еще в конце XIX в.. Свет является потоком электромагнитной
энергии; поглощается или излучается веществом в виде дискретных
количеств энергии - фотонов или квантов. Для видимого диапазона энергия
кванта находится в пределах 1,6.. .3,25 эВ. Каждому цвету соответствует своя
частота. При воздействии светового потока на полупроводник электроны
валентной зоны получают дополнительную энергию. Если этой энергии
достаточно для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости,
возникает генерация пар- носителей заряда, увеличивается
электропроводимость полупроводника (внутренний фотоэффект).
Припцип внешнего фотоэффекта основан на возникновении
фотоэлектронной эмиссии за счет лучистой энергии света, воздействующей
на фотокатод. Если энергия кванта превышает работу выхода, то возникает
фотоэмиссия. На принципе внешнего фотоэффекта основана работа
фотоум ножителей.
Основные выводы
1.	Р-n переход может находиться в трех состояниях: равновесном, открытом
и закрытом.
2.	Через р-n переход протекают токи 1ЛИф.Онз и I др. низ •
3.	В равновесном состоянии 1диф онз= - 1др ннз •
4.	При прямом включении р-n переход открыт, 1пр = сотни мА, Unp«
десятые доли В, Rnp~ единицы Ом.
5.	При обратном включении р-n переход закрыт, logp » десятки мкА, Ообр«
десятки В, R06P~ единицы Мом.
6.	Р-п переход обладает свойством односторонней проводимости.
7.	Р-n переход является нелинейным элементом.
8.	Р-n переход обладает сопротивлением и емкостью, величина которых
зависит от полярности и значения приложенного напряжения.
9.	Области несимметричного р-n перехода называются эмиттер и база.
Контрольные вопросы
1.	К какому поколению электронных приборов относятся интегральные
схемы?
2.	Из каких химических элементов изготавливаются полупроводниковые
приборы?
3.	Какие носители заряда являются основными в р - полупроводнике?
4.	Укажите соотношение электронов и дырок в п-полупроводнике.
5.	Какими носителями заряда образован диффузионный ток?
6.	В каком соотношении находятся диффузионный и дрейфовый токи в
равновесном р-n переходе?
20
7.	В каком состоянии находится р-n переход, если через него протекает ток,
равный 120 мА, при напряжении 0,8 В?
8.	Укажите состояние р-n перехода, если его сопротивление составляет
820 кОм.	\
9.	Как называется область несимметричного р-n перехода с больше!
концентрацией примеси?
10.	Какими параметрами обладает р-n переход?
11.	Что такое электронная эмиссия? При каких условиях она возникает?
12.	Перечислите виды фотоэффекта.
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
ГЛАВА 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Простейшим электронным прибором является полупроводниковый диод).
Диод, содержит две полупроводниковые области и один р-n переход.
Полупроводниковый диод является неуправляемым нелинейный
элементом, имеющим два вывода (два полюса). Поэтому его можно назвать
нелинейным двухполюсником или нелинейным резистором (см раздел 1 гй|.
2).
Мы рассмотрим несколько видов полупроводниковых диодов. Принцип
работы и назначение диода определяется тем или иным свойством р-1
перехода. Каждому диоду мы дадим определение, узнаем его условно-
графическое изображение, принцип действия, характеристики и параметры,
назначение и схему включения. Начнем с самого популярного диода —
выпрямительного.
4.1.	Выпрямительный диод
Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного
тока в постоянный. Условно-графическое обозначение (УГО)
выпрямительного диода показывает принцип его действия, который основан
на односторонней проводимости р-n перехода.
I
&	и>
 РЙ —-	• " Й-1"-	(
Диод открыт	Диод закрыт
Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ,
управляемый приложенным к нему напряжением: при прямом включении
21
диод открыт, ключ замкнут, через диод протекает ток; при обратном
включении диод закрыт,'ключ разомкнут, ток через диод не протекает.
Исходным материалом для выпрямительного диода является кремний
или германий. ВАХ выпрямительного диода имеет две ветви - прямую и
обратную. ВАХ кремниевого и германиевого диодов различаются: обратный
ток кремниевых диодов гораздо меньше, а пробивное напряжение гораздо
выше (рис.4.1). Кроме того, кремниевые диоды обладают меньшей
температурной зависимостью. Поэтому на практике предпочитают
кремниевые диоды.
Главным параметром выпрямительного диода является коэффициент
еыпрямления Кеыпр, который сравнивает значения прямого и обратного
токов:
|г I
I у)
КВь1пр“ Ir I при Unp-U06p- 1В
Так как прямые токи превышают обратные в тысячи и более раз, то величина
КВЫПр составляет тысячи и даже десятки тысяч раз.
Рис. 4.1. Вольт - амперная характеристика выпрямительного диода
При выборе режима работы диода надо знать его предельные параметры:
U«6p max - максимально допустимое обратное напряжение;
I пр шах - максимально допустимый прямой ток;
f«nax - максимальная частота выпрямления.
22
Кроме того, необходимо учитывать:
Ro - сопротивление диода постоянному току.
Очевидно, что вследствие нелинейности ВАХ диода, величина Ro в
разных точках характеристики будет различной. Поэтому вводится понятие
дифференциальное сопротивление диода.
Кднф - дифференциальное сопротивление диода переменному току:
т> _dU ьи
Дифференциальное сопротивление диода можно рассчитать графически,
используя линейные участки ВАХ (рис. 4.1).
Сопротивление Rq может существенно отличаться от сопротивления
Идаф особенно на нелинейных участках ВАХ.
При работе диода в области высоких частот и в импульсных режимах
следует учитывать емкость диода С/>.
Выпрямительные диоды нашли применение в схемах выпрямителей
переменного тока в устройствах электропитания как профессиональной, так и
бытовой аппаратуры. Рассмотрим несколько схем выпрямительных
устройств.
Однополупериодный выпрямитель
Рис.4.2. Схема и временные диаграммы работы однополупериодного
выпрямителя
На вход схемы подается переменное синусоидальное напряжение UBX1
(обычно сетевое). Трансформатор Т понижает напряжение до величины U^.
Во время первого полупериода ( на входе схемы действует положительная
полуволна) диод VD открыт, через нагрузку RH протекает ток, создавая на ней
падение напряжения Urj, . Во второй полупериод (на входе отрицательная
23
полуволна) диод закрыт, ток в нагрузке не протекает. Поэтому на RH
создается пульсирующее напряжение. Чтобы сгладить пульсации,
параллельно RH включается конденсатор С большой емкости (сотни...тысячи
мкФ). Во время положительной полуволны входного напряжения конденсатор
заряжается, а во время отрицательной — разряжается, поддерживая в нагрузке
ток. Уменьшить коэффициент пульсации и повысить КПД устройства можно,
применив схему выпрямителя с двумя диодами.
Двухполупериодный выпрямитель
Рис. 4.3. Схема и временные диаграммы работы двухполупериодного
выпрямителя
Нагрузка RH включается между средней точкой вторичной обмотки
трансформатора Т и «минусовым» выводом обоих диодов. Когда на входе
схемы действует положительная полуволна, открывается диод VD1, и через
нагрузку RH протекает ток 1Ь При отрицательной полуволне на входе схемы
открывается диод VD2, через нагрузку протекает ток Ij- Поэтому на RH
действует напряжение в оба полупериода (рис. 4.3).
Те же показатели имеет мостовая схема выпрямителя, в которой можно
использовать более простой трансформатор, без вывода средней точки.
Мостовая схема является самой популярной схемой выпрямителя (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Мостовая схема выпрямителя
24
Такое включение диодов VDl, VD2, VD3, VD4 называется мостом.
Нагрузка RH включается в диагональ диодного моста. Временные диаграммы
схемы соответствуют схеме двухиолупериодного выпрямителя. При
положительной полуволне UEX_ открыты диоды VD3 и VD2, через нагрузку
RH протекает ток 1^ при отрицательной полуволне UBX_ открыты диоды VD4
и VD1, через нагрузку протекает ток Ij-
Разновидности выпрямительных диодов
Импульсный диод работает при импульсных сигналах на входе схемы.
Поэтому он должен быть малоинерционным, то есть переключаться из
открытого состояния в закрытое практически мгновенно. Реальная схема
включения импульсного диода имеет определенную длительность
переходных процессов, так как в диоде возникает обратный ток - переход
носителей заряда из базы в эмиттер (рис. 4.5). Чтобы уменьшить время
восстановления тв0ССТ , используют контакт металл-полупроводник - диод
Шоттки. В таком диоде практически отсутствуют процессы накопления и
рассасывания носителей заряда. Поэтому диоды Шоттки обладают очень
высоким быстродействием, их рабочая частота 200 кГц. Используется также
легирование базы золотом, микросплавные диоды.
Рис. 4.5. Схема включения импульсного диода и временные диаграммы
его работы
Высокочастотные диоды (ВЧ- диоды) работают в диапазоне частот до
1000 МГц, поэтому они должны обладать малой барьерной емкостью (Сбар< 1
пФ). Для изготовления ВЧ -диодов используют точечный р-п переход, но это
уменьшает предельные параметры диода. Поэтому ВЧ -диоды не могут
работать в цепях большой мощности.
Сверхвысокочастотные диоды (СВЧ- диоды) работают в диапазоне
частот 108... 109 Гц. Для таких диодов необходим р-п переход очень малой
площади, что уменьшает величину напряжения пробоя до 1 В. Поэтому в
настоящее время в качестве СВЧ -диодов используют PIN-структуру.
При такой структуре диода неподвижные носители заряда, создающие
запирающий слой в р- и n-областях, находятся на удаленном расстоянии,
равном ширине слоя I (рис. 4.6). Благодаря этому ширина запирающего слоя d
увеличивается, а барьерная емкость уменьшается. Таким образом, получился
25
плоскостной, а значит мощный диод, способный работать в диапазоне СВЧ.
Конструкция СВЧ- диодов не имеет проволочных выводов; такие диоды
изготавливаются патронного или коаксиального типа.
Рис. 4.6. СВЧ- диод PIN-структуры
Основные выводы
1.	Выпрямительные диоды используют свойство односторонней
проводимости р-n перехода и применяются для преобразования
переменного тока в постоянный.
2.	Кремниевые выпрямительные диоды по сравнению с германиевыми
имеют лучшие выпрямительные и температурные свойства.
3.	В качестве импульсного диода используется диод Шоттки (контакт
металл-полу проводник)
4.	ВЧ -диоды изготавливаются на базе точечного р-n перехода, что
приводит к уменьшению диапазона мощности.
5.	СВЧ -диоды имеют PIN-структуру и обладают одновременно большой
мощностью и высоким быстродействием.
4.2.	Стабилитрон
Стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором
практически не зависит от протекающего через пего тока. Поэтому
стабилитроны используются для стабилизации напряжения. Исходным
материалом для стабилитронов является кремний.
Условно-графическое обозначение стабилитрона

Принцип действия стабилитрона основан на использовании
электрического пробоя р-n перехода, поэтому стабилитрон работает при
26
обратных напряжениях, и его ВАХ — обратная ветвь ВАХ р-n перехода (рис.
4.7).
*4	Лтр
	0
	
к ... .......	г 1сг. тп
	
г______	-Д, -
	-'ст. max
I3	' Л)бр
Рис. 4.7. Вольт - амперная характеристика стабилитрона
Участок электрического пробоя 1 - 3 — рабочий участок характеристики.
Главным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации
Ucm Значение Urw . определяется концентрацией примеси (удельным
сопротивлением базы). Чем больше удельное сопротивление базы (меньше
концентрация примеси), тем выше напряжение стабилизации.
Промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжение стабилизации
от 3,3 В до 180 В. Рабочий участок характеристики ограничивается
минимальным током стабилизации ICT min , при котором начинается
электрический пробой, и максимальным током стабилизации 1С1 шах, при
которой температура перехода не выше допустимой. Наклон рабочего участка
характеристики, то есть разброс UCT> определяется дифференциальным
сопротивлением стабилитрона:
Очевидно, чем меньше наклон ВАХ стабилитрона, то есть чем меньше RCT,
тем стабилитрон качественнее. В современных кремниевых стабилитронах
RCT лиф составляет десятые доли Ом.
Параметром стабилитрона является также температурный
коэффициент аст , который показывает изменение UCT при изменении
температуры.
Стабилитрон используется в схемах стабилизаторов в устройствах
электропитания. На рис. 4.8 приведена упрощенная схема параметрического
стабилизатора.
27
л6
Рис. 4.8. Схема параметрического стабилизатора
Рассмотрим, как происходит процесс стабилизации напряжения. Пусть
входное напряжение UBX повысилось. В стабилитроне усилился
электрический пробой, поэтому увеличилось число носителей заряда, а
значит, сопротивление стабилитрона уменьшилось, и увеличился ток,
протекающий через стабилитрон. Напряжение на стабилитроне осталось
неизменным. На балластном сопротивлении Rg гасится излишек напряжения,
благодаря чему не происходит теплового пробоя. Нагрузка RH включается
параллельно стабилитрону.
Основные выводы
1.	Стабилитрон работает при обратных напряжениях на участке
электрического пробоя.
2.	Нагрузка включается параллельно стабилитрону.
3.	Необходимое напряжение стабилизации достигается выбором
соответствующей концентрации примеси в базе диода.
4.3.	Варикап
Варикап - это полупроводниковый диод с электрически управляемой
емкостью. Исходным материалом является кремний.
Условно-графическое изображение варикапа:
И5
м
Принцип работы варикапа основан на зависимости барьерной емкости от
приложенного обратного напряжения. Поэтому варикап работает при
обратных напряжениях. Так как размеры варикапа невелики, его емкость
небольшая, не превышает сотен пФ. Характеристикой варикапа является
вольт - фарадная характеристика - зависимость емкости варикапа от
приложенного к нему напряжения (рис. 4.9).
28
Рис. 4.9. Вольт - фарадная характеристика варикапа
Параметры варикапа:
Кс — коэффициент перекрытия по емкости - Кс~
Cnm
В современных варикапах Кс изменяется от 2 до 20
Со - номинальная или типовая емкость, измеренная при заданном
напряжении
Q - добротность - отношение реакгивного сопротивления варикапа к
сопротивлению потерь.
Варикап используется для подстройки резонансной частоты в
колебательном контуре в автогенераторах, в приемниках. Схема включения
варикапа приведена на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Схема включения варикапа
На варикап VD подается обратное напряжение от источника Е. При
изменении сопротивления потенциометра R изменяется подаваемое на
варикап напряжение, поэтому изменяется емкость варикапа. Значение
емкости конденсатора С обычно гораздо больше емкости варикапа и
29
практически не влияет на значение резонансной частоты. Поэтому
1
резонансная частота контура: fpC3~
Основные выводы
1.	Варикап работает при обратных напряжениях.
2.	Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному' напряжению.
3.	Емкость варикапа может изменяться в пределах от десятков до сотен пФ.
4.	Варикап используется для регулировки резонансной частоты
колебательного контура.
4.4.	Туннельный диод
Туннельный диод - полупроводниковый диод, имеющий на вольт -
амперной характеристике участок с отрицательной дифференциальной
проводимостью. Исходным материалом для туннельных диодов служит
арсенид галлия или германия.
Условно-графическое обозначение туннельного диода:
to
Принцип работы туннельного диода основан на туннельном эффекте
(туннельном пробое). Суть туннельного пробоя рассмотрим с помощью
вольт - амперной характеристики диода.
При очень высокой концентрации примеси в обеих областях диода
ширина запирающего сдоя мала, и диффузия носителей заряда через барьер р-
П перехода происходит при пизких значениях приложенного напряжения
(участок 0-1 на рис. 4.11). С повышением напряжения туннельный эффект
ослабевает, и ток уменьшается (участок 1-3 на рис. 4.11). Этот участок
называется падающим и является рабочим участком характеристики. При
дальнейшем увеличении напряжения (больше UB) туннельный диод работает
как обычный выпрямительный диод (участок 3 - 4 на рис. 4.11). На рабочем
участке 1-3 наблюдается необычное явление: при увеличении напряжения ток
падает, то есть на этом участке туннельный диод обладает отрицательным
дифференциальным сопротивлением или отрицательной дифференциальной
проводимостью.
30
Рис. 4.11. Вольт - амперная характеристика туннельного диода
Параметры туннельного диода:
1„ - ток пика, максимальный ток туннельного эффекта;
Un -напряжение пика, соответствующее пиковому току;
1В — ток впадины, минимальный ток туннельного эффекта;
UB - напряжение впадины, соответствующее току впадины;
ирр -напряжение раствора, при котором ток на второй возрастающей
ветви достигает значения, равного пиковому;
Сдиф - отрицательная дифференциальная проводимость:
r- _dU Д(7
-^диф
Туннельные диоды могут использоваться как усилители с небольшим
коэффициентом усиления, как генераторы СВЧ колебаний, а также как
переключатели.
Основные выводы
1.	Туннельные диоды работают на падающем участке ВАХ, где они
обладают отрицательной дифференциальной проводимостью.
2.	Условие возникновения туннельного эффекта - очень высокая
концентрация примеси (вырожденный полупроводник).
3.	Туннельные диоды имеют очень высокое быстродействие и работают в
СВЧ - диапазоне как усилители и генераторы.
4.5.	Лавивно-пролетный диод
Принцип работы лавинно-пролетного диода (ЛПД) - основан на
лавинном умножении носителей заряда. Рабочим участком ВАХ лавинно-
пролетного диода является область лавинного (электрического) пробоя.
31
Исходным материалом является кремний или арсенид галлия. Используются
сгруктуры: р - п - и* ; р+ - и - I -п+; п+ - и - р - р+. Переходы обычно
плоские. Рассмотрим принцип работы ЛПД структуры р+ - п — гГ. Средний
обедненный слой назовем базой. К диоду прикладывается обратное
напряжение. При напряжении, близком к пробивному, расширяется переход
р -П и сокращается ширина базы. Напряженность поля в этой тонкой области
резко возрастает, превышая пробивное напряжение. В результате начинается
лавинное размножение носителей заряда. Положительные носители заряда
переходят в р -область, а электроны дрейфуют к гГ-области. Обратный ток
через диод резко возрастает. ЛПД используют для генерации колебаний в
диапазоне СВЧ.
4.6.	Система обозначений полупроводниковых диодов
В настоящее время существует два вида обозначений (маркировки)
полупроводниковых диодов: цветовая и буквенно-цифровая. Цветовая
маркировка состоит из таинственной комбинации цветных точек, значков, к
тому же постоянно меняющихся. Поэтому этот вид маркировки изучению не
подлежит и следует ориентироваться на справочники и прилагающиеся к
партии диодов аннотации.
Буквенно-цифровой код вполне логичен и даст четкое представление об
электронном приборе. Этот код имеет пять элементов.
Первый элемент (буква или цифра) означает исходный
полупроводниковый материал:
Г или 1 - германий
К или 2 - кремний
А или 3 - соединения галлия
Второй элемент (буква) определяет подкласс диодов по их назначению:
Д - выпрямительный
В - варикап
И - туннельный
С - стабилитрон
Ц- цифровые столбы и блоки.
Третий элемент (цифра) - для различных подклассов диодов
определяет индивидуальные свойства:
подкласс Д:	1 - малой мощности (1пр до 0,3 А)
2 - средней мощности (1пр от 0,3А до 10А)
4 — высокочастотные
— MMliyjIbCHblC
подкласс В'. :	1 — подстроечный
2	- умножитепьный
подкласс И:	1 - усилительный
2	- генераторный
32
3	- переключательный
подкласс С:	1,2,3-с мощностью до 0,3Вт
4	, 5,6 - с мощностью до 5Вт
1 и 4 - UCT до 10В
2 и 5 - UCT от 10В до 99В
3 и 6 - UCT от 100В до 199В
Четвертый элемент (две цифры) означают для диодов подклассов Д, В,
И порядковый номер разработки; для стабилитрона эти цифры означают
напряжение стабилизации. Причем, если стабилитрон малой мощности, то эти
цифры читаются через запятую; а если большой мощности - без запятой.
Пятый элемент (буква) означает разновидность диодов данной серии.
Разберем некоторые примеры.
КД213А
К - кремний
Д - выпрямительный диод
2 - большой мощности
13 - номер разработки
А - разновидность
2С 220Ж
2 - кремний
С - стабилитрон
2 - мощный
20 - значение UCT, В
Ж — разновидность
АИ105В
А - арсенид галлия
И - туннельный диод
1 - усилительный,
05 -номер разработки
В - разновидность
Контрольные вопросы:
1.	Поясните назначение выпрямительного диода.
2.	Рассчитайте Квьшр диода, если 1пр = 250мА, Iogp - 25мкА (оба тока
измерены при напряжениях Unp = Uo6p = IB).
3.	Какой диод может использоваться для усиления?
4.	Какая схема выпрямителя используется чаще других?
5.	Укажите напряжение стабилизации стабилитрона КС 147 А?
6.	Рассчитайте значение Кс , если Стах = ЗООпФ и Ст;п = ЗОпФ.
7.	Перечислите параметры туннельного диода.
8.	Укажите назначение варикапа.
9.	В каком диапазоне частот работает туннельный диод?
10.	Какая конструкция р-n перехода используется в диодах Шоттки?
ГЛАВА &БШШЛЯР11ЫЕ ТРАНЗИСГОРЫ
5.1.	Устройство и принцип работы. Режимы работы транзистора
Пожалуй, самым используемым электронным прибором является
биполярный транзистор. Применяют его в схемах усилителей, генераторов,
в качестве электронного ключа, в качестве элемента, имеющего разное
33
сопротивление постоянному и переменному току, он является базовым
элементом интегральных схем.
Биполярный транзистор является управляемым нелинейным элементом
или нелинейным резистивным четырехполюсником (см. разд. 1 гл. 2).
Что же представляет собой биполярный транзистор? Это более сложный
электронный прибор, чем диод. Он имеет два взаимодействующих р-п
перехода и три (иногда больше) полупроводниковые области с чередующейся
полярностью. Каждая область имеет вывод (электрод). Полярность крайних
областей одинаковая (например, р), а средней - противоположная (п).
Поэтому транзистор называют биполярным. В зависимости от чередования
полярности областей различают транзисторы р-п-р и п-р-п структуры.
Структура р-п-р	Структура п-р-п
Рис. 5.1. Устройство и условно-графическое обозначение биполярных
транзисторов
Структура транзистора на условно-графическом изображении
обозначается направлением стрелки. Стрелка показывает направление тока:
от р - области к п-области. Области транзистора получили свое название в
соответствии с процессами, которые происходят при его работе.
Концентрация примеси в областях транзистора неодинаковая. Область с
самой высокой концентрацией называется эмиттер (на рис. 5.1 обозначена
рт или п+). Средняя область называется база (Б); она имеет самую низкую
концентрацию примеси и геометрически самая тонкая. Вторая крайняя
область получила название коллектор (К). Между областями транзистора
возникают два р-n перехода: между эмиттером и базой - эмиттерный
переход (ЭП), между базой и коллектором - коллекторный переход (КП).
При использований транзистора в качестве элемента схемы к каждому
переходу подключается внешнее напряжение. В зависимости от полярности
напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах можно получить
четыре режима работы транзистора.
34
Режим насыщения: на оба перехода подается прямое напряжение,
поэтому эмиттерный и коллекторный переходы открыть!. В этом режиме
транзистор имеет малое сопротивление и хорошо проводит ток - транзистор
открыт (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Включение транзистора в режиме насыщения
Режим отсечки: на оба перехода подается обратное напряжение,
поэтому эмиттерный и коллекторный переходы закрыты. В этом режиме
транзистор имеет высокое сопротивление и практически не проводит ток -
транзистор закрыт (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Включение транзистора в режиме отсечки
Активный режим: на эмиттерный переход подается прямое
напряжение и он открыт-, на коллекторный переход подается обратное
напряжение, и он закрыт. В этом режиме транзистор обладает
усилительными свойствами (рис. 5.4)
Рис. 5.4. Включение транзистора в активном режиме
35
Инверсный режим, на эмиттерный переход подается обратное
напряжение и он закрыт; на коллекторный переход подается прямое
напряжение, и он открыт (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Включение транзистора в инверсном режиме
В схемах усилителей генераторов используется активный режим работы,
так как в этом режиме транзистор становится усилительным элементом.
Рассмотрим работу транзистора в этом режиме.
Если эмиттерный переход открыт, его сопротивление мало, через переход
протекает большой ток. Так как концентрация примеси в эмиттере очень
высокая, то в основном этот ток будет образован диффузией носителей заряда
из эмиттера в базу. Этот процесс получил название инжекция, а ток из
эмиттера в базу — эмиттерный ток 1Э (рис. 5.6). В базе часть носителей
заряда, инжектированных из эмиттера, рекомбинирует, образуя ток базы 1б
(рис. 5.6). Из-за низкой концентрации примеси в базе и ее малой толщины
процесс рекомбинации маловероятен и ток базы мал. Основная часть
носителей заряда доходит до коллекторного перехода и перебрасывается
электрическим полем этого перехода в коллектор. Этот процесс называется
экстракция. В результате экстракции возникает коллекторный ток 1К (рис.
5.6).
Рис. 5.6. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме
36
Основные соотношения токов в транзисторе:
1э = 1б+1к	1б«1к	1э^1к
В транзисторе протекает еще один ток - обратный ток коллекторного
перехода IKgQ. Этот ток образован неосновными носителями заряда. Его
величина определяется температурой надевания транзистора. Поэтому его
называют тепловой неуправляемый ток. И хотя этот ток невелик
(единицы...десятки мкА), он может негативно влиять на стабильность режима
работы транзистора.
Основные выводы
1.	Используются две структуры биполярного транзистора: р-п-р и п-р-п.
2.	Биполярный транзистор имеет три вывода (электрода): эмиттер, база,
коллектор, и два р-п перехода: эмиттерный и коллекторный.
3.	Биполярный транзистор может работать в четырех режимах: активном,
насыщения, отсечки, инверсном.
4.	В активном режиме транзистор является усилительным элементом.
5.	Чтобы транзистор работал в активном режиме, его эмиттерный переход
должен быть открыт, а коллекторный - закрыт.
6.	При работе транзистора в активном режиме происходят три процесса и
образуются три тока: инжекция - 1Э, рекомбинация — Ig, экстракция — 1к
7-	1э = 1б + 1к ; 1б<< L
5.2.	Схемы включения биполярного транзистора
Биполярный транзистор как усилительный элемент является активным
четырехполюсником. По транзистор имеет три вывода, а четырехполюсник -
четыре: два входных и два выходных. «Хитрость» заключается в том, что
один вывод транзистора делается входным, второй — выходным, а третий -
общим для входной и выходной цепей. Этот общий вывод может быть и
базой, и эмиттером, и коллектором. Поэтому существуют три схемы
включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером
(ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем имеет свои
особенности, свои достоинства, свои недостатки. Рассмотрим подробно
каждую схему включения транзистора. Схемы включения будем сравнивать
I	110 СЛСДуЮГЦИМ ПирсХМСТриМ*
-	коэффициент передачи тока,
-	коэффициент передачи напряжения,
-	входное сопротивление,
-	выходное сопротивление.
При сравнении схем включения будем рассматривать транзистор в
активном динамическом режиме, то есть биполярный транзистор работает с
нагрузкой в выходной цепи и источником сигнала — во входной. Так как
конструкция биполярного транзистора включает два р-n перехода, которые
•
37
имеют нелинейные характеристики, то биполярный транзистор является
нелинейным элементом. Поэтому работа транзистора описывается
дифференциальными параметрами, определяемыми через приращения токов и
напряжений.
Схема с общей базой
Рис. 5.7. Схема включения транзистора с общей базой
В этой схеме входным электродом является эмиттер, выходным -
коллектор. Поэтому:
1вх 1э	I ВЫХ I.K
UBX Ugg	U вых Uk6
Коэффициент передачи тока - это отношение выходного тока к
входному:
Кт = а=
Д7ЯЛ. Л/э
Так как 1к немного меньше 1Э , то U < 1 (0,95).
Коэффициент передачи напряжения — это отношение выходного
напряжения к входному:
jr — MJbux _
&Свх ^эв
Напряжение UKg — напряжение на закрытом р-п переходе (десятки В),
напряжение U36 - напряжение на открытом р-п переходе (десятые доли В).
Поэтому величина К составляв! сотни и даже тысячи раз.
Коэффициент передачи мощности - это отношение выходной
мощности к входной:
Км=	«К
Величина Км составляет сотни и даже тысячи раз.
38
Входное сопротивление - это отношение входного напряжения к
входному току:
Р =-
i'RV —	“ —	““
AZW Л7Э
Так как напряжение открытого эмиттерного перехода U3g мало, а ток 1э
велик, то RBX - мало и составляет единицы Ом.
Выходное сопротивление - это отношение выходного напряжения к
выходному току:
D — &Ubux _
тхвых —~Г--------Г,—
Так как напряжение закрытого коллекторного перехода UK6 велико, то
RBbDt тоже велико и составляет десятки кОм. Таким образом, транзистор
преобразует низкое входное сопротивление в высокое выходное. Слово
«транзистор» и означает преобразователь сопротивления.
Схема с ОБ не усиливает ток, имеет низкое входное сопротивление
(что приводит к потерям сигнала на входе схемы), высокое выходное
сопротивление (что не позволяет согласовать выход схемы с низкоомной
нагрузкой); поэтому схема с ОБ используется редко.
Схема с общим эмиттером
Рис. 5.8. Схема включения транзистора с общим эмиттером
В этой схеме входным электродом является база, выходным - коллектор.
Поэтому.
1вх 1б	1вых
UBX	Ufo	UbMX
Коэффициент передачи тока:
кт = В =
Л/ю AZC
39
Так как 16 « 1К , то коэффициент передачи тока р велик и достигает
сотен раз. У современных транзисторов р колеблется от 40 до 400.
Коэффициент передачи напряжения:
= &Ццых _
Швх
Выходное напряжение UK3 - алгебраическая сумма закрытого
коллекторного (десятки В) и открытого эмиттерного (десятые доли В)
переходов; входное напряжение Ug3 - напряжение на открытом эмиттерном
переходе (десятые доли В). Поэтому коэффициент передачи напряжения
достигает сотен и даже тысяч раз.
Коэффициент передачи мощности:
км = ^=кг.к
^ВХ
Коэффициент передачи мощности велик и достигает десятков тысяч раз.
Входное сопротивление:
1? — КСвх
1 Vg-y	—  —-----
Сопротивление RBX несколько больше, чем в схеме с ОБ, и составляет
сотни Ом.
Выходное сопротивление:
Р =	СМ кэ
*Хвых ~	— 
^вих	Кк
Сопротивление RBblx несколько меньше, чем в схеме с ОБ, и составляет
единицы кОм.
Схема с ОЭ усиливает ток и напряжение и имеет высокий
коэффициент усиления по мощности; входное и выходное сопротивления
имеют более приемлемые значения для согласования на входе и выходе
схемы; схема с ОЭ чаще других используется в усилительных схемах.
Схема с общим коллектором
Рис. 5.9. Схема включения транзистора с общим коллектором
40
В этой схеме входным электродом является база, выходным - эмиттер.
Поэтому:
*ВХ -45	J-ВЫХ 1э
и№ Цбк	^ВЫХ U3K
Коэффициент передачи тока:
. di,
^ВХ dig
Так как 1Э » 16 , то коэффициент передачи тока Кт велик и достигает
сотен.
Коэффициент передачи напряжения:
К = ^и“ых
dU вх	dU Ек
Напряжение UgK - напряжение закрытого коллекторного перехода,
напряжение U3K - алгебраическая сумма напряжений на закрытом
коллекторном и открытом эмиттерном переходах. Так как эти напряжения
имеют разные знаки, то U3K< UgK, поэтому К < 1 (0,95).
Коэффициент передачи мощности:
КМ = К;КЖТ
Величина коэффициента передачи мощности составляет сотни раз.
Входное сопротивление:
Т? dUsx dUgK
dlax dIE
Напряжение 1)бк - напряжение закрытого р-п перехода (десятки В), а ток
базы Ig мал, поэтому RBX велико, достигает сотен кОм.
Выходное сопротивление:
RfiblX
= dUgux _ dU3K
dlgux dl3
Выходной ток 1э велик (сотни мА), поэтому выходное сопротивление
Rbux~ мало, составляет десятки и даже единицы Ом.
Схема с ОК не усиливает напряжение, усиливает мощность в сотни
раз, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что
обеспечивает согласование на входе и выходе схемы.
41
5.3. Статические характеристики биполярного транзистора
Статические характеристики соответствуют активному статическому
режиму работы транзистора, когда на его электроды подается только
постоянное напряжение (рис. 5.4). Различают входные и выходные
статические характеристики транзистора.
Входная характеристика - это зависимость входного тока от входного
напряжения: IBX= f (UEX) при UBbiX = const.
Выходная характеристика — это зависимость выходного тока от
выходного напряжения: 1ВЫХ= f (UBbIX) при IBX = const.
Статические характеристики транзистора в схеме с ОБ
Входные характеристики приведены на рис. 5.10. Обычно в справочниках
приводятся две входные характеристики, измеренные при UBbIx = 0 и UBbIX# 0.
Нетрудно узнать эту характеристику — это прямая ветвь ВАХ р-n перехода,
так как на входе транзистора включен открытый эмиттерный переход. При
повышении напряжения на коллекторном переходе увеличивается ток
эмиттера, и характеристика сметается влево. Это происходит из-за усиления
процесса диффузии, что приводит к увеличению эмиттериого тока!э.
Рис. 5.10. Входные характеристики транзистора с общей базой
Рис. 5.11 Выходные характеристики транзистора с общей базой
42
Выходные характеристики приведены на рис. 5.11. В справочниках
приводится семейство выходных характеристик, измеренных при нескольких
значениях входного тока. Эти характеристики узнать труднее. Но если
мобилизовать пространственное мышление: мысленно перевернуть характе-
ристики и зеркально их развернуть, то увидим обратную ветвь ВАХ р-п
перехода, так как на выходе транзистора включен закрытый коллекторный
переход. Малый наклон выходных характеристик показывает высокое
значение выходного сопротивления транзистора в схеме с ОБ.
Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ
Входные характеристики приведены на рис. 5.12. Эта характеристика
тоже соответствует' прямой ветви ВАХ р-n перехода, так как на входе
транзистора включен открытый эмиттерный переход. При увеличении
напряжения на коллекторном переходе уменьшается толщина базы и
вероятность рекомбинации носителей заряда. Поэтому уменьшается базовый
ток Ig, и входная характеристика смещается вправо.
Рис. 5.12. Входные характеристики транзистора с общим эмиттером
Рис. 5.13. Выходные характеристики транзистора с общим эмиттером
43
Выходные характеристики приведены на рис. 5.13. Выходные
характеристики являются характеристиками закрытого коллекторного
перехода - обратной ветвью ВАХ р-п перехода. Несколько больший наклон
выходных характеристик объясняется уменьшением величины выходного
сопротивления по сравнению со схемой с ОБ.
5.4. Параметры биполярного транзистора
Параметры биполярного транзистора можно подразделить на
предельные, дифференциальные и частотные.
Предельные параметры определяют допустимый режим работы
транзистора. Эти параметры нельзя превышать, ни при каких условиях
эксплуатации транзистора. В противном случае нельзя гарантировать его
надежную работу.
К предельным параметрам относятся:
-	1К max? 1э max, 1б max - допустимые постоянные токи;
" икэ max, UK6 max, 1'тб гаах - Допустимые постоянные напряжения;
-	Рк Шах	~ допустимая мощность рассеяния на коллекторе;
-	Рк тах т	~ допустимая мощность рассеяния на коллекторе
при использовании теплоотвода.
Предельные токи ограничиваются допустимой температурой перехода;
предельные напряжения характеризуют прочность переходов к пробою;
предельная мощность ограничивается выделяемым на переходах теплом.
Дифференциальные параметры оценивают транзистор как нелинейный
активный элемент. Дифференциальные параметры определяются при малом
входном сигнале. Рассмотрим биполярный транзистор как активный
четырехполюсник.
Рис. 5.14. Транзистор как активный четырехполюсник
Мгновенные значения входных и выходных токов и напряжений связаны
между собой через параметры четырехполюсника. Если известны два из
четырех внешних параметров	то два другие определяются через
внутренние параметры четырехполюсника. Зададимся двумя внешними
параметрами и найдем остальные два. Можно выбрать любую пару внешних
параметров, но наибольшее применение нашла система й-парамегров
транзистора, при которой:
44
независимые параметры-z'y и и2;
зависимые параметры - i2 и zzy.
Работу четырехполюсника можно описать системой уравнений:
i2 = h2fi] + h22'U2
u^huh + hI2u2
Чтобы определить физический смысл параметров h22 И h22, рассмотрим
режим работы короткого замыкания на выходе схемы (рис. 5.14), при
котором и2= 0.
Тогда:	i2 = h2fi]
ui = hn'ii
Из этих уравнений выразим h21 и hI2 :
h2i= ± hu= ±
h	'i
То есть:	h22 - коэффициент передачи тока;
hjj - входное сопротивление транзистора.
Чтобы определить физический смысл параметров h22 и h12 , рассмотрим
режим холостого хода на входе схемы, при котором z’y = 0.
Тогда:	i2 = h22u2
ui= h12-u2
Из этих уравнений выразим h22 и h]2;
h22--^	h12 = *
U2	U,
То есть:	h22 — выходная проводимость транзистора;
hj2 - коэффициент обратной связи по напряжению.
Величины А-парамстров можно рассчитать графически по входным и
выходным статическим характеристикам транзистора. Для самой
используемой схемы включения транзистора с ОЭ справедливы следующие
соотношения:
hIl3=при Щ = const
д/£
к2ы =	при UK3 = const
д/6
п}2э	при 1б = const
^22э ~ --— При Ig = const
45
В табл. 1 приведен порядок значений h -параметров для трех схем
включения биполярного транзистора.
Таблица 1
Параметр	Схема с ОБ	Схема с ОЭ	Схема с ОК
1л '4J	Единицы Ом	Сотни Ом	Сотни кОм
hi]	0.95	40 ...400	40 ... 400
h,2	10’3	103	1	1.09
h22	Десятки мкСм	Единицы мкСм	Десятые доли См
Частотные параметры определяют диапазон частот, в котором
транзистор усиливает с заданным коэффициентом усиления. Коэффициент
передачи тока зависит от частоты: с увеличением частоты сигнала он
падает. Это происходит по двум причинам.
Во-первых, носители заряда, инжектированные из эмиттера в базу,
задерживаются в базе, так как время пролета их через базу на высоких
частотах становится сравнимо с частотой входного сигнала. В результате
увеличивается вероятность рекомбинации носителей заряда, то есть ток базы
Тб возрастает. Коллекторный ток уменьшается и отстает по фазе от
эмиттерного тока (рис. 5.15).
1 кГц
₽ = ₽0
Рис. 5.15. Векторная диаграмма токов в транзисторе с ОЭ
В разных схемах включения транзистора изменение h22 будет разным.
В схеме с общим эмиттером:
Уменьшение h2j3 будет происходить и за счет уменьшения 1К , и за счет
увеличения Ig.
В схеме с общей базой: h2]6 =~~-
На уменьшение h21g влияет только уменьшение 1к , так как 1э при
повышении частоты не меняется. Поэтому h22g с ростом частоты уменьшается
гораздо медленнее.
46
Схема с общей базой является частотно-стабильной.
Второй причиной, которая снижает усилительные свойства транзистора в
области высоких частот, является влияние емкости коллекторного перехода
Скб. Эта емкость вызывает обратную связь через сопротивление области базы.
Частотные параметры транзистора:
-	fh2i ~ предельная частота коэффициента передачи тока - частота, на
которой модуль h2i падает на 3 дБ (или в л/2 раз);
-	frp - граничная частота, при которой h2j3 становится равным едини-
це;
-	fniay - максимальная частота, при которой коэффициент усиления
мощности транзистора становится равным единице.
5.5.	Температурные свойства биполярного транзистора
Выходные характеристики и режим работы транзистора зависят от
температуры нагревания транзистора. Рассмотрим, как будет влиять
нагревание транзистора на выходные характеристики в схеме с ОБ и с ОЭ.
Формула полного выходного тока транзистора в схеме с ОБ:
1к =	+ 1кбо)
Так как 11216 ~ 1 > то IK L, 4 1кбо
Величина тока 1кео незначительна, то есть 1кб0 «1э, поэтому 1К~ 1Э .
Таким образом, нагревание транзистора мало изменит выходные
характеристики и режим работы транзистора в схеме с ОБ.
Схема с общей базой является термостабильной.
Формула полного выходного тока в схеме с ОЭ:
1К = ^21э’(1б ! 1кбо) ~ ^2131б "^2/э 1кб0 ~	+ КэО >
где: Е:эО ^27э 11460-
Так как h2ls составляет значительную величину (в среднем сотни раз), то
слагаемые формулы сравнимы, поэтому нагревание транзистора гораздо
сильнее скажется на выходных характеристиках транзистора в схеме в ОЭ.
5.6.	Система обозначений биполярных транзисторов
Буквенно-цифровое обозначение биполярных транзисторов состоит из
пяти элементов.
Первый элемент (буква или цифра) - означает исходный материал:
Г или 1 — германий
К или 2 - кремний
Второй элемент (буква) - означает подкласс электронного прибора.
47
Т - биполярный транзистор.
Третий элемент (цифра) - указывает диапазон частот и рассеиваемой
мощности.
По мощности рассеяния биполярные транзисторы делятся на три
группы:
-	малой мощности (Рк тах < 0,3Вт)
-	средней мощности (Рк тах <1,5Вт)
-	большой мощности (Рктах > 1,5Вт)
По частотному диапазону биполярные транзисторы делятся на четыре
1руппы:
-	низкочастотные (frp <ЗМГн)
-	среднечастотные (frp <30МГц)
-	высокочастотные (frp >30МГц)
-	сверхвысокочастотные (fI p >300МГц)
Четвертый элемент (две последующие цифры) — номер разработки (от
01 до 99)
Пятый элемент (буква) - означает разновидность транзистора.
Для удобства определения диапазона частоты и мощности рассеяния
служит табл. 2.
Таблица 2
Диапазон частот	Малая мощность	Средняя мощность	Большая мощность
Низкая (НЧ)	1(101 -199)	4(401 - 499)	7(701 - 799)
Средняя (СЧ)	2(201 - 299)	5(501 -599)	8(801-899)
Высокая (ВЧ)	3(301 - 399)	6(601 - 699)	9(901-999)
Сверхвысокочастотная (СВЧ)	3(301-399)	6(601 - 699)	9(901 -999)
Разберем некоторые примеры:
КТ315Б
К - кремний
Т - биполярный транзистор
3 - малой мощности
высокой частоты
15 - номер разработки
Б — разновидность
ГТ 402А
Г - германий
Т - биполярный транзистор
4 - средней мощности
низкочастотный
02 - номер разработки
А — разновидность
Основные выводы
1.	Входная статическая характеристика биполярного транзистора
соответствует прямой ветви ВАХ р-n перехода
2.	При Uwx / 0 входная характеристика транзистора в схеме с ОБ
сдвигается влево, а в схеме с ОЭ - вправо.
48
3.	Выходные статические характеристики биполярного транзистора
соответствуют обратной ветви ВАХ р-n перехода.
4.	Предельные параметры транзистора определяют выбор режима его
работы.
5.	Электрические свойства биполярного транзистора определяются
дифференциальными параметрами: hji, h?i , hn, h?2 
6.	Значение A-параметров определяется схемой включения транзистора.
7.	Величина коэффициента передачи тока А^ зависит от частоты сигнала, с
ростом частоты А?; падает.
8.	Выходные характеристики транзистора изменяются при нагревании
транзистора.
9.	Схема с общей базой имеет лучшую температурную и частотную
стабильность параметров.
Контрольные вопросы
1.	Укажите название выводов биполярного транзистора.
2.	В каком режиме работы биполярный транзистор обладает
усилительными способностями?.
3.	Укажите состояние переходов биполярного транзистора в активном
режиме.
4.	Какая схема включения транзистора обладает лучшими усилительными
свойствами?
5.	Какой вывод транзистора является управляющим в схеме включения с
ОЭ?
6.	Какая схема включения транзистора обладает лучшей температурной и
частотной стабильностью?
7.	Какой ток, протекающий в транзисторе, является основной причиной его
температурной нестабильности?
8.	Укажите порядок величины А^э.
9.	Какая схема включения транзистора обеспечивает согласование на входе
и выходе схемы?
10.	Какой из приведенных транзисторов является мощным и
высокочастотным: КТ312А, КТ905Б, КТ816А, КТ807В?
49
ГЛАВА 6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярный транзистор не является единственным усилительным
полупроводниковым прибором. Изобретенный в пятидесятые годы XX
столетия полевой транзистор составил ему достойную конкуренцию.
Полевым транзистор назвали так потому, что движение носителей заряда
управляется электрическим полем. Этот электронный прибор называют
также канальным транзистором, так как носители заряда передвигаются в
кристалле полупроводника, который называется каналом. Встречается еще
одно название -униполярный транзистор, так как в его работе принимают
участие носители заряда одной полярности. Чаще используется термин
полевой транзистор (ПТ).
Полевой транзистор, как и биполярный, является управляемым
нелинейным элементом или нелинейным резистивным
четырехполюсником.
Полевые транзисторы подразделяются на два типа: полевые транзисторы
с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.
6Л. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом
Устройство и принцип работы
Рассмотрим принцип работы такого транзистора. Канал транзистора
представляет собой объемный полупроводниковый кристалл с определенным
типом проводимости и с двумя выводами (электродами). Если между
выводами приложить постоянное напряжение от источника Е2, то в канале
начнется движение носителей заряда (рнс. 6.1). Тот электрод, к которому
будут притягиваться (стекаться) носители заряда, называется сток.
Электрод, через который в канал будут поступать носители заряда из
внешней цепи, называется исток. Движение носителей заряда от истока к
стоку называется стоковым током 1с. Величина стокового тока будет
зависеть от размеров канала, концентрации примеси и напряжения между
стоком и истоком. Чтобы получить усилительный эффект, в канал вводят еще
один электрод, который управляет величиной тока в канале и поэтому
называется управляющим. Этот электрод представляет собой полупроводник,
полярность которого противоположна полярности канала. Между
управляющим электродом и каналом создается р-п переход, на который
подается обратное напряжение смещения от источника Е1, На барьере р-п
перехода возникает широкий запирающий слой, который уменьшает сечение
канала (затворяет канал). Поэтому управляющий электрод получил название
- затвор. Для повышения эффективности управления в канал вводят два
таких электрода (рис. 6.1).
50
Стрелка означает тип канала. Если стрелка направлена внутрь, канал п-
типа; если наружу - канал р - типа.
Рис. 6.1. Устройство и условно-графическое изображение полевого
транзистора с управляющим р-n переходом
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-п
переходом
Рассмотрим статические характеристики полевого транзистора с
управляющим р-n переходом. Различают стоковые (выходные) и стоко-
затворные (проходные) статические характеристики полевого транзистора.
Стоковая характеристика - это зависимость стокового тока 1с от
напряжения между стоком и истоком Ътси при постоянном напряжении на
затворе U3H: Ic = f (Uc„) при U3iI= const (рис. 6.2).
Самое большое значение 1с получается при напряжении на затворе
UJH ~ 0, так как в этом случае ширина запирающего слоя р-n перехода
минимальная, а сечение канала максимальное. Для усиления используется
пологая часть характеристик.
Стоко - затворная характеристика — это зависимость стокового тока
1С от напряжения между затвором и истоком 11зи при постоянном стоковом
напряжении UCH: Ic — f (U3H) при UCII = const (рис. 6.3). При U3II = 0
стоковый ток 1с максимален; с возрастанием напряжения на затворе канал
перекрывается, и стоковый ток 1с уменьшается до очень малой величины
(единицы мкА).
Стоко - затворная характеристика наглядно показывает эффективность
управления стоковым током с помощью напряжения на затворе:
незначительные изменения напряжения U3li вызывают большие изменения
тока 1с-
51
/
Рис. 6.2. Стоковые характеристики
Рис. 6.3. Стоко-затворные характеристики
Схема включения
Схемой включения полевого транзистора обычно является схема с
общим истоком (ОИ).
Рис. 6.4. Схема включения полевого транзистора с управляющим р-п
переходом
Полярность источников Е1 и Е2 определяется типом, канала транзистора.
На схеме приведен транзистор с п- каналом. Чтобы носители заряда (в
данном случае электроны) двигались к стоку, на сток следует подать
положительную полярность источника Е2. К затвору (в данном случае р-
полярности) прикладывается обратное напряжение, то есть на затвор
подается отрицательная полярность источника Е1.
52
Основные выводы
1.	Движением носителей заряда в полевом транзисторе управляет
электрическое поле, в транзисторе с управляющим р-n переходом -
электрическое поле р-n перехода.
2.	Полевой транзистор имеет три электрода: сток, исток, затвор.
3.	Полевой транзистор обладает усилительными свойствами.
4.	Полевой транзистор является малоинерционным прибором, так как в нем
отсутствуют процессы накопления и рассасывания неосновных
носителей заряда.
5.	Полярность источников питания в схеме включения полевого
транзистора определяется типом его канала.
6.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
Полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП или
МОП транзисторы. В этом аббревиатурном сокращении: М - металл, Д
диэлектрик или О - окисел, П - полупроводник. Такое название транзисторы
получили в соответствии с их структурой: металлический затвор отделен от
полупроводника слоем диэлектрика (рис. 6.5). МДП -транзисторы
подразделяются на транзисторы с встроенным и с индуцированным
каналом.
В этих транзисторах используются поверхностные каналы. Управление
величиной тока стока в них осуществляется изменением удельной
проводимости канала, то есть изменением концентрации носителей заряда в
канале с помощью электрического поля затвора.
МДП-транзисторы с вс троенным каналом
Устройство и принцип работы
Рис. 6.5. Устройство и условно-графическое обозначение МДП-
транзистора с встроенным п - каналом
53
МДП-транзисторы с встроенным каналом могут работать при любой
полярности напряжения на затворе. Рассмотрим работу транзистора с п -
каналом (рис. 6.5).
Чтобы отрицательные носители заряда двигались по каналу от истока к
стоку, на сток следует подать положительную полярность, а На исток -
отрицательную по лярность напряжения источника питания.
Если напряжение на затворе Ura будет равно нулю, в канале будет
протекать начальный ток стока, величина которого будет определяться
размерами канала, концентрацией носителей заряда и величиной напряжения
иси.
Если к затвору приложить положительное напряжение, то вокруг канала
в подложке образуется положительное поле, которое притянет из подложки
отрицательные носители заряда - электроны (неосновные носители заряда
для подложки, но основные для канала). В канале количество носителей
заряда увеличится, стоковый ток 1с возрастет. Такой режим работы
транзистора называется режимом обогащения.
Если к затвору приложить отрицательное напряжение, то вокруг канала
в подложке образуется отрицательное поле, которое вытолкнет из канала в
подложку отрицательные носители заряда. В канале количество носителей
заряда уменьшится, стоковый ток 1с уменьшится. Такой режим работы
называется режим обеднения.
Статические характеристики МДП-транзистора
с встроенным каналом
По названию и виду статические характеристики МДП-транзистора с
встроенным каналом схожи с аналогичными характеристиками транзистора с
управляющим р-п переходом, но все же отличаются, так как на затвор
подается напряжение различной полярности (рис. 6.6, 6.7).
Рис. 6.6. Стоковые характеристики МДП-транзистора
с встроенным п - каналом
54
Режим обогащения
Рис. 6.7. Стоко - затворные характеристики МДП-транзистора
с встроенным п - каналом
Схемы включения
Рассмотрим построение схем включения МДП-транзистора с
встроенным каналом для режима обогащения и для режима обеднения.
Рис. 6.9. Схема включения МДП-
транзистора с встроенным
p-каналом в режиме обеднения
Рис. 6.8. Схема включения МДП -
транзистора с встроенным
р-каыалом в режиме обогащения
Полярность источника Е2 определяется типом канала транзистора. В
транзисторе с p-каналом носители заряда положительные. Чтобы они
двигались по каналу от истока к стоку, создавая стоковый ток 1с, к стоку
нужно подключить отрицательный, а к истоку — положительный полюс
источника Е2. Полярность источника Е1, который подает напряжение на
затвор, определяется режимом работы транзистора. Для создания режима
обогащения, на затвор следует подать отрицательную полярность Е1 (рис.
6.8), а для получения режима обеднения — положительную (рис. 6.9).
Основные выводы
1.	МДП-транзистор с встроенным каналом может работать при любой
полярности напряжения на затворе; при U3M = 0 в канале протекает
начальный стоковый ток I с нач # 0.
55
2.	Режим работы, при котором полярность на стоке и затворе совпадает,
называется режимом обогащения; в режиме обогащения стоковый ток
увеличивается, становится больше начального.
3.	Режим работы, при котором полярность напряжения на стоке и на
затворе противоположные, называется режим обеднения; в режиме
обеднения стоковый ток уменьшается, становится меньше начального.
4.	МДП-транзистор с встроенным каналом обладает усилительным
эффектом, так как очень малые изменения напряжения на затворе
вызывают во много раз большие изменения стокового тока.
МДП-транзистор с индуцированным каналом
Устройство и принцип работы
МДП-транзистор с индуцированным каналом может работать только
одной при полярности напряжения на затворе, то есть только в режиме
обогащения. В режиме обогащения между стоком и истоком возникает
проводящий канал, по которому будет протекать стоковый ток. Величина
напряжения U311, при которой появляется стоковый ток 1с, называется
Рис. 6.10. Устройство и условно-графическое обозначение МДП-транзистора
с индуцированным р- каналом
Рассмотрим работу МДП-транзистора с индуцированным р-каналом.
Если на затворе нет напряжения или оно положительное (U3H > 0), то канал
не образуется и тока в канале нет (1с = 0).
Если к затвору приложить отрицательное напряжение, значение
которого превышает пороговое Uuop, в пространстве подложки между
истоком и стоком образуется отрицательное электрическое поле, которое
притянет из подложки положительные носители заряда, а отрицательные
вытолкнет в подложку. Между истоком и стоком образуется проводящий
канал, по которому будет протекать ток, если к стоку приложить
отрицательную полярность, а к истоку положительную полярность
напряжения UclI.
56
Статические характеристики МДП-транзистора с
индуцированным каналом
Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным
каналом аналогичны характеристикам МДП-транзистора с' встроенным
каналом, но только в режиме обогащения (рис. 6.11,6.12)
Рис. 6.11. Стоковые характеристики МДП-транзистора с
индуцированным р-каналом
Рис. 6.12. Стоко - затворные характеристики МДП-транзистора с
индуцированным р-каналом
Схема включения
Построим схему включения МДП-транзистора с индуцированным п-
каналом. Носителями заряда в канале n-типа являются электроны. Поэтому
для образования канала на затвор следует подать положительное
напряжение. Чтобы электроны двигались по каналу, к стоку следует
приложить положительную полярность напряжения от источника Е2, а к
истоку - отрицательное. Так как такой транзистор может работать только в
57
режиме обогащения, то полярность напряжения на стоке и на затворе
совпадают (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Схема включения МДП-транзистора с
индуцированным п-каналом.
Основные выводы
1. МДП-транзистор с индуцированным каналом может работать только при
одной полярности напряжения па затворе, только в режиме обогащения.
2. МДП-транзистор с индуцированным каналом обладает малым
потреблением тока, поскольку потребление происходит только водном
режиме.
6.3.	Параметры полевых транзисторов
Статические параметры полевого транзистора - дифференциальные, так
как полевой транзистор является нелинейным элементом. Работу всех типов
полевых транзисторов описывают следующие дифференциальные
параметры.
Крутизна S - характеризует управляющее действие затвора, то есть
степень влияния напряжения на затворе на величину стокового тока;
напряжение на стоке постоянное:
S = при UCH=const
Крутизна измеряется в мА/B и имеет порядок единицы мА/В.
•4 Внутреннее сопротивление Ri характеризует степень влияния на
стоковый ток выходного напряжения на стоке; напряжение на затворе
постоянное:
Ri =	ПрИ изи = const
Д7(.
Внутреннее сопротивление измеряется в Ом и имеет порядок сотни кОм.
Статический коэффициент усиления сравнивает напряжение на стоке
иси и на затворе U3H по их воздействию на стоковый ток 1с :
58
р=^си ПрИ Jc = const
&U зн
Величину /7 можно рассчитать аналитически: y^S-Ri
Порядок величины ц сотни ... тысячи раз.
6.4.	Сие гема обозначений нолевых транзисторов
Буквенно-цифровая система обозначений полевых транзисторов
аналогична маркировке биполярных транзисторов, но второй элемент,
обозначающий подкласс прибора, буква П - означает полевой транзистор.
Разберем примеры
КП103Л
К- кремний
П- нолевой
1 — малой мощности,
низкочастотный
03 - номер разработки
Л — разновидность
КП 901Б
К - кремний
П - полевой
9 —большой мощности,
высокочастотный
01 - номер разработки
Б - разновидность
6.5.	Сравнительная характеристика биполярных и нолевых
транзисторов
Таблица 3
Биполярный транзистор	Полевой транзистор
Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ составляет сотни Ом, что приводит к потерям сигнала на входе схемы.	Вводное сопротивление транзистора с управляющим р-n переходом 105 Ом, МДП транзистора 109... 1010 Ом.
Низкая стабильность коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.	Высокая температурная стабильность параметров.
Высокий уровень шумов, что приводит к низкому качеству усиления сигнала.	Низкий уровень шумов, высокое качество усиления.
Относительно невысокий коэффициент усиления тока (102)	Высокий коэффициент усиления тока (>103)
Высокий коэффициент усиления по напряжению в схемах с ОЭ и ОБ	Относительно низкий коэффициент усиления по напряжению, низкая крутизна.
Низкая входная емкость.	Высокая входная емкость, что приводит к чувствительности ПТ к электростатическому электричеству
59
Контрольные вопросы
1.	Почему полевой транзистор получил такое название? Как еще называют
полевой транзистор?
2.	У кажите названия электродов полевого транзистора.
3.	Перечислите типы полевых транзисторов.
4.	Какой электрод полевого транзистора является управляющим?
5.	При каком напряжении на затворе полевого транзистора с управляющим
р-n переходом величина стокового тока будет максимальной?
6.	Какая полярность напряжения на затворе создает режим обогащения в
МДП-транзисторе с встроенным п-каналом?
7,	Какую полярность напряжения следует подать на затвор МДП-
транзистора с индуцированным p-каналом, чтобы он был в рабочем
режиме?
8.	Чем можно объяснить высокое входное сопротивление полевого
транзистора?
9.	Перечислите достоинства полевого транзистора по сравнению с
биполярным.
10.	Какой из полевых транзисторов является более экономичным?
ГЛАВА 7. ТИРИСТОРЫ
Название тиристор происходит от латинского «тира» - дверь. Тиристор
подобно двери может быть в открытом состоянии и пропускать ток, а может
закрываться и не пропускать ток. Таким образом, тиристор работает как
ключ. Структура тиристора представляет собой четыре полупроводниковые
области с чередующейся полярностью и три р-n перехода. Причем
концентрация примеси в крайних областях повышенная (рис.7.1). Тиристоры
используются в устройствах связи, энергетики в качестве преобразователей,
переключателей, генераторов, запоминающих устройств.
По количеству выводов, областей и принципу работы различаются:
динистор (тиристор с двумя выводами), тринистор (тиристор с тремя
выводами) и симметричные тиристоры (имеют пять и более
полупроводниковых областей). Рассмотрим эти электронные приборы.
7.1.	Динистор
Динистор - это двухэлектродный тиристор диодного типа с выводами
от анодной (А) и катодной (К) областей (рис. 7.1). Его условно-графическое
обозначение напоминает диод (рис. 7.2).
л
60
Рис. 7.1. Структура динистора
Рассмотрим принцип действия динистора. Динистор можно представить
в виде двух биполярных транзисторов: первый структуры pi -и—pj (Э1 Б1
К1), второй структуры Пг '-рг-П] (Э2-Б2-К2). Причем базовая область одного
транзистора является коллектором другого. Прямым напряжением для
динистора является внешнее напряжение между выводами, к крайней pi+-
области подключен положительный полюс, а к крайней п2+-области -
отрицательный полюс внешнего источника питания. В этом случае два
крайних перехода П1 и ПЗ открыты, а средний (П2) - закрыт. Такое
состояние переходов соответствует активному режиму работы транзисторов.
Средний закрытый переход обладает большим сопротивлением и определяет
закрытое состояние динистора. Через динистор протекают малые токи.
Этому состоянию соответствует участок ВС на вольт - амперной
характеристике динистора (рис. 7.2).
При увеличении напряжения между анодом и катодом начинается
процесс инжекции основных носителей заряда из крайних областей
(эмиттеров) в средние (базы) и дальнейшая их экстракция в коллекторы.
Электрическое поле первого и третьего р-п переходов ие пропустит носители
заряда в крайние области. Поэтому начнется их накопление в средних
областях: в n-области отрицательных зарядов, а в р - области -
положительных. При определенном внешнем напряжении суммарное поле
этих носителей заряда скомпенсирует потенциальный барьер закрытого р-п
перехода, его сопротивление резко понизится, и динистор скачком перейдет в
открытое состояние (участок АС ВАХ динистора). На участке A D динистор
обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Малое
сопротивление открытого динистора соответствует низкоомному и
низковольтному участку прямой ветви ВАХ (участок A D).
Разрыв анодной цепи или подача напряжения обратной полярности
вызовет постепенное рассасывание избыточных носителей заряда, средний р-
п переход закроется, и динистор перейдет в первоначальное закрытое
состояние.
61
Рис. 7.2. Вольт - амперная характеристика и условно-графическое
обозначение динистора
На ВАХ динистора обозначены его основные параметры-.
ивКл - напряжение включения, при котором динистор переходит их
закрытого состояния в открытое;
1уд - ток удержания, при котором динистор переходит из открытого
состояния в закрытое;
1ВКЛ — ток включения, соответствует UBKJ1.
Динистор характеризуется также предельными параметрами, которые
определяются температурой нагрева р-n переходов и их прочностью к
пробою:
lllp max ~ максимально допустимый прямой ток;
U06p max — максимально допустимое обратное напряжение;
Рк «пах - максимально допустимая мощность.
Схема включения динистора приведена на рис. 7.4.
7.2.	Тринистор
Динистор имеет весьма существенный недостаток: напряжение
включения UBKJ1 постоянное, его нельзя изменить. Для устранения этого
недостатка в тиристоре делается еще один вывод, с помощью которого
можно управлять напряжением включения.
Тринистор (триодный тиристор) имеет четырехслойную структуру и
три вывода: два вывода от крайних областей (анод и катод) и один вывод —
от средней области (управляющий). В зависимости от того, какая средняя
область является управляющей, различают анодный (рис. 7.36) и катодный
(рис. 7.3а) тринисторы. Чаще используется катодный тринистор.
62
Рис, 7.3. Структура и условно-графическое обозначение тринистора
Процессы, происходящие в тринисторе те же, что и в динисторе, но
здесь есть возможность регулировать величину напряжения включения.
Рассмотрим, как это происходит на примере схемы, приведенной на рис. 7.4.
К управляющему электроду У подключается одноименная полярность
источника Е1 (в анодном тринисторе - отрицательная, в катодном -
положительная). Из внешней цепи в управляющую среднюю область
поступают носители заряда, по знаку совпадающие с основными этой
области. Поэтому для отпирания среднего р-n перехода достаточно меньшего
напряжения между анодом и катадом. Изменением Е1 можно регулировать
величину UBIOI (рис. 7.4).
б
Рис. 7.4. Схемы включения динистора (а)
и катодного тринистора (б)
На рис. 7.5 приведена еолып - амперная характеристика тринистора и
указана зависимость напряжения включения UBKn от управляющего тока Тупр.
Чем больше управляющий ток, тем ниже напряжение включения.
63
Рис. 7.5. Вольт - амперная характеристика тринистора
7.3.	Симметричные тиристоры
Симметричные тиристоры имеют одинаковые вольт - амперные
характеристики при различных полярностях приложенного напряжения.
Симметричный тиристор имеет пять полупроводниковых областей и четыре
р-п перехода (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Структура симметричного тиристора
Рис. 7.7. Схема включения симметричного тиристора
64
Анодом являются области pl и nl, катодом - области р2 и пЗ. Если к
аноду подключить положительный полюс источника Е2, а к катоду -
отрицательный, то первый, второй и четвертый переходы будут открыты, а
третий закрыт Первый переход зашунтирован сопротивлением области pl,
имеющей малое сопротивление. Поэтому сопротивлением первого перехода
можно пренебречь. Получаем тиристор структуры pl-nl-p2-n3. Вольт -
амперная характеристика такого тиристора расположена в первом квадранте
(рис. 7.8). При смене полярности Е2 получается тиристор структуры р2-п2-
pl-nl. Вольт - амперная характеристика этого тиристора расположена в
третьем квадранте (рис. 7.8). Напряжение включения регулируется с
помощью источника Е1 (рис. 7.7).
Рис. 7.8. Вольт - амперная характеристика и условно-графическое
обозначение симметричного тиристора
7.4.	Система обозначений тиристоров
Маркировка тиристора содержит четыре элемента.
Первый элемент (буква или цифра) означает исходный материал.
Второй элемент (буква) указывает подкласс прибора:
Н - динистор;
У - тринистор.
Третий элемент (трехзначное число) означает прямой ток или
диапазон мощности:
101 -199 - малая мощность, 1пр < 0.3 А
201 - 299 - большая мощность, 1пр< 10А
Для симметричных тиристоров:
501 - 599 - малая мощность, 1пр< 0,3 А
601 - 699 - большая мощность, 1пр< 10А
Четвертый элемент (буква) разновидность тиристора по параметрам.
65
Разберем некоторые примеры:
2Н104Б
2 - кремний
Н - динистор
104 —1пр<0.3А
КУ 203А
К - кремний
У -тиристор
203 —1пр<10А
Б - разновидность
А - разновидность
КУ 502А
К — кремний
У — тринистор
502-симметричный,
Inp <0,3 А
А — разновидность
Основные выводы
1.	Тиристор имеет два устойчивых состояния (открытое и закрытое) и
служит для переключения в цепях большой мощности.
2.	Динистор имеег два вывода - анод и катод, и неизменяемое напряжение
включения ивкл.
3.	Тринистор имеет три вывода — анод, катод, управляющий вывод и
возможность регулирования величиной иькл.
4.	Симметричный тиристор может работать при любой полярности
приложенного напряжения.
Контрольные вопросы
1.	Укажите назначение тиристора.
2.	Сколько полупроводниковых областей имеет динистор?
3.	Как называются выводы динистора? Какую полярность напряжения
следует на них подавать?
4.	Для чего служит управляющий вывод трипистора?
5.	Какую полярность напряжения следует подавать на управляющий вывод
катодного тринистора?
6.	Как изменится величина напряжения включения UBKJI при увеличении
управляющего тока?
ГЛАВА 8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ
Отрасль науки и техники, где происходит синтез оптики и электроники,
получила название оптоэлектроника. В оптоэлектронике в качестве
носителя информации используются волны оптического диапазона (ог 10 нм
до 1 мм). Этот диапазон разделяется на поддиапазоны: ультрафиолетовое
излучение (до 400 нм), видимый спектр (до 780 нм) и инфракрасное
излучение (до 1000 мкм).
Оптические цепи имеют целый ряд преимуществ:
-	высокая помехозащищенность вследствие отсутствия влияния
электрических и магнитных полей;
-	отсутствие взаимного влияния трактов приема и передачи;
-	отсутствие паразитных каналов связи;
66
-	идеальная электрическая развязка входных и выходных цепей;
-	носители сигнала - фотоны - не рассеиваются и не взаимодействуют
между собой.
Устройства оптоэлектроники можно подразделить на две группы:
фотоизлучатели (преобразуют электрический сигнал в оптический) и
фотоприемники (преобразуют оптический сигнал в электрический).
Передача сигнала от фотоизлучателя к фотоприемнику осуществляется через
светопроводящую среду: воздух, вакуум, стекло и т.д.
Повсеместное внедрение оптических кабелей вызвало повышенный
интерес к устройствам оптоэлектроники. По оптическим кабелям
информация передается в виде оптического луча. Станционная часть
аппаратуры волоконно-оптических систем передачи обрабатывает и
формирует групповой электрический сигнал. Поэтому необходимы
устройства, преобразующие электрический сигнал в оптический
(фотоизлучатели) и осуществляющие обратное преобразование
(фотоприемники). Фотоизлучатели включаются между выходом передающей
части аппаратуры и оптическим кабелем; фотоприемники - между
оптическим кабелем и входом приемной части аппаратуры.
Для изготовления оптоэлектронных приборов используется соединения
галлия: арсенид галлия, фосфид галлия, нитрид галлия, карбид галлия.
8.1.	Полупроводниковые фотоприемники
Фотоприемники преобразуют электромагнитное излучение видимой,
инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра в электрическую энергию
Принцип работы фотоприемника строится на:
-	изменении электропроводности вещества - внутренний фотоэффект,
-	возникновении ЭДС на границе двух материалов - фотоэффект в
запирающем слое;
-	испускании электронов — внешний фотоэффект.
Разновидности фотоприемников: фоторезистор, фотодиод, фотоэлемент,
фото- PIN -диод, лавинный фотодиод, фототранзистор, фототиристор.
Фоторезистор
Начнем изучение оптоэлектронных приборов с самого простого
фоторезистора.
Конструкция фоторезистора приведена на рис.8.1. Светочувствительный
полупроводниковый слой (1) наносится на диэлектрическую подложку (2), от
слоя (1) делаются металлизированные выводы (3, 4). Вся конструкция
помещается в герметичный корпус.
Принцип работы фоторезистора заключается в изменении электричес-
кого сопротивления под действием светового потока, который падает на
полупроводниковый слой, вызывая в нем генерацию носителей заряда.
Электропроводность фоторезистора увеличивается, а сопротивление -
уменьшается.
67
1-полупроводниковый светочувствительный слой
2- диэлектрическая подложка
3 и 4- металлизированные выводы
Рис. 8.1. Устройство и условно-графическое обозначение фоторезистора.
Работа фоторезистора описывается двумя характеристиками - световой
и вольт - амперной.
Вольт - амперная характеристика фоторезистора - это зависимость
тока, протекающего через фоторезистор, от приложенного к нему
напряжения при постоянном световом потоке: 1ф_р — f (11ф.р) при Ф = const
(рис. 8.2).
Световая характеристика фоторезистора - это нелинейная
зависимость тока фоторезистора от светового потока при постоянном
напряжении: 1ф.р= £(Ф) при U^p- const (рис. 8.3).
Рис. 8.2. Вольт - амперная характе-
ристика фоторезистора
Параметры фоторезистора:
Рис. 8.3. Световая характе-
ристока фоторезистора
1Т - темновой ток, протекающий при отсутствии света; обусловлен
собственной электропроводностью полупроводника;
R, - темновое сопротивление- сопротивление фоторезистора при отсутствии
освещения;
Кф - интегральная чувствительность, показывает зависимость фототока от ’
светового потока:
68
Кф= - д-~ при иф.р= const
Фоторезисторы нашли широкое применение в устройствах автоматики,
защиты, управления. Например, в устройствах автоматического включения и
выключения уличного освещения.
Фотодиод
Фотодиод может работать в диодном и гальваническом режимах.
Работа фотодиода в диодном режиме
Конструктивно фотодиод представляет собой р-n переход, помещенный
в герметичный, но прозрачный корпус (рис. 8.4). Для изготовления
фотодиода используется кремний и германий.
Свет
ШИ
Рис. 8.4. Устройство и условно-графическое обозначение фотодиода
Принцип работы фотодиода основан на зависимости величины
обратного тока от освещенности. Обратный (дрейфовый) ток р-n перехода
образован неосновными носителями заряда, число которых определяется
внешней энергией, в данном случае - световой. При освещении диода
происходит генерация неосновных носителей заряда и увеличивается
обратный ток диода I^p.
Вольт - амперная характеристика фотодиода — это зависимость
обратного тока фотодиода от приложенного к нему напряжения при
постоянном световом потоке: logp = f(Uo6p) при Ф = const (рис. 8.5).
Световая характеристика - это линейная зависимость обратного тока
от светового потока при постоянном напряжении: Iogp = Г(Ф) при U=const
(рис. 8.6). Линейность световой характеристики позволяет производить
пропорциональное преобразование светового потока в электрический ток.
Параметры фотодиода:
1г - темновой ток;
1Д — обратный ток фотодиода;
- сопротивление фотодиода;
69
Кф - интегральная чувствительность:
Применение фотодиодов, работающих в диодном режиме, идентично
использованию фоторезисторов.
Рис. 8.5. Вольт - амперная характеристика фотодиода
Рис. 8.6. Световая характеристика фотодиода
70
Разновидности фотодиодов
Для получения широкого частотного диапазона без снижения
чувствительности и сохранении большой мощности рассеяния используются
p-i-n-фотодиоды (рис. 8.7). Управляющей областью является /-область, на
нее направлен световой потто, который вызывает генерацию носителей
заряда и увеличение обратного тока фотодиода 1обр. Сопротивление такого
диода гораздо больше, чем обычного (за счет наличия области i). Поэтому
обратное напряжение создает сильное электрическое поле, которое
увеличивает скорость перемещения зарядов. Кремниевые p-i-n-фотодиоды
работают в диапазоне до 1 ГГц.
Свет
р	1	п
Рис. 8.7. Устройство p-i-n-фотодиода
Лавинный фотодиод (ЛФД) работает в области лавинного пробоя. В
ЛФД происходит увеличения фототока в результате лавинного размножения
носителей заряда. Этот процесс называется также усилением первичного
тока или фотоумножением. Исходными материалами для ЛФД являются
кремний и платина, то есть используется барьер Шоттки.
Фоточувствительная область выполняется в виде окна диаметром 40...60
мкм. Такие размеры позволяют получить однородную структуру пленки
полярности п+ на поверхности кристалла р - полупроводника. Обычно п -
слой окружен охранным кольцом n-полупроводника с пониженной
концентрацией примеси. Охранное кольцо предотвращает лавинный пробой
при пониженных напряжениях у краев пленки. Лавинный пробой возникает в
переходе п+ - р. Коэффициент увеличения тока определяется числом
дополнительных носителей заряда, появившихся в результате пробоя.
Причем лавинное умножение носителей заряда (положительных или
отрицательных) зависит от спектрального состава облучения: в случае
длинноволнового облучения создается лавина положительных носителей
заряда, а при коротковолновом облучении - отрицательных.
В преобразователях волоконно-оптических систем передачи обычно
используются p-i-n-фотодиоды или лавинные фотодиоды.
71
Фотоэлемент
Фотоэлементом является фотодиод, работающий в гальваническом
режиме. В этом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания
и является сам источником энергии, которая возникает под действием
светового потока.
При освещении полупроводниковых областей диода возникает
генерация дополнительных носителей заряда. Дополнительные электроны в
n-области частично компенсируют заряды запирающего слоя, сужая его
ширину и уменьшая потенциальный барьер. То же действие производят
дополнительные дырки в p-слое. Новое состояние перехода будет
соответствовать меньшей величине потенциального барьера. В р-области
образуется избыточный положительный заряд, а в n-области — избыточный
отрицательный. На выходах диода появляется ЭДС, которую называют
фото-ЭДС Еф. Величина Еф одного фотоэлемента небольшая — десятые
доли В. Чтобы получить требуемую величину Еф используют несколько
фотоэлементов.
Энергетическая характеристика фотоэлемента показывает
зависимость величины фото -ЭДС от освещенности: Еф = f (Ф) (рис. 8.8).
Рис.8.8. Энергетическая характеристика фотоэлемента
Фотоэлементы широко используются в солнечных батареях.
Фототранзистор и фототиристор
Фототранзистор - это полупроводниковый прибор, способный
усиливать фототок. Фототранзистор имеет три полупроводниковые области и
два р-п перехода. Обычно фототранзистор включается по схеме с общим
эмиттером. Световой поток попадает на базу и управляет работой
транзистора (рис. 8.9). Поэтому база фоготранзистора имеет большую
поверхность. В электрическую цепь база не включается (схема с
72
неподключенной базой). Напряжение, приложенное между коллектором и
эмиттером, открывает эмиттерный переход и закрывает коллекторный —
фототранзистор работает в активном режиме. При освещении базы в ней
происходит генерация дополнительных носителей заряда, которые снижают
потенциальный барьер эмиттерного перехода, усиливая процесс инжекции.
Кроме того, фототок обогащается дополнительными носителями заряда и
усиливается.
Свет
||| 11II
I ---Ц
р
Рис. 8.9. Устройство и условно-графическое обозначение
фототранзистора
Основной характеристикой фототранзистора является выходная
характеристика-. IK — f(UI;3) при Ig = 0 и Ф = const (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Выходные характеристики фототранзистора
73
Параметром фототранзистора является интегральная чувствительность:
Кф= при1б= О
Интегральная чувствительность Кф в кцэ раз больше, чем у фотодиода.
В настоящее время используются фототранзисторы с. дополнительным
смещением базы, благодаря чему его характеристики получаются более
линейными.
Кроме биполярных выпускаются МДП-фототранзисторы. Управление
работой такого транзистора осуществляется освещением прозрачного
затвора. Под действием световой энергии в подложке под затвором
генерируются дополнительные носители заряда, которые притягиваются в
канал и обогащают его. Стоковый ток увеличивается пропорционально
световому потоку Ф.
Фототиристор имеет четырехслойную структуру. Управляющей
областью является одна из средних областей, которая освещается. В этой
области под действием света генерируются дополнительные носители заряда,
которые компенсируют обратное напряжение на среднем переходе, переход
открывается н фототиристор включается.
Однако нестабильность и неточность параметров фототранзисторов и
фототиристоров, большой уровень шумов и плохие частотные
характеристики нс позволяют широко использовать эти приборы. Обычно
фототранзисторы и фототиристоры используются в оптронах.
Основные выводы
1.	Работа фотоприемников основана на явлении внутреннего фотоэффекта:
генерации носителей заряда под действием света.
2.	Фоторезистор изменяет свое сопротивление под действием света.
Фоторезистор может работать при любой полярности напряжения.
3.	Фотодиод работает при обратных напряжениях; под действием света
изменяется его обратный ток 10бр.
4.	Фоторезисторы и фотодиоды используются в схемах автоматики И
телемеханики.
5.	Фотоэлемент  это фотодиод, который сам является источником ЭДС;
величина фото - ЭДС одного фотоэлемента составляет десятые доли В.
6.	Фотодиоды с p-i-n структурой и лавинные фотодиоды могут работать в
СВЧ диапазоне и используются в аппаратуре волоконно-оптических
систем передачи.
7.	Фототранзисторы усиливают фототок, используются в оптронах.
74
8.2.	Полупроводниковые фотоизлучатели
Фотоизлучатели преобразуют энергию электромагнитного излучения в
область видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра.
Разновидности фотоизлучателей: светоизлучающий диод, инфракрасный
светоизлучающий диод, полупроводниковый лазерный диод.
Светоизлучающий диод
Светоизлучающий диод (светодиод) является некогерентным
излучателем света, т.е. излучает световую энергию в широком спектре.
Принцип работы светодиода основан на явлении люминесценции.
Процесс люминесценции включает в себя два этапа:
-	генерация носителей заряда и накопление энергии под действием
приложенного напряжения;
-	рекомбинация носителей заряда и излучение энергии в виде кванта
света - фотона.
Спектр излучения (цвет свечения) достигается использованием
исходных материалов с присадками. Обычно используются: фосфид галлия,
карбид кремния, арсенид галлия. Для зеленого свечения добавляют азот, для
красного окись цинка и т.д.
Конструктивно светодиод представляет собой один р-п переход с разной
площадью полупроводниковых областей и разной концентрацией примеси
(рис. 8.11).
Рис. 8.11. Устройство и условно-графическое обозначение светодиода
Основной характеристикой светодиода является излучательная
характеристика (рис. 8.12а) - зависимость яркости свечения В от прямого
тока: В = f(I„p).
Вторая характеристика светодиода — спектральная (рис. 8.126) —
зависимость мощности излучения Р от длины волны А,: Р = f(A).
75
Рис. 8.12а. Излучательная
характеристика светодиода
Параметры светодиода:
Рис. 8.126. Спектральная
характеристика светодиода
В - яркость излучения - отношение силы света к площади светящейся
поверхности; составляет десятки.. .сотни кд/см2:
1пр - постоянный прямой ток или постоянное прямое напряжение;
Хсв - длина волны, соответствующая максимально интенсивному
свечению; определяет цвет свечения экрана;
ДХ- спектральный диапазон излучения;
Р - полная излучаемая мощность; составляет десятые доли мВт.
Инфракрасные светодиоды работают в диапазоне невидимого
инфракрасного излучения. Принцип их действия заключается в
самопроизвольной рекомбинации носителей заряда. Исходные материалы:
арсенид или фосфид галлия. Эти диоды имеют гораздо большую излучаемую
мощность — до сотен мВт.
Светодиоды переменного свечения — это комбинация двух р-п
переходов (двух светодиодов), один из которых излучает волны, например,
красного цвета, а другой - зеленого.
Светодиоды имеют очень высокую надежность, большой срок службы,
высокое быстродействие, малое потребление тока, совместимость с
интегральными схемами. Однако светодиоды обладают температурной
нестабильностью я широким спектром излучения.
Несмотря на указанные недостатки, светодиоды получили широкое
применение для световой и знаковой индикации, в фотореле, в различных
датчиках, в оптронах.
76
Лазерный диод
Лазерный диод обладает когерентным излучением, то есть излучает
волну одной длины. Высокая когерентность получается в режиме
индуцированного излучения, которое достигается вынужденной
(стимулированной) рекомбинацией. При работе лазера рекомбинация должна
преобладать над поглощением квантов света. Для этого необходимо, чтобы
верхние валентные уровни были больше заполнены электронами, чем
внутренние. Такое состояние вещества называется состояние с инверсной
населенностью. Получить такое состояние можно:
-	прямым включением р-n перехода - инжектированные лазеры;
-	бомбардировкой полупроводника пучком быстрых электронов;
-	с помощью оптической накачки.
В технике связи используются лазерные диоды с встроенными
оптическими резонаторами. Состояние инверсной населенности в таких
диодах достигается внесением большого количества примеси в одну из
областей диода (вырожденная область). Если прямой ток превышает
пороговый уровень, при котором происходит вынужденная рекомбинация, то
диод становится усилительным элементом.
Торцевые поверхности р-n перехода в таком диоде делаются строго
параллельными и полируются до зеркального блеска, поэтому кванты света
будут многократно проходить через р-n переход, отражаясь от зеркальных
поверхностей, и энергия излучения будет усиливаться (резонатор Фабри-
Перо).
Основной характеристикой лазерного диода является ватт - амперная
характеристика (рис. 8.13) - зависимость мощности излучения от прямого
тока (тока накачки): Рим = f(lnp).
Рис. 8.13. Ватт-амперная характеристика лазерного диода и светодиода
77
Работа лазерного диода сильно зависит от температуры. Гарантированно
лазерный диод работает при 20° С. Мощность излучения лазерного диода на
порядок выше, чем у светодиода, но главное достоинство лазерного диода —
направленность излучения.
8.3. Оптроны (оптопары)
Оптрон - оптоэлектронный парный прибор, у которого входные и
выходные цепи имеют только оптическую связь, то есть электрически
независимы. 11рименение оптронов позволяет исключить паразитные
электрические связи между цепями, повысить помехозащищенность каналов
передачи.
Рассмотрим устройство оптрона (рис. 8.14).
1->Ф	Ф-и
I
Рис. 8.14. Структурная схема оптрона
Назначение каскадов схемы:
ЙС - источник света; обычно используется инфракрасный светодиод;
ФП — фотоприемник; может использоваться фотодиод, фоторезистор,
фототранзистор, фототиристор;
ОК — оптический канал; оптическим каналом может служить воздух,
оптическое волокно, селеновые стекла.
Тип фотоприемника в оптроне определяет принцип его работы,
характеристику и область применения.
Диодный оптрон (в качестве фотоприемника используется фотодиод)
работает как ключ; транзисторный оптрон обладает большей
чувствительностью, но меньшим быстродействием, чем диодный;
тиристорный используется в сильноточных устройствах; резисторный - в
схемах автоматического управления. Оптроны применяются в пультах
дистанционного управления, в качестве элемента межкаскадной связи, если
требуется электрическая развязка каскадов.
8.4. Система обозначений оптоэлектронных приборов
Система обозначений оптоэлектронных приборов состоит из четырех
элементов.
Первый элемент (две буквы) означает подкласс прибора:
ФР (ФС) - фоторезистор
ФД - фотодиод
ФУ - фототранзистор
ФТ - фотогиристор
78
Для светодиода первая буква означает материал изготовления.
Например, А - арсенид галлия.
Второй элемент (одна или две буквы) определяют материал
изготовления:
ГЗ — германий, легированный золотом;
К - сернистый кадмий;
Д — селенид кадмия;
Б2 - сернистый висмут.
Для светодиода второй элемент означает конструктивное исполнение:
Л — единичный светодиод;
С - матрица светодиодов.
Третий элемент определяет порядковый номер разработки и
обозначается цифрами от 001 до 999.
Четвертый элемент определяет подгруппу:
Б - фототранзистор биполярный;
У — МДП-структуры (униполярный);
Т — фототиристор.
Разберем примеры.
АЛ307А
А - арсенид галлия
Л - светодиод
307 - № разработки
А - подгруппа
ФР-Б2-001
ФР - фоторезистор
Б2 - сернисто-висмутовый
001-№ разработки
ФУ-ГЗ-2ОЗБ
ФУ — фотоусилитель
ГЗ - германий,
легированный золотом
203 — № разработки
Б — биполярный
Основные выводы
1.	Работа фотоизлучающих приборов основана на регенерации носителей
заряда.
2.	Светодиод — некогерентный фотоизлучатель.
3.	Различают светодиоды видимого излучения, инфракрасного и
ультрафиолетового.
4.	Цвет свечения светодиода определяется его исходным материалом.
5.	Лазерный диод - когерентный фотоизлучатель. Для когерентного
излучения используется состояние полупроводника с инверсной
населенностью.
6.	Лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор
7.	Оптроны - парный оптоэлектронный прибор, применяемый для
электрической развязки цепей.
8.	В зависимости от типа фотоприемника различают оптроны: диодный,
резисторный, транзисторный, тиристорный.
79
Контрольные вопросы
1.	Укажите назначение и разновидности элементов оптоэлектроники.
2.	Перечислите виды фотоприемников и поясните их назначение.
3.	Какой из фотоприемников обладает большей чувствительностью?
4.	Какой фотоприемник может работать как источник ЭДС?
5.	Какое физическое явление лежит в основе работы фотоприемников?
6.	Перечислите виды фотоизлучателей.
7.	Чем определяется цвет свечения светодиода?
8.	Укажите условия получения когерентного излучения.
9.	Укажите преимущества и область применения PIN-фотодиодов.
10.	Какой оптоприбор является источником когерентного излучения
11.	Укажите область применения оптронов.
ГЛАВА 9. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Приборы отображения информации или индикаторные приборы
преобразуют электрические сигналы в видеосигналы (визуальные сигналы).
Индикаторные приборы используются в системах сбора и обработки
информации, контрольно-измерительной аппаратуре, вычислительной
технике и т.д.
В настоящее время наибольшее распространение получили следующие
устройства отображения информации.
1.	Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), принцип действия которых
основан на формировании и управлении электронным потоком. Явление
свечения в ЭЛТ возникает при бомбардировке электронным пучком экрана,
на который наносится специальный люминесцентный слой.
2.	Знаковые газоразрядные индикаторы, в которых используется
свечение газа, вызванное приложенным к нему напряжением.
3.	Полупроводниковые индикаторы, выполненные на основе
светоизлучающих диодов, в которых электрическая энергия преобразуется в
световую.
4.	Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), использующие
изменение оптической плотности кристалла.
5.	Плазменные дисплейные панели (ПДП), на которых изображение
возникает за счет излучения света люминофором под воздействием
электрического разряда.
9.1.	Электронно-лучевые трубки
В зависимости от назначения электронно-лучевые трубки
подразделяются на приемные, передающие, запоминающие и т.д.
По способу управления электронно-лучевые трубки подразделяются на
ЭЛТ с электростатическим и магнитным управлением движения
80
электронного луча. В обеих трубках фокусировка луча осуществляется
электрическим полем.
ЭЛТ с электростатическим управлением
Рис. 9.1. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением
Баллон трубки имеет цилиндрическую форму и расширяется в виде
конуса к экрану. На экран нанесен люминесцирующий слой, способный
светиться при бомбардировке электронным лучом. Для экрана могут
использоваться соединения цинка, кадмия, бериллия, магния и др. Внутри
трубки размещаются электроды, имеющие выводы.
Назначение электродов:
Н-Н - нить накаливания, служит для подогрева катода;
К - катод, оксидный; цилиндрической формы; обеспечивает
термоэлектронную эмиссию и получение электронного потока; подключается
к нулевому потенциалу.
М — модулятор, цилиндрической формы с узким отверстием -
диафрагмой; формирует электронный поток, превращая его в луч, и изменяет
яркость свечения; на модулятор подается отрицательное относительно катода
напряжение (десятки В).
А1-УЭ - анод 1-управляющий электрод, цилиндрической формы с
узким диафрагмальным отверстием; фокусирует электронный луч; на А1
подается положительное относительно катода напряжение (сотни В).
А2 - анод 2, цилиндрической формы с узким диафрагмальным
отверстием; ускоряет электронный поток; на А2 подается положительное
напряжении (до 20 кВ).
Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется
электронная пушка.
Отклоняющие пластины Y и X поставлены под прямым углом друг к
другу. Электрическое поле этих пластин задает электронному - лучу
81
прямолинейное направление и угловое отклонение. Угол отклонения
соответствует напряжению на пластинах.
Y - вертикальные отклоняющие пластины', на Y подается
исследуемый сигнал.
X — горизонтальные отклоняющие пластины', на X подается
пилообразное развертывающее напряжение.
Аквадаг; отводит отрицательный заряд с экрана, улучшает качество
изображения; представляет собой графитный слой на внутренней стороне
баллона, соединенный с А2.
Электронно-лучевые трубки со статическим управлением используются
в осциллографах, поэтому получили название осциллографические.
ЭЛТ с магнитным управлением
Рис. 9.2. Устройство ЭЛТ с магнитным управлением
Электронный луч создается электронной пушкой (катод-модулятор-
анод). Для управления лучом используются катушки магнитной фокусировки
и отклонения, которые находятся вне трубки, надеваются на ее
цилиндрическую часть.
ФК - фокусирующая катушка; создает фокусирующее магнитное поле.
ОК - отклоняющая катушка; отклоняет магнитным полем луч, как по
горизонтали, так и по вертикали.
Электронно-лучевые трубки с магнитным управлением используются
как кинескопы, дисплеи.
Если провести сравнительную оценку методов электростатического и
магнитного управления, можно выявить взаимные достоинства и недостатки.
В ЭЛТ с электростатическим управлением наблюдается плохая
фокусировка по краям экрана и малый угол отклонения (< 70°). Поэтому в
осциллографических трубках используется лишь центральная часть экрана.
Однако электростатическая система фокусировки практически не потребляет
ток и не требует регулировки.
В ЭЛТ с магнитным управлением требуется большая мощность для
создания магнитного поля в фокусирующей катушке. Кроме того, система
82
магнитной регулировки более сложная и дорогая. Но в этих ЭЛТ
используется все поле экрана, так как угол отклонения луча превышает 110°.
Система обозначений ЭЛТ
Система обозначений ЭЛТ включает четыре элемента.
Первый элемент (число) означает размер экрана по диагонали в см.
Второй элемент (две буквы) означает тип трубки:
ЛО — осциллографическая
ЛМ - с электромагнитным управлением
ЛК - кинескопы
Третий элемент (число или буква) означает порядковый номер
разработки.
Четвертый элемент (буква) означает цвет свечения экрана:
А-синий
Б, В — белый
Д, М- голубой
И — зеленый
К — розовый
Разберем примеры:
8ЛО4И
8 — размер экрана по
диагонали 8 см
47ЛКАМ
47 - размер экрана по диагонали
ЛО - осциллографическая
трубка
4 - номер разработки
И - зеленый цвет свечения экрана
ЛК — кинескоп
А - номер разработки
М — голубой цвет свечения
Основные выводы
1.	ЭЛТ предназначены для преобразования электрического сигнала в
видимое изображение.
2.	ЭЛТ с электростатическим управлением используются в осциллографах;
потребляют мало энергии, имеют более простую систему управления, но
используется только центральная часть экрана.
3.	ЭЛТ с магнитным управлением используются в качестве кинескопов,
дисплеев; обеспечивают лучшее качество изображения
9.2.	Знаковые газоразрядные индикаторы
Такие индикаторы используют свечение газа, которое возникает, если к
прибору прикладывается напряжение определенной величины, называемое
напряжением зажигания. В момент достижения этого напряжения
83
происходит ионизация газа и возникает тлеющий разрад. Сопротивление
цепи резко падает, а ток возрастает. Это явление сопровождается свечением
газа.
В знаковых индикаторах для отображения информации используются
катоды, повторяющие требуемые цифры или буквы. Ключи замыкают
нужный катод, и под действием приложенного напряжения он начинает
светиться, отображая соответствующий символ. Однако, такие индикаторы
требуют напряжения питания до десятков кВ, поэтому их использование
ограничено.
9.3.	Полупроводниковые индикаторы
Такой индикатор относится к низковольтным приборам. Он выполнен на
основе светоизлучающих диодов разного цвета свечения. Для визуального
увеличения размеров индикатора используются линзы. Светодиоды
используются автономно или в виде матричных панелей. Чаще используются
матричные индикаторы, позволяющие отображать цифровые и буквенные
символы различных алфавитов. Срок службы таких индикаторов очень
велик.
9.4.	Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ)
Жидкокристаллические индикаторы являются пассивными
приборами, требующими внешнего освещения. Жидкий кристалл - состояние
между твердым и изотропным жидким состоянием вещества, обладает
текучестью, но сохраняет форму, обладает высокой гибкостью и устойчиво в
большом диапазоне температур.
Открыто это явление было еще в 1888 году ученым-ботаником,
изучающим значение холестерина в растениях. Французский физик Леман
заинтересовался этим открытием, продолжил его изучение и назвал это
состояние вещества жидким кристаллом.
Рассмотрим принцип работы ЖКИ.
ЖКИ состоит из двух параллельно расположенных пластин,
выполненных из поляризованного стекла. Между пластинами нанесен
раствор жидких кристаллов. Панели набираются в матрицу. Если количество
элементов мало (например, в индикаторе калькулятора), то к каждому
элементу подводится по два электрода общий и управляющий. Для
матричного дисплея, где число ячеек превышает 103, применяется
мультиплексирование управляющего сигнала. Работа каждой ячейки
построена на регулировке интенсивности света. В зависимости от
напряжения электрического разряда между пластинами жидкие кристаллы
«раскручиваются» под определенным углом и пропускают через стеклянную
пластину необходимое количество света. Когда кристаллы полностью
«скручены», свечение дисплея самое яркое, когда полностью «раскручены» -
самое темное.
84
Основными преимуществами ЖКИ является сверхмалое потребление
тока, простота конструкции, долговечность, неплохие яркость и
контрастность изображения. Очевидные недостатки: медленная прорисовка
изображения, появление горящих «дырок» при выходе элемента из строя, не
очень хорошая цветопередача.
9.5.	Плазменная дисплейная панель (ПДП)
Плазменные дисплейные панели появились сравнительно недавно. И
хотя первая дисплейная панель была разработана еще в 1964 году,
коммерческое их производство началось в девяностые годы XX века. В 1994
году японская фирма Fujitsu выпустила первую цветную ПДП размером 21
дюйм, а в 1995 - размером 42 дюйма.
Плазменная панель - это светоизлучающий дисплей. Изображение
создается за счет излучения света люминофором под воздействием
электрического разряда. Экран дисплея состоит из двух стеклянных
поверхностей, пространство между которыми заполнено гелием или
ксеноном. ПДП состоит из множества разрядных ячеек размером 0,1мм.
Расположенные рядом красная, синяя и зеленая ячейки образуют один
пиксель цветной плазменной панели. Ячейка выполняет несколько функций:
- формирует изображение за счет излучаемого света;
-	является адресной ячейкой для включения и выключения электрического
разряда;
-	играет роль вспомогательной разрядной ячейки.
Основные достоинства ПДП: совершенно плоская поверхность большой
площади, высокая контрастность и равномерная яркость получаемого
изображения, большой срок службы. К недостаткам можно отнести
сравнительно невысокую яркость белого цвета, появление ложных контуров,
но главное - высокую стоимость.
Основные выводы
1.	Высоковольтные газоразрядные знаковые индикаторы используют в
своей работе свечение газа; применяются редко из-за большого
потребления тока.
2.	Полупроводниковые индикаторы собираются из светодиодов; имеют
большой срок службы и малое потребление энергии.
3.	ЖКИ являются матрицей ячеек, состоящих их двух поляризованных
стекол, пространство между которыми заполнено
жидкокристаллическим веществом; ЖКИ обеспечивают хорошее
качество изображения, имеют малое потребление тока, но обладают
относительно низким быстродействием.
4.	ПДП - светоизлучающий дисплей, построенный из большого числа
ячеек размером - доли мм; ПДП обеспечивают очень хорошее по
качеству и цветности изображение, но пока дорогие.
85
Контрольные вопросы
1.	Перечислите виды приборов отображения информации.
2.	Укажите назначение и разновидности ЭЛТ.
3.	Какие электроды входят в состав электронной пушки ЭЛТ?
4.	Укажите назначение катода, модулятора и анодов ЭЛТ.
5.	На какой электрод осцилло!рафической трубки подается исследуемый
сигнал?
6.	Какие напряжения подаются на модулятор и аноды ЭЛТ?
7.	Дайте сравнительную характеристику ЭЛТ с электростатическим и
магнитным управлением.
8.	Поясните принцип работы ЖКИ.
9.	Дайте сравнительную характеристику ЖКИ и ПДП.
ГЛАВА 10. ЭЛЕКТРОННО ВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
Электронно-вакуумные приборы (ЭВТГ) пока не потеряли своей
актуальности. В производстве профессиональной усилительной и
радиоаппаратуры используются электронные лампы, так как качество
усиления ламповых усилителей намного превосходит качество
полупроводниковой аппаратуры. Да и мощность сигнала на выходе
ламповых передатчиков гораздо выше, чем полупроводниковых.
Принцип работы ЭВП состоит в создании электронного потока и
управлении этим потоком в вакууме. В зависимости от количества
электродов, которые содержат лампы, они различаются по своим свойствам и
применению. Рассмотрим ламповый диод (имеет два электрода), триод (три
электрода), тетрод (четыре электрода) и пентод (пять электродов).
10.1.	Ламповый диод
Простейшей электронной лампой является ламповый диод. Диод имеет
два электрода - анод и катод. Катод предназначен для испускания
электронов. Этот процесс называется электронная эмиссия. Для того чтобы
электроны начали выходить с поверхности катода, его надо нагреть. По
способу подогрева различают катоды прямого и косвенного накала. Чаще
используются катоды косвенного накала, так как выход электронов в этом
случае получается более равномерным. При нагревании катода валентные
электроны па его поверхности становятся свободными, способными
совершить работу выхода Wo. Обычно катод изготавливается из
тугоплавкого металла (вольфрама). Работа выхода у вольфрама высокая.
Поэтому поверхность катода покрывают пленкой из тория или оксида
(окисел бария, стронция или кальция). Такой катод называется
активированным. При активизации катода работа выхода сильно снижается.
86
Катод изготавливается в форме цилиндра, внутри которого помещается
нить накаливания (рис. 10.1). Анод аналогичен коллектору, собирающему
электроны, которые движутся от катода. Анод выполняется в виде цилиндра
и является внешним относительно катода. Оба электрода помещены в
стеклянный или металлический баллон (корпус), в котором поддерживается
вакуум.
На анод подается положительное напряжение, на катод - пулевое
(относительно анода - отрицательное). Обычно: UK = 0; Ua = (100...300) В.
Анод создает ускоряющее поле и притягивает электроны, в лампе появляется
анодный ток 1а. Работа диода описывается его вольт - амперной
характеристикой (рис. 10.2).
Рис. 10.1.Схема включения диода Рис. 10.2. ВАХ диода
10.2.	Триод
Триод имеет три электрода: анод, катод и управляющую сетку. Триод
является электронной лампой, способной усиливать электрический сигнал.
Устройство триода аналогично устройству диода, но между катодом и
анодом расположен управляющий электрод - сетка. Сетка представляет
собой спираль из вольфрама, расположенную вокруг катода (рис. 10.3). На
сетку подается небольшое отрицательное напряжение (единицы В), которое
создает тормозящее поле и уменьшает анодный ток 1а. Если на сетку подать
положительный потенциал, то электроны будут частично притягиваться к
сетке, то есть в лампе возникнет сеточный ток 1с- Обычно 1с< 1а
87
Рис. 10.3. Устройство и схема включения триода
Работу триода можно описать анодной и анодно-сеточной
характеристиками.
Анодная характеристика - это зависимость анодного тока от анодного
напряжения при постоянном напряжении на сетке: Ia = f (Ua) при Uc = const
(рис. 10.4).
Анодно-сеточная характеристика — эта зависимость анодного тока от
напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде: 1а = f (Uc) при
Ua = const (рис. 10.5).
Рис. 10.4. Анодные характеристики триода
88
Рис, 10.5. Анодно-сеточные характеристики триода
Дифференциальные статические параметры триода:
S - крутизна, показывает управляющее действие сетки:
S — при Ua= const S = (2...30) мА/B
At/C.
Ri - внутреннее сопротивление характеризует влияние анода на
величину анодного тока:
Ri — при Uc= const	Ri ~ (1...50) кОм
ц — статический коэффициент усиления показывает, со сколько раз
поле сетке сильнее влияет на анодный ток, чем поле анода:
Ц — при Ia = const	|1 ~ 4...100
AL/r
Параметры триода связывает внутреннее уравнение лампы:
g = RiS
Предельными параметрами триода являются:
Ра шах - допустимая мощность рассеяния
Ua шах - допустимое анодное напряжение
L та1 - допустимый анодный ток
Достоинством триода является его усилительная способность.
89
Недостатки: низкий коэффициент усиления и большая величина
проходной емкости Сас, из-за чего может произойти нарушение работы
триода.
10.3.	Тетрод
Тетрод имеет четыре электрода: анод, катод, управляющую и
экранирующую сетки, и является усилительным элементом. Экранирующая
сетка уменьшает величину проходной емкости Сас и увеличивает
коэффициент усиления. На экранирующую сетку подается положительное
напряжение, немного меньшее Us. Обычно Uc3~ 0.7 Ua (рис. 10.6).
Наличие экранирующей сетки приводит к нежелательному явлению -
динатронному эффекту: экранирующая сетка притягивает к себе часть
электронов, увеличивается сеточный ток 1СЭ и уменьшается анодный ток 1а.
Динатронный эффект хорошо виден на анодной характеристике тетрода -
участок ВС (рис. 10.7).
Рис. 10.6. Схема включения тетрода
Рис. 10.7. Анодная характеристика
тетрода
Параметры тетрода:
Крутизна S тетрода (имеет те же значения, что и у триода)
Внутреннее сопротивление Ri тетрода (гораздо больше, чем у триода,
достигает десятков кОм)
Статический коэффициент усиления и и 500.
Недостатком тетрода является наличие динатронного эффекта.
10.4.	Пентод
Пентод имеет пять электродов: анод, катод, управляющую,
экранирующую и антидинатронную сетки, и является усилительным
элементом. Антидинатронная сетка создает тормозящее поле между анодом и
87
Рис. 10.3. Устройство и схема включения триода
Работу триода можно описать анодной и анодно-сеточной
характеристиками.
Анодная характеристика - это зависимость анодного тока от анодного
напряжения при постоянном напряжении на сетке: Ia = f (Ua) при Uc = const
(рис. 10.4).
Анодно-сеточная характеристика — эта зависимость анодного тока от
напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде: Ia — f (Uc) при
Ua = const (рис. 10.5).
Рис. 10.4. Анодные характеристики триода
90
управляющей сеткой. Антидинатронная сетка внутри лампы соединяется с
катодом, то есть ее потенциал равен нулю; это уменьшает ток 1СЭ, и анодные
характеристики выравниваются (рис. 10.9).
Рис. 10.8. Схема включения пентода Рис. 10.9. Анодные характеристики
пентода
Параметры пентода:
Крутизна S (имеет те же значения, что и у триода)
Внутреннее сопротивление Ri (достигает 2000 кОм)
Статический коэффициент усиления р (имеет величину от сотен до
тысяч раз).
Пентод обладает высоким коэффициентом усиления, малой проходной
емкостью, не имеет динатронного эффекта и поэтому является самой
используемой усилительной лампой.
10.5.	Система обозначений электронных ламп
Система обозначений электронных ламп содержит четыре элемента.
Первый элемент (число 6) показывает округленное значение
напряжение накала (UH= 6.3В).
Второй элемент (буква) определяет подкласс электронной лампы:
Д —диод
Ц - кенотрон
X — двойной диод
С - триод
Н - двойной триод
Э - тетрод
П - низкочастотный пентод
Ж, К — высокочастотный пентод
Г - диод-тетрод
Б - диод-пентод
Ф - триод-пентод
91
Третий элемент (цифра) - порядковый номер разработки.
Четвертый элемент (буква) указывает конструкцию лампы.
Разберем примеры:
6Ж8С
6-UH~6B
Ж - ВЧ - пентод
8 - номер разработки
С - стеклянный баллон
6Н6П
6-UH~6B
Н - двойной триод
6-	номер разработки
П - пальчиковая конструкция
Основные выводы
1.	Электронные лампы обладают большей выходной мощностью и
меньшими шумами, чем полупроводниковые приборы.
2.	Диод имеет два электрода и используется для выпрямления высокого
напряжения.
3.	Триод имеет три электрода и обладает усилительным эффектом, но его
коэффициент усиления невысокий.
4.	Тетрод имеет четыре электрода, является усилительным прибором,
обладает высоким коэффициентом усиления, но в тетроде возникает
динатронный эффект.
5.	Самой используемой усилительной лампой является пентод,
коэффициент усиления пентода до 2000 раз.
Контрольные вопросы
1.	Перечислите электронные лампы и укажите их преимущества.
2.	Поясните принцип работы электронных ламп.
3.	Для чего катод покрывают слоем тория или оксида?
4.	Поясните процесс усиления в триоде.
5.	Какое напряжение подается на анод электронных ламп?
6.	Какое напряжение подается на сетку триода?
7.	Укажите назначение экранирующей сетки тетрода.
8.	Поясните суть динатронного эффекта.
9.	Каким образом устраняется динатронный эффект в пентоде?
ГЛАВА 11. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Постоянное увеличение требований к электронной аппаратуры приводит
к усложнению аппаратуры, увеличению числа ее элементов, а значит к
увеличению габаритов, массы, потребляемой мощности, себестоимости. Но
главное - уменьшается надежность аппаратуры, потому что чем сложнее
аппаратура, чем больше содержит элементов, тем она менее надежно
работает. Наступил предел сложности аппаратуры, собранной на дискретных
элементах. Разрешением этой проблемы явилось создание миниатюрных
92
устройств, состоящих из множества элементов с высокой плотностью
упаковки и выполняющих заданные функции. Такое устройство
рассматривается как единое целое, и его надежность не зависит от числа
входящих в него элементов. Так появилась новая область электроники —
микроэлектроника. Миниатюрные многофункциональные, многоэлемент-
ные устройства получили название интегральные схемы (ИС).
Интегральные схемы обладают следующими свойствами:
-	состоят из большого количества активных и пассивных элементов;
-	выполняют функции преобразования, обработки сигнала, накопления
информации и т.д.;
-	все элементы заключены в один корпус, имеющий выводы;
-	при расчете надежности ИС рассматривается как один элемент.
11.1.	Классификация ИС
Интегральные схемы различаются по ряду признаков.
По конструктивно-технологическому принципу.
полупроводниковые ИС: все элементы формируются в объеме и на
поверхности одного полупроводникового кристалла в едином технологи-
ческом цикле; базовым элементом являются транзисторы (биполярные или
полевые); пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды)
выполняются на базе транзисторов;
пленочные ИС: содержат только пассивные элементы, которые
выполняются в виде пленок на поверхности диэлектрической пластины
(подложки); различают толстопленочные и тонкопленочные ИС;
гибридные ИС: пассивные элементы выполняются в виде пленок на
поверхности диэлектрической подложки, а транзисторы - навесные,
дискретные,
совмещенные ИС: часть ИС — полупроводниковая, а часть - пленочная.
Большая часть интегральных схем - полупроводниковые ИС. Они более
технологичны при массовом производстве.
По степени интеграции, то есть по количеству входящих в ИС
элементов:
-	малые (МИС) до 102 элементов,
-	средние (СИС) до 103 элементов,
-	большие (БИС) до 104 элементов,
-	сверхбольшие (СБИС) до J О6 элементов,
-	улыпраболыиие (УБИС) до 109 элементов,
-	гигабольшие (ГБИС) более 109 элементов.
93
По функциональному принципу:
-	аналоговые: усилительные, генераторные;
-	цифровые: выполняющие логические операции.
По физическому признаку:
-	на биполярных транзисторах,
-	на полевых МДП - транзисторах.
11.2. Формирование элементов ИС
Следует сказать несколько слов о принципах выполнения элементов в
полупроводниковых ИС.
Биполярный транзистор выполняется четырехслойным: п+-р-п-п+.
Коллектор содержит два слоя п-п+. Это дает возможность увеличить
коэффициент передачи тока, не уменьшая коэффициент передачи
напряжения.
Все остальные элементы выполняются на базе транзистора. В качестве
диода используется либо эмиттерный (для получения стабилитрона), либо
коллекторный (для получения выпрямительного диода) переходы
биполярного транзистора. В качестве интегрального резистора
используется базовая область транзистора, ограниченная или неограниченная
эмиттером. Недостатком интегрального резистора является малый диапазон
сопротивлений (до единиц кОм). В качестве интегрального конденсатора
используется или емкость переходов транзистора, или МДП - конденсатор.
Недостаток интегрального конденсатора — малый диапазон емкостей (от 30
до 300 пФ).
Ограниченный диапазон номиналов пассивных элементов является
существенным недостатком полупроводниковых ИС. От этого недостатка
свободна гибридная ИС, но она менее надежна, имеет меньшую степень
интеграции, менее технологична в производстве.
Большая интегральная схема (БИС) - сложная ИС, эквивалентная не
менее, чем ста логическим ИС, объединенных в одном корпусе. Наибольшее
применение получили БИС на МДП-транзисторах, которые занимают
меньший объем и для их формирования требуется меньше технологических
операций.
Сверхбольшие и ультрабольшие ИС - программируемые ИС
(микропроцессоры) - являются основными элементами вычислительных
систем.
Таким образом, развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения
размеров ИС и увеличения их функциональности при сохранении всех
достоинств (надежности, малого потребления энергии и т.д.).
В настоящее время микроэлектроника перетекает в принципиально
новую область - наноэлектронику. Наноэлектроника (или нанотехнология)
- следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких
производств.
94
П.З. Нанотехнология
Нанотехнология возникла на стыке нескольких фундаментальных и
прикладных областей науки: математики, физики, химии, электроники и
некоторых других. В нанотехнологии занимаются изучением свойств
объектов и разработкой устройств, размеры которых имеют порядок 10'9 м
(нанометры). Эта область позволяет манипулировать веществом на
молекулярном и атомном уровне.
И хотя родоначальником нанотехнологии считают американского
физика Ричарда Феймана, первым нанотехнологом был известный
литературный герой Лескова Левша. Самое забавное, что он предложил
пятимиллионное увеличение, чтобы разглядеть свое имя на подковах.блохи,
которую он так искусно подковал. Современные электронные микроскопы,
основной инструмент нанотехнолога, имеют увеличение именно пять
миллионов раз. С помощью таких микроскопов можно не только увидеть
отдельные атомы, но и избирательно воздействовать на них: например,
перемещать атомы на поверхности кристалла. Ученые компании IBM смогли
выложить буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона, на
поверхности кристалла никеля.
Частицы от 1 до 1000 нм называют наночастицами. С помощью
манипуляций с наночастицами удается изменять свойства вещества.
Наночастицы некоторых материалов обладают удивительными оптическими
свойствами. Сверхтонкие пленки органических материалов применяют для
производства солнечных батарей, очень дешевых и гибких.
Нанотранзисторы
Используя метод микролитографии, можно получить на поверхности
матрицы плоские островковые объекты размером до 50 нм - микропленки
для создания радиоэлементов. В стремлении миниатюризации элементов, в
2005 году компания Intel создала структурный элемент размером 5 нм. Уже
существуют процессоры с транзисторами размером 45 нм и даже 32 нм. На
рис. 11.1 схематически показаны плоские полоски нанопроводников,
состоящие из нескольких атомарных слоев. Эти полоски пересекаются под
прямым углом, не касаясь параллельных нанопроводников, имеющих форму
моста. С верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки
из полупроводникового материала. Такие устройства обладают свойствами
транзистора: они умеют хранить информацию, выполнять логические
операции и т.д.
95
Рис. ILL Схема цепочки нанотранзисторов (увеличение в 50000 раз)
Углеродные нанотрубки
Нанотрубки — это большие молекулы, состоящие из атомов углерода
(рис. 11.2). Возможно, они станут альтернативой кремнию. Нанотрубки
получают, сворачивая графитные полосы с совмещением молекул боковых
поверхностей. Можно изменять угол свертывания листа, диаметр трубки.
При этом изменяются свойства нанотрубки. Например, можно получить
нанотрубки с проводимостью металла или полупроводника.
Рис. 11.2. Общий вид нанотрубок (увеличение в 50000 раз)
Наиболее распространенным методом получения нанотрубок является
метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового
разряда. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40
мкм. Необычайные электрические свойства нанотрубок могут сделать их
одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы
образцы транзисторов, состоящих из одной нанотрубки. Прикладывая к
нанотрубке напряжения в несколько вольт, можно изменять проводимость в
105 раз. Вот такое усиление может дать такой транзистор!
96
Из нанотрубок можно выполнять транзисторы, диоды, логические
устройства, радиоприемники, элементы современных компьютеров. Такие
элементы отличаются очень высоким быстродействием, что обеспечивает
большую информационную мощность при резком уменьшении размеров
схем и устройств.
Иапотрубки найдут применение в энергетике, так как провода,
изготовленные из сплетения нанотрубок, могут передавать энергия
практически без потерь. Очень высокая механическая прочность нанотрубок
позволяет изготавливать на их основе облегченные и невидимые
бронежилеты, ракетки для тенниса, детали велосипедов и т.д. Но самым
фантастическим проектом является лифт до Луны. Изучение нанотрубок не
перестает удивлять ученых своими вновь и вновь открывающимися
свойствами и возможностями.
11.4. Система обозначений ИС
Система обозначений ИС имеет пять элементов:
Первый элемент - буква К означает ИС широкого применения. Если эта
буква в маркировке ИС отсутствует, данная ИС предназначена для
специальных целей.
Второй элемент (цифра) - означает конструктивно-технологический
способ изготовления:
1,5,7 - полупроводниковые ИС,
2,4,8 - гибридные ИС,
3 — пленочные.
Третий элемент (две цифры) - номер разработки данной серии ИС.
Второй и третий элемент (три цифры) обозначают номер серии ИС.
Четвертый элемент (две буквы) функциональное назначение ИС.
Например, УВ — усилитель высоких частот; УН - усилитель низких
частот, УЕ - повторитель, УД - операционный (или дифференциальный)
усилитель и т.д.
Пятый элемент (цифра) - порядковый номер разработки ИС в данной
серии.
Разберем примеры.
1533ЛА1
1 - полупроводниковая
533 - номер серии
ЛА - логический элемент И-НЕ
1 - номер разработки
К140УД6
К — ИС широкого применения
1 — полупроводниковая
14G - номер серии,
УД - операционный
усилитель
6 - номер разработки
97
Основные выводы
1.	Для повышения надежности сложной электронной аппаратуры в
качестве элементной базы применяют интегральные схемы.
2.	ИС - это многофункциональный узел, состоящий из большого числа
элементов, заключенных в один корпус.
3.	Надежность ИС не зависит от числа входящих в нее элементов.
4.	Наибольшее распространение получили полупроводниковые ИС за их
высокую технологичность и степень интеграции, а также меныпие
габариты и стоимость.
5.	Наноэлектроника - логический результат развития микроэлектроники.
В наноэлектронике величина элементов достигает размеров от1 до 100
нм.
6.	Нанотрубки заменяют кремний и являются базовым элементом
наноэлектроники
Контрольные вопросы
1.	Дайте определение понятию ИС.
2.	Какие преимущества имеет аппаратура на ИС.
3.	Поясните классификацию ИС.
4.	Какие ИС имеют самую высокую степень интеграции?
5.	Укажите основной недостаток полупроводниковых ИС.
6.	Какие размеры имеют элементы наноэлектроники?
7.	Какой элемент наноэлектропики является базовым?
РАЗДЕЛ 3. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА.
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
ГЛАВА 12. РАБОТА УСИЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С
НАГРУЗКОЙ
12.1	. Включение биполярного транзистора с нагрузкой
В разд. 2 (гл. 5) данного пособия рассматривалось статическое и
динамическое включение биполярного транзистора.
Динамическим называется включение, при котором во входную цепь
транзистора кроме источника смещения включается источник сигнала, а в
выходную кроме источника питания - нагрузка. Работу транзистора в таком
включении называют работа транзистора с нагрузкой. Рассмотрим схему
включения биполярного транзистора с нагрузкой в активном режиме (рис.
12.1).
98
Мощность сигнала в нагрузке RH значительно больше, чем на входе
схемы. Это можно объяснить следующим образом. Так как транзистор
включен в активном режиме, его эмиттерный переход открыт и имеет низкое
сопротивление (единицы Ом). Поэтому небольшие изменения напряжения
A UBX вызовут значительные изменения входного тока Д1б и еще большие
изменения выходного тока Д1к , так как Д1к = к21з Д1б , где h213 -
коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (в среднем h2i3~ 1 00).
Рис. 12.1. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ в активном
динамическом режиме
Условием выделения максимальной мощности выходного сигнала в
нагрузке является согласование сопротивления на1рузки RH с выходным
сопротивлением транзистора. В схеме с ОЭ выходное сопротивление
транзистора велико (до десятков кОм.). Поэтому сопротивление RH
выбирается высокоомным. Приращение выходного напряжения
AUK3= Д1к RH. Так как Д1к » Alg и RH »Ибэ > то ДUK3 »AUg3 . То есть
изменение выходного напряжения транзистора Дивых — AUK3 во много раз
превышает изменение входного напряжения AUBX = AUgj.
Таким образом, в нагрузке значения тока и напряжения, а значит и
мощности гораздо больше, чем на входе схемы (от источника сигнала), то
есть в этой схеме транзистор является усилителем мощности.
Усиление сигнала сводится к преобразованию энергии источника
питания в энергию переменного тока, который изменяется по закону
входного сигнала.
12.2	. Уравнение нагрузочной прямой
Второй закон Кирхгофа для выходного контура схемы, приведенной на
рис. 12.1, можно записать следующей формулой:
Е2 =UK3 + URh или Е2 = икэ+ IK RH
Перепишем это равенство относительно UK3 :
UK3 = E2-IKRH
99
Эта формула носит название уравнение нагрузочной прямой.
Нагрузочная прямая является динамической характеристикой транзистора.
Нагрузочная прямая - это совокупность точек, показывающих
соотношение между выходным коллекторным током 1к и напряжением на
коллекторе при различных значениях входного сигнала Usx . Точка,
соответствующая значению сигнала UBX = 0, называется рабочей точкой
(р.т) или точкой покоя (пип).
Нагрузочная прямая строится на трафике выходных статических
характеристик транзистора (рис. 12.2) по двум точкам: точкам пересечения с
осями координат т.1 (1к = 0; UK3 = ЕД т.2 (UK3 = 0; 1К =—); или рабочей
точке и т.1; или рабочей точке и т.2.
Рис. 12.2. Построение нагрузочной прямой
Проекция рабочей точки на ось абсцисс (ось Ujq) дает значение
выходного коллекторного напряжения в р.т. -UK3p T. Проекция рабочей точки
на ось ординат (ось Ik) дает значение выходного коллекторного тока в р.т.-
1К р.т  Координаты рабочей точки определяют режим работы
транзистора. Положение нагрузочной прямой относительно осей координат
зависит от значений Ек и RH. Угол наклона нагрузочной прямой определяется
значением RH.: чем больше величина RH, тем меньше будет угол наклона
нагрузочной прямой (ctg а — RH).
100
12.3	. Графический анализ работы транзистора
Графический анализ работы транзистора проведем на основе
нагрузочной прямой по переменному току. Примем сопротивление нагрузки
транзистора по переменному току R _ приблизительно равным Rh. В этом
случае нагрузочные прямые по постоянному и переменному току
практически совпадают.
Рис. 12.3. Графики статических характеристик транзистора и временные
диаграммы входных и выходных токов и напряжений
На вход транзистора между базой и эмиттером подано постоянное
напряжение смещения в рабочей точке Ugap.T ~ б,8В и синусоидальное
напряжении с амплитудой Ug3m - 0,1В. Спроецировав Ugsp.T на входную
характеристику, получим положение р.т. на входной характеристике и
значение тока базы в р.т.: Ig р т = ЗмА. Напряжение Ug3m вызывает изменение
входного тока Ig3m = 1,5мА. Перенесем р.т. па выходные характеристики
транзистора. Она будет находиться на пересечении нагрузочной прямой с
выходной характеристикой, измеренной при Ig = ЗмА. Определим
координаты р.т. на выходных характеристиках: UK3 р.т — 7В; 1к р.т = 62мА.
Проведем вспомогательные характеристики при значениях тока базы
1(5 = 4,5мА и 16 = 1,5мА и построим временные диаграммы выходного
коллекторного тока IK m и выходного напряжения UR3 m. Графически
рассчитаем амплитуду выходного тока IK m и выходного напряжения
U)<3m- 1кт ~ 40мА; UK3m ~ 4В.
101
Рассчитаем коэффициенты усиления транзистора по току, напряжению и
мощности:
Кт=
1.5
к= £^и_7„«70
' вэя ИД
Км = Кт- К = 41-70 = 2870
Обратите внимание, что максимальному значению выходного тока
соответствует минимальное значение выходного напряжения. Это значит,
что фаза напряжения на выходе транзистора противоположна фазе
выходного тока, входного напряжения и входного тока. Говорят, схема
включения биполярного транзистора с ОЭ переворачивает (инвертирует)
фазу входного напряжения.
12.4	. Принцип выбора рабочего режима транзистора
Выбор рабочего режима транзистора - это выбор положения рабочей
точки на статических характеристиках транзистора. Прежде всего, следует
учесть предельные параметры транзистора: предельно допустимый выходной
ток, предельно допустимое выходное напряжение, предельно допустимую
выходную мощность. Обозначим на графике выходных статических
характеристик транзистора допустимую область работы (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Выбор рабочего режима транзистора
102
Нагрузочная прямая и р.т. должны находиться в области допустимых
режимов. С другой стороны, выбор рабочего режима должен обеспечить
наилучшее использование усилительных свойств транзистора и получение
максимального коэффициента усиления. Для этого требуется получить
максимально возможную амплитуду выходного тока IK m и выходного
напряжения 1'1ОЛ1, а также рассчитать оптимальное сопротивление нагрузки.
Решим эту задачу графически. Для этого в область допустимых режимов
работы впишем прямоугольный треугольник наибольшей площади.
Гипотенуза этого треугольника - нагрузочная прямая, катеты -
максимальный размах выходного тока и выходного напряжения.
Оптимальное положение рабочей точки зависит от формы сигнала. Если
сигнал двуполярный, то р.т. находится в середине нагрузочной прямой (т. 1).
В случае усиления однополярных сигналов, р.т. находится в одном из
крайних положений (т. 2 или т. 3) в зависимости от полярности сигнала.
Оптимальное значение сопротивления нагрузки RH обеспечивает
максимальную мощность в нагрузке. Сопротивление RH определяется
наклоном нагрузочной прямой, то есть:
О — U КЗ,пред
IVh ~ -
1 К.пры)
Основные выводы
1.	Усиление сигнала - процесс преобразования энергии источника питания
в энергию сигнала.
2.	Динамическая характеристика транзистора - нагрузочная прямая.
3.	На нагрузочной прямой находится рабочая точка, которая определяет
режим работы транзистора.
4.	Угол наклона нагрузочной прямой определяется величиной RH.
5.	Транзистор, включенный с общим эмиттером, инвертирует фазу
входного напряжения.
6.	При выборе рабочего режима транзистора необходимо обеспечить
максимальное использование транзистора, максимальный коэффициент
усиления, но не превышать предельных параметров транзистора.
Контрольные вопросы
1.	Чем отличается динамический режим работы транзистора от
статического?
2.	При каком условии в нагрузке будет выделяться максимальная
мощность сигнала?
3.	Приведите и поясните уравнение нагрузочной прямой.
4.	Чем определяется угол нагрузочной прямой?
5.	Поясните выбор рабочего режима транзистора.
103
ГЛАВА 13. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО РЕЖИМА
РАБОТЫ
13.1.	Схема подачи смещения фиксированным током базы
Чтобы обеспечить активный режим работы транзистора, на его базу
следует подать определенный потенциал, чтобы эмиттерный переход
оказался под прямым напряжением и был открыт, а коллекторный - под
обратным и был закрыт. Рассмотрим схему на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Схема подачи смещения фиксированным током базы
Ток эмиттера 1цо, протекая через входное сопротивление транзистора
(сопротивление эмиттерного перехода), создает на базе отрицательный
потенциал относительно эмиттера, то есть на эмиттер (р - область) подается
положительный потенциал, а на базу (п-область) — отрицательный потенциал.
Эмиттерный переход открыт.
Базовый ток Igo, протекая через сопротивление базы Rg, создает на нем
падение напряжения UR6> которое прикладывается к коллекторному
переходу: положительным потенциалом к базе (n-область), а отрицательным
потенциалом к коллектору (р - область). Коллекторный переход закрыт.
Активный резким работы транзистора обеспечен.
Величина тока базы Igo рассчитывается по формуле:
1бо~
Так как Сбэо^Ек, то Igo»
Таким образом, ток Igo не зависит от параметров транзистора, а
определяется неизменными для данной схемы величинами Е и Rg Поэтому
ток Igo называется фиксированным^
104
Расчет элементов схемы выполняется по следующим формулам.
= Ек Ек_
Л’<>
Т? — Urso
-
lK<i
Сопротивление Rg можно рассчитать через коллекторный ток 1ко’.
1к0=Ыб0 -* 1б0=	R6=
“21Э	-*#0
Достоинством такой схемы является ее простота и малый расход тока.
Недостаток - не дает стабилизации работы транзистора.
13.2.	Схема подачи смещения фиксированным напряжением
Рис. 13.2. Схема смещения фиксированным напряжением
В этой схеме напряжение смещения на базе Ug3o обеспечивается
делителем напряжения R] и R2 . Ток делителя 1да, протекая через резисторы
R, и R2, создают на них потенциалы, указанные на рисунке 11.2. Напряжение
Ur2 прикладывается к эмиттерному переходу: положительным полюсом к
эмиттеру (р - область), отрицательным полюсом к базе (п-область).
Эмиттерный переход открыт.
Напряжение Upj прикладывается к коллекторному переходу:
положительным полюсом к базе (n-область), отрицательным полюсом к
коллектору (р - область). Коллекторный переход закрыт.
Активный режим работы транзистора обеспечен.
Напряжение на базе транзистора Ug3o =1ДЛ' Rz; при достаточной величине
1дЛ практически не зависит от параметров транзистора. Поэтому величину
Ug3Q называют фиксированным напряжением.
Ток делителя 1д, выбирается гораздо больше тока базы Igo- Обычно
1дл=1О1бо- Расчет элементов схемы выполняется по формулам:
105
R _ = УкХ>	О , — ЕК Цвэ<> р _	~ кэь
I	1 г +1 к I
1Д11	1ДЛ + 'so	'ко
Достоинством такой схемы является возможность стабилизации
режима работы.
Недостатки: увеличение расхода тока и шунтирование делителем
входного сопротивления каскада. В схеме на биполярном транзисторе второй
недостаток несущественен, так как входное сопротивление биполярного
транзистора, включенного с ОЭ, невелико и составляет сотни Ом.
13.3.	Схема подачи автоматического смещения
Если в качестве усилительного элемента используется полевой
транзистор или электронная лампа, то использование делителя нежелательно,
так как сопротивление делителя будет шунтировать входное сопротивление
полевого транзистора или лампы. Чтобы этого не произошло, обычно
используется подача автоматического смещения на управляющий электрод
усилительного элемента (рис. 13.3).
Рис. 13.3. Схема подачи автоматического смещения на затвор полевого
транзистора
Сопротивление резистора в цепи затвора R3 выбирается очень большой
величины (от сотен кОм до единиц МОм), поэтому высокое входное
сопротивление полевого транзистора не зашунтировано.
Напряжение автоматического смещения U3q выделяется на резисторе RH
и «минусом» через R, прикладывается к затвору: U3g — U3-U„. Так как
сопротивление R3 очень велико, постоянный ток через него практически не
протекает и U3 ~ 0. Поэтому U3o ~ -UH — -Тс'оКи-
Расчет элементов этой схемы выполняется по формулам:
106
= ^30	P = E ^CHO U30
Ice	Л:о
Подача смещения на управляющую сетку лампы обычно осуществляется
по аналогичной схеме. Однако, можно использовать и схему подачи
смещения на сетку методом фиксированного напряжения.
13.4.	Стабилизация режима работы биполярного транзистора
Параметры биполярного транзистора, включенного с ОЭ, обладают
температурной и частотной нестабильностью. Стабилизация режима работы
транзистора может быть достигнута либо термостабилизирующими
элементами, либо введением отрицательной обратной связи. В качестве
термокомпенсирующих элементов могут использоваться терморезисторы или
диоды (рис. 13.4). Рассмотрим принцип работы этих схем.
При нагревании транзистора ток покоя коллектора 1к0 увеличивается.
Сопротивление терморезисторов Иы t Rg2 и диода (VT2 с замкнутым
коллекторным переходом) с повышением температуры уменьшаются,
поэтому будет уменьшаться напряжение смещения Ugao. Транзистор
«призакроется», и выходной ток Ikq уменьшится.
Рис. 13.4. Схемы стабилизации рабочей точки
Однако большее распространение получили схемы стабилизации с
использованием обратной связи. Рассмотрим принцип действия схемы
коллекторной стабилизации режима работы (рис. 13.5).
107
Рис. 13.5. Схема коллекторной стабилизации
При нагревании транзистора увеличивается ток покоя коллектора 1ко, а
значит падение напряжения на RK: URic - (IK0 + Ieo)Rk-
Напряжение питания Ек от температуры транзистора не зависит. В схеме
Ек распределяется следующим образом:
Ек~ URK+URoc+UeaO^COnst
Напряжение Uggo очень мало и им можно пренебречь. При увеличении
Urk должно уменьшиться напряжение на Roc Это вызовет «призакрывание»
транзистора и уменьшение выходного тока 1к0.
Достоинством этой схемы является ее простота и экономичность.
Недостатками - возможность стабилизации только при RK » RoC и
уменьшение коэффициента усиления.
Рис. 13.6. Схема эмиттерной стабилизации
108
В схеме эмиттперной стабилизации (рис. 13.6) рассмотрим контур R2 -
эмиттерный переход VT - R3. Нагревание VT вызывает увеличение 1к0, Urk
и Ur3. Напряжение на резисторе Rj от температуры транзистора ие зависит:
Ur2 = ибэо + Urs = const
Увеличение Ur3 вызовет уменьшение напряжения на базе VT ()бэо,
транзистор «призакроется» и выходной ток 1к0 уменьшится.
Такая схема дает эффективную стабилизацию при любом значении RK,
но уменьшает коэффициент усиления.
Чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления по переменному
току, параллельно R3 включают блокировочный конденсатор С3.
Основные выводы
1.	Выбор режима работы транзистора определяется напряжением
смещения на его базе.
2.	Подача смещения на базу биполярного транзистора осуществляется
методами фиксированного тока и фиксированного напряжения.
Последний способ предпочтителен.
3.	На затвор полевого транзистора и на управляющую сетку лампы обычно
подается автоматическое напряжение смещения.
4.	Стабилизация режима работы биполярного транзистора может быть
осуществлена либо термокомпенсирующими элементами, либо с
помощью обратной связи.
5.	Коллекторная стабилизация более простая, но менее эффективная.
6.	Эмиттерная стабилизация является более эффективной и поэтому
используется чаще.
Контрольные вопросы
1.	Поясните, как устанавливается активный режим работы биполярного
транзистора методом фиксированного тока.
2.	Поясните, как устанавливается активный режим работы биполярного
транзистора методом фиксированного напряжения.
3.	Почему для подачи смещения на затвор полевого транзистора обычно не
используется делитель напряжения?
4.	В каком соотношении должны находиться сопротивления делителя Rj и
Rz?
5.	Укажите порядок величины сопротивления затвора R3
6.	Какие способы стабилизации режима работы биполярного транзистора
Вы знаете?
7.	Поясните метод коллекторной стабилизации режима работы
транзистора.
8.	Поясните метод эмиттерной стабилизации режима работы транзистора.
109
ГЛАВА 14. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ОСНОВНЫЕ
КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЯ
Усилительное устройство включается между источником сигнала и
нагрузкой и предназначено для усиления мощности, напряжения или тока
электрического сигнала.
14.1.	Классификация усилителей
Усилители классифицируются по ряду признаков.
По характеру усиливаемого сигнала:
-	усилители непрерывных сигналов (аналоговые усилители);
-	усилители дискретных сигналов (импульсные усилители).
По полосе усиливаемых частот:
-	усилители переменного тока: усилители звуковых частот (УЗЧ),
усилители высоких частот (УВЧ), широкополосные усилители (ШУ);
-	усилители постоянного тока.
По характеру нагрузки:
-	усилители мощности;
-	усилители тока;
-	усилители напряжения.
По назначению:
-	микрофонные;
-	магнитофонные;
-	трансляционные;
-	измерительные;
-	телевизионные;
-	линейные.
По виду применяемых усилительных элементов:
-	транзисторные усилители (на биполярных или полевых транзисторах);
- ламповые усилители.
14.2.	С труктурная схема усилителя
Обычно электронные усилители состоят из нескольких каскадов.
Усилительный каскад - это совокупность усилительного элемента и
пассивных элементов, обеспечивающих заданный режим работы
усилительного элемента. Число каскадов усилителя определяется требуемым
коэффициентом усиления и назначением усилителя.
но
Рис. 14.1. Структурная схема усилителя
Рассмотрим назначение каскадов схемы и требования к ним.
На вход схемы подается сигнал от источника сигнала; в качестве
источника сигнала может использоваться микрофон, головка магнитофона,
приемная антенна, кабельная линия и т.д.
Вх. уст. - входное устройство служит для согласования источника
сигнала с входным сопротивлением усилителя; в качестве входного
согласующего устройства может использоваться трансформатор или
резистивно-емкостные цепи.
КПУ - каскад предварительного усиления, усиливает сигнал по
напряжению или по току до величины, необходимой для нормальной работы
оконечного каскада; КПУ должен усиливать сигнал с минимальными
искажениями; число каскадов предварительного усиления может быть от
одного до трех.
ПОК - предоконечный каскад, обеспечивает согласование работы
каскадов предварительного усиления и оконечного.
ОК - оконечный каскад, обеспечивает заданную мощность в нагрузке;
ОК должен иметь высокий КПД.
Вых. уст. - выходное устройство служит для согласования выходного
сопротивления усилителя с нагрузкой; в качестве выходного согласующего
устройства может использоваться трансформатор или резистивно-емкостные
С выхода усилителя сигнал поступает в нагрузку (потребитель
усиленного сигнала); нагрузкой может быть телефон, громкоговоритель,
кинескоп, передающая антенна, кабельная линия и т.д.
ЦОС - цепь обратной связи вводится в усилитель для улучшения его
качественных показателей.
Е - источник питания, обеспечивает работу усилительных элементов.
Ill
14.3.	Качественные показатели усилителя
Входные данные:
-	входной ток 1ВХ;
-	входное напряжение UBX;
-	входная мощность Рвх;
-	входное сопротивление Р-вкус”Р-кггЛ
-	напряжение источника сигнала UHC;
-	сопротивление источника сигнала RHC.
Входные параметры необходимо знать, чтобы правильно выбрать и
рассчитать входную цепь КГТУ и входное устройство.
Выходные данные-.
-	выходной ток 1вых;
-	выходное напряжение UBbIX;
-	выходная мощность РЕЬК:
-	выходное сопротивление РИыхус=КоЬ;
-	сопротивление нагрузки RH;
-	мощность в нагрузке Рн (или напряжение Uh).
Выходные параметры необходимо знать, чтобы правильно выбрать и
рассчитать выходные цепи ОК и выходное устройство.
Коэффициент усиления:
Различают:
-	коэффициент усиления по току Кт, который показывает, во сколько раз
выходной ток усилителя больше входного:
К — ^ВЫХ УС
т — -------
1 J
JBXyC
-	коэффициент усиления по напряжению К, который показывает, во
сколько раз выходное напряжение усилителя больше входного:
R = ^ВЫХУС
U их ус
-	коэффициент усиления по мощности Км, который показывает, во
сколько раз выходная мощность усилителя больше входной:
К — ^выхус
М “----------
вхус
Зная Кт и К, можно рассчитать Км по формуле: Км = Кт’ К.
Коэффициент усиления может выражаться в логарифмических
единицах:
Кт=20 1g , дБ К=20 дБ Км=10 1g дБ
^вхус	Ubx.vc	?вхус
Общий коэффициент усиления по напряжению многокаскадного
усилителя:
Кобщ=К1-К2-КЗ...Кп,
112
где: KI, К2, КЗ... Kn - коэффициенты усиления каскадов усилителя.
Общий коэффициент усиления в логарифмических единицах:
К общ дБ К 1 дБ Рк2дб ' ЬСЗдб+—КПдБ
Коэффициент полезного действия усилителя т) показывает, какая
часть мощности источника питания передается сигналу:
' ЪРпогг ’
где: Рн - мощность сигнала в нагрузке,
ЕРпотр • суммарная потребляемая мощность от источника питания.
14.4. Искажения сигнала в усилителе
Усилитель, усиливая сигнал, искажает его форму. Искажения сигнала
можно подразделить на линейные и нелинейные. Линейные искажения в
свою очередь подразделяются на частотные, фазовые и переходные.
Источником линейных искажений являются элементы, сопротивления
которых зависит от частоты - реактивные элементы. К ним относятся
конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, транзисторы
(переходы транзистора обладают емкостью).
Частотные искажения (ЧИ) вызывают неравномерность
коэффициента усиления в диапазоне частот. Частотные искажения вносят все
каскады усиления, входное и выходное устройства. Оцениваются частотные
искажения по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). АЧХ
представляет собой график зависимости модуля коэффициента усиления от
частоты сигнала (рис. 14.2). Идеальная АЧХ усилителя параллельна оси f.
Реальная АЧХ показывает, что гармонические составляющие сигнала
усиливаются неодинаково: в области средних частот усилитель имеет
максимальный коэффициент усиления Кср, который практически не зависит
от частоты, а в области низких и высоких частот коэффициент усиления
падает. Г оворят, происходит «завал» АЧХ. Допустимым считается
уменьшение коэффициента усиления в -v2 раз (или на 3 дБ). Область частот, в
которой коэффициент усиления находится в этих пределах, называется
диапазоном рабочих частот (ДРЧ) или полосой рабочих частот. Частоты
fH и fB (рис. 14.2) - граничные частоты ДРЧ.
113
Рис. 14.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя
Величину частотных искажений характеризует коэффициент
частотных искажений М:
где Кср - коэффициент усиления усилителя в области средних частот,
Kf - коэффициент усиления усилителя на частоте f.
Допустимая величина М< 77 раз или 3 дБ.
Фазовые искажения (ФИ) - это неравномерность фазового сдвига
сигнала в диапазоне частот. Фазовые искажения оцениваются по
фазочастотной характеристике (ФЧХ).
Рис. 14.3. Фазочастотная характеристика усилителя
114
В усилителе звуковых частот фазовые искажения ие нормируются, так
как на слух они не воспринимаются.
Фазовые и частотные искажения тесно связаны между собой, так как
причина их возникновения одна и та же - наличие с схеме реактивных
элементов. Поэтому, обеспечив заданную АЧХ усилителя, можно считать,
что и ФЧХ будет находиться в допустимых пределах.
Переходные искажения возникают в импульсных усилителях.
Переходные искажения определяются по переходной характеристике.
Переходная характеристика - это зависимость выходного напряжения
усилителя от времени (рис. 14.4). Наличие в схемах усилителя реактивных
элементов приводит к появлению переходных процессов, в результате
которых отклик выходного напряжения усилителя не соответствует форме
входного импульса.
Рис. 14.4. Переходная характеристика импульсного усилителя
Различают переходные искажения в области малых времен (область ВЧ)
и области больших времен (область НЧ). Искажения в области малых времен
это время установления импульса tfcm, время спада импульса 1а, и выброс
фронта д. Время установления и время спада импульса называю т временем
фронта 1ф. Искажения в области больших времен — это спад вершины
импульса А.
На переходные искажения задаются нормы:
1ф<(0.1...0.2)1„
5 <(1...4)%Um
A <(5...10)%Um
115
Источником нелинейных искажений является усилительный элемент,
так как его характеристики имеют нелинейный характер. Если на вход
усилителя подать синусоидальный сигнал с частотой £ то форма выходного
сигнала будет отличаться от формы синусоиды. В выходном сигнале помимо
первой (основной) гармоники f будут присутствовать гармоники высшего
порядка частоты, кратные основной частоте: 2£ 3f и т.д. Сигнал на выходе
усилителя будет содержать постоянную составляющую, первую гармонику,
вторую, третью и т.д. и являться суммой этих составляющих:
1Вых= If) + ImlCOSOit + Im2COSG)2t + Im3COS(03t + ...
Амплитуда каждой следующей гармоники меньше предыдущей. В
реальных расчетах ограничиваются гремя гармониками. Полезной является
только первая гармоника.
Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник Кг:
кгк MtZkioo%
Ли1
где: Imj - амплитуда первой гармоники,
Im2 - амплитуда второй гармоники,
1тЗ - амплитуда третьей гармоники.
Допустимая величина Кг зависит от назначения каскада:
Кркпу — 0.5% Кгок<5%
Рассмотрим еще одну очень важную характеристику усилителя.
Амплитудная характеристика (АХ) усилителя - это зависимость
выходного напряжения усилителя от входного (рис. 14.5).
Рис. 14.5. Амплитудная характеристика усилителя
116
Идеальная АХ исходит из начала координат. Реальная АХ имеет общий
с идеальной характеристикой линейный участок АВ. Через начало координат
реальная АХ не проходит из-за наличия в усилителе шумов. Яри отсутствии
на входе усилителя сигнала (UBX = 0) на выходе имеется некоторое
напряжение шума иш. Напряжение шума складывается из шума
усилительного элемента (особенно «шумит» биполярный транзистор),
тепловых шумов всех элементов усилителя, наводок, микрофонного эффекта
и т.д. На участке характеристики ОА полезный сигнал оказывается меньше
напряжения шума и поэтому будет им заглушен (говорят, «замаскирован»).
На участке АВ сигнал будет усиливаться с заданным коэффициентом
усиления. Угол наклона АХ определяет коэффициент усиления усилителя.
Выше точки В линейность АХ нарушается. Ограничение уровня выходного
сигнала происходит из-за конечного значения напряжения питания,
предельных параметров усилительного элемента, допустимой величины Кг.
Проекции точек А и В определяют значения UBX max и UDX щд,- Эти две
величины ограничивают динамический диапазон усилителя D:
РУ — ВХ max
U ВХ min
Чаще принято D выражать в дБ:
D = 201g	, дБ
Важно, чтобы динамический диапазон усилителя был больше
динамического диапазона усиливаемого сигнала: Dyc > Dc.
Звучание симфонического оркестра имеет динамический диапазон
порядка 70 дБ, для человеческого голоса D ® 50 дБ. Обычно усилители
звуковых частот имеют динамический диапазон Dy34 60 дБ.
Основные выводы
1.	Электронный усилитель, как правило, является многокаскадным и
содержит КПУ (от одного до трех каскадов), ПОК и ОК.
2.	Основными показателями усилителя являются: входные н выходные
параметры, коэффициент усиления, диапазон рабочих частот,
коэффициент гармоник, динамический диапазон, коэффициент
полезного действия.
3.	Усилитель в процессе усиления сигнала искажает его форму. Различают
линейные (частотные и фазовые) и нелинейные искажения.
4.	Линейные искажения вносят элементы, сопротивления которых зависят
от частоты (С, L, VT).
5.	Нелинейные искажения вносит усилительный элемент вследствие
нелинейности характеристик. Источником нелинейных искажений
может являться трансформатор из-за нелинейности характеристики
подмагничивания сердечника.
6.	Все искажения усилителя нормируются.
117
Контрольные вопросы
1.	Укажите назначение каскадов усилителя: КПУ, ПОК, ОК.
2.	Какие требования предъявляются к КПУ?
3.	Какие элементы усилителя вызывают линейные искажения?
4.	По какой характеристике оцениваются частотные искажения?
5.	Поясните понятие «диапазон рабочих частот».
6.	Какие элементы вызывают нелинейные искажения?
7.	Каким параметром оцениваются нелинейные искажения?
8.	У кажите допустимую величину М.
9.	Укажите допустимую величину Кг ОК.
10.	Какие показатели усилителя определяются по АХ?
11.	Какие искажения возникают в импульсном усилителе?
ГЛАВА 15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Системы, в которых кроме прямой связи между входом и выходом
существует и обратная связь, называются замкнутыми системами.
Усилители относятся к замкнутым системам, так как содержат одну или
несколько цепей обратной связи (рис. 14.1).
15.1. Определения и параметры обратной связи
Обратная связь (ОС) - это передача части мощности сигнала с выхода
усилителя на его вход. С помощью обратной связи получившийся на выходе
усилителя сигнал сравнивается с входным, и выполняются необходимые
коррекции в работе схемы. Обратная связь делает систему более
совершенной, так как в такой системе существует самоконтроль.
В схемах усилителей различают внешнюю и внутреннюю обратную
связь. При внешней обратной связи сигнал с выхода усилителя передастся на
вход через специально встроенные цепи ОС. Внутренняя обратная связь
возникает через элементы схемы и может изменить характеристики
усилителя в сторону ухудшения. Поэтому внутреннюю обратную связь
называют паразитной. Паразитная ОС неуправляема и ее следует подавлять.
Внешняя ОС управляема и ее специально вводят для улучшения
характеристик усилителя.
Рассмотрим основные характеристики усилителя с цепью ОС и
основные параметры ОС. Для простоты анализа работы схемы представим
усилитель и цепь ОС как двухполюсники (рис. 15.1).
118
Рис. 15.1. Упрощенная структурная схема усилителя с цепью ОС
Введем обозначения:
иис - напряжение источника сигнала;
Uoc - напряжение на выходе цепи ОС;
UBb« ус — напряжение на выходе усилителя;
UBIyc — напряжение на входе усилителя;
Ког - коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью.
Напряжение на входе усилителя является алгебраической суммой UHC и 1)^.
-	Цепь ОС и усилитель образуют петлю обратной связи.
Параметрами усилителя с цепью ОС являются:
-	коэффициент передачи прямой цепи К:
jt£ — вык.ж
U
м ВХ.УС
-	коэффициент передачи цепи ОС |3:
г г/
u ВЫХ.УС
119
15.2.	Классификация обратной связи
Обратная связь классифицируется по ряду признаков.
1.	По знаку обратная связь подразделяется на положительную (ПОС) и
отрицательную (ООС).
При положительной ОС напряжение источника сигнала Ukc и
напряжение на выходе цепи ОС Uoc совпадают по фазе. Напряжение на входе
усилителя:
Щ ус - иис + иос
Таким образом, напряжение сигнала на входе усилителя увеличивается.
При отрицательной ОС напряжение источника сигнала U„c и
напряжение на выходе цепи ОС Uoc противоположны по фазе. Напряжение
на входе усилителя:
UBX ус UHc Upc
Таким образом, напряжение сигнала на входе усилителя уменьшается.
2.	По частотной зависимости обратная связь бывает частотно-
зависимая и частотно-независимая.
Если цепь ОС содержит элементы, сопротивление которых зависит от
частоты (конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы), то
коэффициент передачи цепи ОС р и коэффициент усиления усилителя,
охваченного ОС, будут зависеть от частоты сигнала. В этом случае ОС
называется частотно-зависимой.
Если цепь ОС не содержит реактивных элементов, Р и Кос не будут
зависеть от частоты сигнала. В этом случае ОС называется частотно-
независимой.
3.	По передаваемому сигналу обратная связь может быть по
постоянной составляющей, по переменной составляющей и по обеим
составляющим.
Если по цепи ОС проходит только постоянный ток, то ОС называют по
постоянной составляющей, если только переменный - ОС по переменной
составляющей, если и постоянный, и переменный токи - ОС по обеим
составляющим.
4.	По количеству охватываемых каскадов ОС подразделяется на
местную, межкаскадную и общую.
Местная ОС охватывает один каскад усилителя, межкаскадная —
несколько каскадов, а общая - весь усилитель.
5.	По способу введения, то есть по способу подключения цепи ОС к
входу усилителя, ОС бывает последовательная, параллельная и
комбинированная.
При последовательной ОС вход усилителя и цепь ОС имеют одну
общую точку, поэтому на входе усилителя суммируются токи 1ис и 1ос (рис.
15.2,а).
120
При параллельной ОС вход усилителя и цепь ОС имеют две общие
точки, поэтому на входе усилителя суммируются напряжения UHC и Uoc (рис.
15.2,6).
При комбинированной ОС входной сигнал суммируется с током и с
напряжением ОС (рис. 15.2,в).
Рис. 15.2. Способы введения обратной связи
6.	По способу снятия, то есть по способу подсоединения цепи ОС к
выходу усилителя, обратная связь подразделяется на ОС по току, ОС по
напряжению и комбинированную.
При ОС по току выход усилителя и цепь ОС имеют одну общую точку,
и сигнал на выходе цепи ОС пропорционален выходному току усилителя
(рис. 15.3,а).
При ОС по напряжению выход усилителя и цепь ОС имеют две общие
точки, и сигнал на выходе цепи ОС пропорционален выходному напряжению
(рис. 15.3,6).
При комбинированной ОС сигнал на выходе цепи ОС пропорционален
как выходному току, так и выходному напряжению усилителя (рис. 15.3,в).
121
Рис. 15.3. Способы снятия обратной связи
15.3.	Влияние обратной связи на показатели усилителя
Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
При идеальном согласовании на входе усилителя коэффициент усиления
усилителя, охваченного обратной связью, рассчитывается по формуле:
Ы = аыхус
0С U
° ИС
При положительной ОС'.
UBx.yc иис л- Uoc
Отсюда: Uhc ' ^^вх.ус “ Uoc Так как. UqC [3 LJg^ixyc >
то: иис = иВХ ус“ P ’UBbIx ус
Подставим это выражение в формулу расчета Кос:
tf —	С еыхус
пос и	_ /?. rj
ИХ УС Р ПЫХ.УС
122
Разделим каждый член этой формулы на UBX vc:
Кпос
Гак как коэффициент усиления усилителя без обратной связи
К =	7 т0- Кпос =
^ВХ УС
к
\-рк
Очевидно, I- рк<1. Поэтому Кпос > К, то есть положительная ОС
увеличивает коэффициент усиления усилителя.
При отрицательной ОС:
Uex.yc UHC - Uoc
Отсюда. UHC UBX.yc Uoc Так как. Uqc P*UBbix.yc ,
to: UHC — UBX.yC +
P Ujibix.yc
Тогда:
V ~ Ццыхус
00c U + В-U
V МУС P ВЫХ.УС
Разделив каждый член этой формулы на UBXyc, получим:
ос
_ к
1 + р-К
Очевидно, что 1+ рК > 1. Поэтому Ко0С < К, то есть отрицательная
обратная связь уменьшает коэффициент усиления.
Величина рК называется петлевым усилением. Петлевое усиление
показывает, во сколько раз изменяется сигнал, проходя по петле обратной
связи.
Величина 1 ± рК называется гну биной обратной связи А. Глубина
обратной связи показывает, какая часть выходного сигнала поступает на вход
усилителя. Глубина ОС выражается в процентах. Например, если десятая
часть выходного сигнала усилителя поступает на его вход, то А = 10 %; если
весь выходной сигнал действует на входе усилителя, то А =100 %.Чем ближе
рК к единице, тем глубже обратная связью.
При глубокой положительной ОС А—»100 %, рК—>1 и Кпос—» о>.
Усилитель работает неустойчиво, может наступить самовозбуждение
усилителя, переход в режим генерации.
К. 1
При глубокой отрицательной ОС РК » 1, поэтому: К<>ос~--« — •
123
То есть при глубокой отрицательной обратной связи коэффициент
усиления усилителя практически не зависит от параметров схемы
усилителя, а определяется параметрами цепи ОС.
Обратная связь влияет и на стабильность коэффициента усиления.
Нестабильность коэффициента усиления усилителя возникает из-за
нестабильности напряжения источника питания, надевания транзисторов,
старении и замены элементов. Все изменения коэффициента усиления при
отрицательной обратной связи будут компенсироваться. Механизм
стабилизации режима работы транзистора (что идентично стабилизации
коэффициента усиления) был рассмотрен ранее в гл. 13. В схеме
коллекторной стабилизации действует параллельная отрицательная ОС
по напряжению-, элемент цепи ООС - Roc (рис. 13.5). В схеме эмиттерной
стабилизации действует последовательная отрицательная ОС по току;
элемент ООС - R, (рис. 13.6).
Отрицательная обратная связь уменьшает величину коэффициента
усиления и повышает его стабильность.
Влияние обратной связи на нелинейные искажения
При усилении сигналов большой амплитуды начинает сказываться
нелинейность характеристик усилительного элемента, то есть в выходном
сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие,
искажающие форму сигнала. При введении в усилитель отрицательной ОС
эти гармоники будут подаваться на вход усилителя в противоположной с
основным сигналом фазе. В результате взаимодействия этих сигналов на
входе усилителя произойдет компенсация гармоник и уменьшение
нелинейных искажений.
Отрицательная обратная связь уменьшает нелинейные искажения.
Влияние обратной связи на линейные искажения
Механизм влияния частотно-зависимой и частотно-независимой ОС
различен. Рассмотрим сначала, как влияет на линейные искажения частотно-
независимая отрицательная ОС. При понижении или повышении частоты
сигнала (относительно средних частот) коэффициент усиления усилителя
понижается. Но будет понижаться и глубина ООС, так как
А = 1 + рК. Поэтому ее действие на низких и высоких частотах будет слабее,
чем на средних. В результате АЧХ станет равномерной в более широком
диапазоне частот.
При частотно-зависимой отрицательной ОС коэффициент передачи цепи
ОС Р зависит от частоты сигнала. Поэтому частотно-зависимая ООС
изменяет АЧХ усилителя по закону, обратному закону изменения р.
Частотно-зависимую ООС часто используют для формирования АЧХ
заданной формы.
124
Отрицательная обратная связь уменьшает частотные и фазовые
искажения в усилителе, расширяет диапазон рабочих частот.
Влияние обратной связи на динамический диапазон усилителя
В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, шумы
усилительного элемента, тепловые шумы всех элементов, наведенные шумы
будут поступать на вход усилителя через цепь ОС в противоположной фазе и
компенсироваться уже на входе усилителя. Напряжение шума усилителя иш
значительно уменьшится, а динамический диапазон расширится.
Отрицательная обратная связь уменьшает напряжение шума Uw и
расширяет динамический диапазон D.
Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления
усилителя
Введение обратной связи изменяет входную и выходную цени
усилителя. Поэтому будут изменяться величины входного и выходного
сопротивлений усилителя.
Изменение входного сопротивления усилителя RBX ус определяется
способом подключения цепи ОС к входу усилителя, то есть способом
введения ОС. Последовательная ОС увеличивает Rex.yc; параллельная ОС
уменьшает Rex.yc •
Изменение выходного сопротивления усилителя RBblx ус определяется
способом подюпочения цепи ОС к выходу усилителя, то есть способом
снятия ОС. Обратная связь по току увеличивает Иеых.ус ; обратная связь
по напряжению уменьшает Ret,ix.yc-
Изменение всех параметров усилителя происходит пропорционально
глубине ОСА.
Основные выводы
I.	Обратная связь - это подача части выходного сигнала усилителя на его
вход.
2.	Обратная связь может быть положительной и отрицательной; частотно-
зависимой и частотно-независимой; по постоянному, по переменному
току или по обеим составляющим; местная, межкаскадная или общая;
параллельная или последовательная; по току или по напряжению.
3.	Отрицательная обратная связь повышает устойчивость работы
усилителя, увеличивает стабильность коэффициента усиления,
уменьшает все искажения и шумы.
4.	Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления
усилителя, что можно скомпенсировать добавлением числа каскадов
усилителя.
125
Контрольные вопросы
1.	Дайте определение обратной связи.
2.	Поясните различие между положительной и отрицательной обратной
связью.
3.	Какую обратную связь называют частотно-зависимой?
4.	Для чего в усилитель вводится обратная связь?
5.	Какая обратная связь обычно применяется в усилителях: положительная
или отрицательная?
6.	Как действует отрицательная обратная связь на коэффициент усиления?
7.	Как действует отрицательная обратная связь на частотный диапазон?
8.	Как действует последовательная отрицательная обратная связь по
напряжению на RBX ус и RBbIX ус ?
9.	Как действует параллельная отрицательная обратная связь по току на
Кр.х.ус И ^вых.ус ?
10.	Как действует отрицательная обратная связь на динамический диапазон
усилителя?
ГЛАВА 16. РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
К усилителям обычно предъявляются следующие требования:
-	обеспечить требуемый коэффициент усиления;
-	обеспечить требуемую мощность в нагрузке;
-	обеспечить минимальные искажения сигнала;
-	обеспечить высокие энергетические показатели, то есть высокий КПД.
Исходя из этих требований, выбирается режим работы усилительного
элемента по постоянному току. Режим работы задается положением рабочей
точки на сквозной (проходной) характеристике усилителя.
Сквозная характеристика усилителя — это зависимость выходного тока
усилителя от напряжения источника сигнала (рис. 16.1). Усилители могут
работать в различных режимах, обеспечивая заданные показатели усилителя.
Различают режимы работы: А. В. АВ, С и D.
16.1.	Режим работы А
При работе усилителя в режиме А рабочая точка выбирается в середине
линейного участка сквозной характеристики (рис. 16.1). Выходной ток
протекает в течение всего периода усиливаемого сигнала.
126
Рис. 16.1. Работа усилителя в режиме А
Достоинством режима А являются малые нелинейные искажения.
Вследствие этого форма выходного сигнала мало отличается от формы
входного.
Недостаток режима А - низкий КПД: менее 50 %, обычно порядка
30%. Столь низкие энергетические показатели определяются ограниченным
использованием транзистора. Кроме того, среднее значение тока потребления
1ср не зависит от амплитуды выходного тока, то есть и при отсутствии
сигнала на входе усилителя он потребляет достаточно большой ток.
Режим Л используется в каскадах предварительного усиления (КПУ), в
однотактных оконечных каскадах (ОК) и в предоконечных каскадах (ПОК).
16.2.	Режим работы В
При работе усилителя в режиме В выходной ток в нагрузке протекает в
течение половины периода сигнала, В течение второй половины период тока
в нагрузке нет. Однако это справедливо для идеализированного случая, когда
сквозная характеристика усилителя аппроксимируется (представляется)
линейно-ломаной линией (рис. 16.2). Рабочая точка являегся проекцией точки
перегиба аппроксимированной характеристики на реальную сквозную
характеристику.
127
Рис. 16.2. Работа усилителя в режиме В
Режим В называют режимом работы с отсечкой. Угол отсечки 0 -
половина периода сигнала, в течении которого в нагрузке отсутствует ток. В
идеализированном режиме В 0 = 90°. В реальном случае 0 > 90°.
Среднее значение тока потребления зависит от уровня сигнала, и при
отсутствии входного сигнала ток от источника питания не потребляется.
Кроме того, усилительные способности транзистора в режиме В
используются гораздо полнее. Таким образом, энергетические показатели
усилителя, работающего в режиме В высокие, КПД превышает 80%.
Достоинством режима В является высокий КПД.
Недостаток - большие нелинейные искажения, в результате чего
форма сигнала на выходе усилителя не соответствует форме входного
сигнала.
Режим В используется в двухтактных оконечных каскадах мощного
усиления.
16.3.	Режимы работы АВ, С, D
При работе усилителя в режиме АВ рабочая точка сдвигается немного
вверх по сквозной характеристике. Получается промежуточный режим
между режимами А и В. Для сигналов с малой амплитудой действует режим
А, для сигналов с большой амплитудой - ражим В. Угол отсечки
увеличивается и достигает 120°. Нелинейные искажения меньше, чем в
режиме В. Режим АВ обладает достоинствами режимов А и В.
Режим АВ используется в двухтактных бестрансформаторных
оконечных каскадах.
128
При работе каскада в режиме С рабочая точка сдвигается вниз по
сквозной характеристике. Ток в нагрузке протекает в интервале, меньшем
половины периода сигнала. Угол отсечки 0 < 90° И хотя КПД каскада,
работающего в режиме С, приближается к 100 %, для усилителя этот режим
неприемлем, так как возникающие нелинейные искажения намного
превышают допустимые.
В режиме С работают генераторы.
При работе в режиме D усилительный элемент находится либо в режиме
насыщения и открыт, либо в режиме отсечки и закрыт. Поэтому такой режим
называется ключевым.
Режим D используется в логических устройствах.
Основные выводы
1.	Режим работы усилительного каскада определяется положением рабочей
точки на сквозной характеристике усилителя.
2.	Режим А (рабочая точка в середине линейного участка сквозной
характеристики) обладает низкими нелинейными искажениями, но КПД
< 40 %. Используется в однотактных схемах (КПУ, ПОК).
3.	Режим В (рабочая точка в начале линейного участка сквозной
характеристики) — режим работы с отсечкой; нелинейные искажения
высокие; КПД > 80 %. Используется в двухтактных схемах (ОК).
4.	Режим АВ более мягкий, чем режим В; нелинейные искажения ниже,
чем в режиме В, КПД - немного меньше. Используется в двухтактных
бестрансформаторных каскадах.
Контрольные вопросы
1.	В каких режимах могут работать усилительные каскады?
2.	Дайте определение сквозной характеристике усилителя.
3.	Чем определяется режим работы усилителя?
4.	Укажите достоинства и недостатки режима А.
5.	Почему усилитель в режиме А имеет низкий КПД?
6.	Укажите достоинства и недостатки режима В.
7.	Укажите область использования режимов А и В.
8.	Поясните достоинства режима АВ.
9.	В каких схемах используется режим С?
10.	В каких схемах используется режим D?
129
ГЛАВА 17. МЕЖКАСКАДНЫЕ СВЯЗИ
Схемы межкаскадных связей служат для передачи сигнала от
предыдущего каскада к последующему, а также от источника сигнала на вход
усилителя и с выхода усилителя в нагрузку. Основные требования к схемам
межкаскадных связей:
-	минимальные потери;
-	минимальные искажения.
Схемы межкаскадных связей могут обеспечить переход от
несимметричной цепи к симметричной и наоборот.
Наиболее часто используются: гальваническая, резистивно-емкостная,
трансформаторная и оптронная межкаскадные связи. Рассмотрим
перечисленные схемы и дадим им сравнительную характеристику.
17.1.	Гальваническая межкаскадная связь
Гальваническая связь позволяет передавать между каскадами
постоянный ток. Поэтому такую связь используют в усилителях постоянного
тока. Гальваническая связь подразделяется на непосредственную и
потенциометрическую.
При непосредственной связи выход предыдущего каскада эквивалентен
входу последующего каскада по постоянному и по переменному току’ (рис.
17.1).
Рис. 17.1. Схема усилителя с непосредственной связью
При использовании такой межкаскадной связи необходимо согласовать
высокий потенциал коллектора VT1 с низким потенциалом базы VT2, то есть
скомпенсировать постоянную составляющую выходного напряжения иКЭоь
Для этого в цепь эмиттера VT2 включается резистор R32 , на котором
создается компенсирующее напряжение Ursw- Обычно Сгьэод составляет
десятые доли В, 11Кэо1 ~ единицы или десятки В, 1эо - единицы или десятки
мА. Поэтому сопротивление R32 выбирается от сотен Ом до единиц кОм. Но
всегда ЕЭ2>Кэ1, так как ПБэо2«иКэо1-
130
Достоинствами непосредственной связи являются:
-	простота реализации;
-	отсутствие низкочастотных искажений;
-	возможность усиления постоянного тока;
-	возможность стабилизации режима работы транзистора.
Недостатки:
-	уменьшение коэффициента усиления в каждом следующем каскаде;
-	«набег» постоянной составляющей на базах транзисторов, что
нарушает их режим работы;
-	невозможность использования в ламповых усилителях из-за разной
полярности напряжения анода (положительное) и напряжения сетки
(отрицательное).
В ламповых усилителях, а также в аналоговых интегральных схемах
используется потенциометрическая связь. В цепь потенциометрической
связи включается потенциалопонижающая схема, которую принято
называть схемой сдвига уровня (рис. 17.2). В качестве схемы сдвига уровня
используются резистивные цепи, диоды или стабилитроны.
Режим работы VL2 определяется напряжением дополнительного
источника Ес и коэффициентом делителя напряжения R1,R2.
Рис. 17.2. Схема усилителя с потенциометрической связью
Достоинства потенциометрической связи:
-	возможность усиливать сигнал как угодно низкой частоты;
-	возможность обеспечить разную полярность потенциалов па аноде
VL1 и на сетке VL2;
-	возможность использования в интегральных схемах.
Недостатки:
-	необходимость в дополнительном источнике питания;
131
-	необходимость в делителе напряжения;
-	снижение коэффициента усиления.
17.2.	Резистивно-емкостная межкаскадная связь
Резистивно-емкостная связь применяется в усилителях переменного
тока. В качестве элемента связи используется конденсатор, который
называется разделительным. Разделительный конденсатор разделяет
каскады по постоянному току, но объединяет их по переменному току (рис.
17.3).
Емкость разделительного конденсатора Ср (Ср|, Ср2, Срз) выбирается
таким образом, чтобы ее сопротивление на нижней частоте рабочего
диапазона частот было гораздо меньше входного сопротивления следующего
каскада. Поэтому емкость Ср обычно большая - до тысяч мкФ.
Достоинства резистивно-емкостной связи:
-	отсутствие влияния между каскадами по постоянному току;
-	малая стоимость, масса и габариты;
-	возможность использования в ламповых усилителях;
-	дополнительная фильтрация сигнала в области низких частот.
Недостатки:
-	увеличение частотных искажений в области низких частот;
-	невозможность использования в интегральных схемах;
-	возможность запирания ламп н полевых транзисторов при значительной
импульсной помехе.
Рис. 17.3. Схема усилителя с резистивно-емкостной связью
17.3.	Трансформаторная межкаскадпая связь
При выборе трансформаторной связи между каскадами первичную
обмотку трансформатора включают в выходную цепь усилительного
элемента предыдущего каскада в качестве нагрузки, а вторичную обмотку — в
132
цепь входного управляющего вывода последующего каскада (рис. 17.4).
Причем вторичную обмотку можно включать по схеме параллельной и
последовательной подачи смешения. В ламповых каскадах и каскадах на
полевых транзисторах вторичная обмотка может подключаться к общему
проводу и входному выводу усилительного элемента (затвору или
управляющей сетке).
Рис. 17.4. Схема усилителя с трансформаторной связью
Трансформаторную связь используют в каскадах мощного усиления
(КМУ) при сравнительно невысокой полосе частот и в усилителях
аппаратуры многоканальной связи во входных и выходных цепях.
Достоинства трансформаторной связи:
-	возможность получения высокого коэффициента усиления по
мощности;
-	обеспечение симметричного выхода;
-	согласование с любым по величине сопротивлением нагрузки;
-	возможность работы при пониженном напряжении источника питания.
Недостатки:
-	большие габариты и стоимость;
-	увеличение частотных и нелинейных искажений;
-	необходимость в защите от внешних электромагнитных полей.
17.4.	Оптроянаи межкаскадная связь
В ряде случаев возникает необходимость в электрической развязке
усилительных каскадов. Для этого используется оптронная межкаскадная
связь, основанная на включении в состав тракта оптрона (рис. 17.5).
В выходную цепь предыдущего каскада включается светодиод VD2, а во
входную цепь следующего каскада - фотодиод VD3. Таким образом, связь
между каскадами только оптическая, что позволяет исключить
возникновение паразитных обратных связей, которые могут нарушить
133
устойчивость работы усилителя. Для лучшей электрической развязки
предусматривается наличие в каждом каскаде отдельного источника питания.
Рис. 17.5. Схема усилителя с оптронной связью
Достоинства оптронной связи:
-	полная электрическая развязка между каскадами;
-	малые габариты и малое потребление тока питания.
Недостатки:
-	необходимость в двух источниках питания;
-	повышенная температурная нестабильность;
-	возникновение дополнительных искажений.
17.5.	Распределение и расчет искажений многокаскадного
усилителя
При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо не
только определить общий коэффициент усиления усилителя, но и общие
искажения, распределить их по каскадам, решить вопрос введения обратных
связей.
Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя
Мобщ определяется по формуле:
М„ — Кокшг,,.
общ ---------- J
где: К общ f Ср- коэффициент усиления усилителя на средней частоте;
К общ f - коэффициент усиления усилителя на заданной частоте f.
Коэффициент частотных искажений М оби( можно рассчитать, если
известны коэффициенты частотных искажений каждого каскада:
Мобщ=М1М2МЗ...Мп.
134
Если М рассчитывается в дБ, то:
М общ= MI+ М2+ МЗ+.. .Мп , дБ
При распределении частотных искажений по каскадам следует
учитывать их схемное построение, габариты и стоимость. Очевидно, что
наибольшие частотные искажения вносят трансформаторные каскады.
Поэтому в трансформаторном каскаде допускается коэффициент частотных
искажений М в 2...3 раза выше, чем в резистивном. Для уменьшения
частотных искажений в области низких частот величина емкости
разделительного конденсатора Ср выбирается в среднем десятки...сотни
мкФ. Это приводит к увеличению габаритов каскада. Поэтому для
уменьшения габаритов схемы лучше воспользоваться цепями коррекции,
размеры которых значительно меньше размеров конденсатора Ср. Для
достижения экономичности схемы частотные искажения следует
распределять по каскадам усилителя неравномерно. В каскадах
предварительного усиления и предоконечных допускаются меньшие
частотные искажения, в оконечных каскадах — большие. В пределах одного
каскада наибольшие частотные искажения отводятся на блокировочный
конденсатор Сэ.
Фазовый сдвиг многокаскадного усилителя равен сумме фазовых
сдвигов, возникающих в отдельных каскадах:
ф общ= ф1+ ф2+ фЗ+...фп
Нелинейные искажения определяются в основном оконечным
каскадом, так как в оконечном каскаде достигается наибольшая амплитуда
сигнала и поэтому больше сказывается нелинейность характеристик
усилительного элемента. Общий коэффициент гармоник К гобщ вычисляется
по формуле:
К Гобщ~	^^Г№ЩЗ + —Kf ОВЩл ,
где: К гобщ 2 - суммарный Кг по второй гармонике;
К гобщ з - суммарный Кг по третьей 1армонике и т.д.
В практических расчетах ограничиваются К гобщ2 и К гобщз 
Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется в
основном тепловыми шумами элементов схемы. Фон, наводки, шумы
микрофонного эффекта при правильной конструкции усилителя можно
минимизировать. Коэффициент шума многокаскадного усилителя
рассчитывается по формуле:
КцГ общ КШ вх.уст Кщ клу 4 КШ ПОК^ Кщ ок + Кщ вых.уст 
Уменьшения влияния шума можно достичь увеличением выходной
мощности, хорошей согласованностью на входе и выходе усилителя,
135
использованием малошумящих усилительных элементов (полевых
транзисторов, электронных ламп).
Основные выводы
1.	Схемы межкаскадных связей служат для передачи энергии между
каскадами усилителя, а также от источника сигнала на вход усилителя и
с выхода усилителя в нагрузку.
2.	Сигнал через схемы межкаскадных связей должен передаваться с
минимальными потерями и искажениями.
3.	Гальваническая связь используется в усилителях постоянного тока.
4.	Рсзистивно-смкостная связь используется в усилителях переменного
тока.
5.	Трансформаторная связь используется во входных и выходных цепях
усилителя для согласования с симметричным источником сигнала и
симметричной нагрузкой, а также для повышения выходной мощности.
6.	Опгронная связь применяется для электрической развязки каскадов
усилителя, устранения паразитных обратных связей.
7.	В каскадах предварительного усиления и предоконечных каскадах в
основном используются резистивно-емкостные межкаскадные связи
благодаря простоте схемы и малым искажениям.
8.	Распределение искажений в усилителе неравномерное по каскадам: в
КПУ и ОК допускаются меньшие искажения, в ОК — большие.
Контрольные вопросы
1.	Какие требования предъявляются к схемам межкаскадной связи?
2.	Перечислите виды межкаскадных связей.
3.	Укажите достоинства и недостатки гальванической связи.
4.	Поясните принцип передачи сигнала через цепь потенциометрической
связи.
5.	В каких каскадах используется резистивно-емкостная межкаскадная
связь?
6.	В каких случаях целесообразно использовать трансформаторную связь?
7.	Укажите достоинства и область применения оптронной межкаскадной
связи.
8.	Как распределяются частотные искажения между каскадами?
9.	Рассчитайте коэффициент частотных искажений многокаскадного
усилителя, если он содержит четыре каскада и коэффициент частотных
искажений первых трех каскадов Ml = М2 = М3 = 1,03, а четвертого
каскада М4 =1,1.
10.	Как распределяются нелинейные искажения в многокаскадном
усилителе?
11.	Как рассчитывается коэффициент шума многокаскадного усилителя?
136
ГЛАВА 18. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ
Каскады предварительного усиления (КПУ) предназначены для
усиления сигнала по току и напряжению до величины, необходимой для
работы оконечного каскада. Основными требованиями к КПУ являются:
-	минимальные искажения;
-	минимальные шумы;
-	широкий диапазон рабочих частот;
-	широкий динамический диапазон;
-	максимальный коэффициент передачи по току и напряжению.
Для выполнения этих требований каскад предварительного усиления
должен содержать минимальное количество реактивных элементов. Поэтому
в качестве нагрузки в КПУ используется резистор, и каскад усиления
называют резистивным. В качестве усилительного элемента используются
биполярный или полевой транзисторы. Чтобы каскад усиливал и ток, и
напряжение, биполярный транзистор должен включаться с общим
эмиттером, полевой - с общим истоком.
18.1. Резистивный каскад на биполярном транзисторе
Полное название схемы содержит ее краткую характеристику:
резистивный усилитель напряжения на биполярном транзисторе с
общим эмиттером, подачей смещения методом фиксированного
напряжения, резистивно-емкостной связью со следующим каскадом и
эмиттерной стабилизацией режима работы.
Рис. 18.1. Схема резистивного каскада на биполярном транзисторе
Принцип работы схемы лучше всего можно понять, рассмотрев
назначение ее элементов.
137
Е - источник питания, обеспечивает напряжение питания на выходном
электроде (на коллекторе) транзистора и подает напряжение смещения на
управляющий электрод (на базу); обычно Е имеет напряжение от единиц до
десятков В.
VT - усилительный элемент (биполярный транзистор), усиливает сигнал,
регулируя поступление энергии от источника сигнала в нагрузку в
соответствии с законом изменения сигнала.
Rk — нагрузка транзистора VT; на RK выделяется усиленное напряжение
сигнала, и с RK это напряжение снимается в следующий каскад.
Кдь Вд2 - делитель напряжения, подает на базу VT напряжение
смещения, которое создает активный режим работы транзистора и требуемое
положение рабочей точки (подробно способы подачи смещения были
рассмотрены в главе 11)
Rg — элемент цепи последовательной обратной связи по току для
термостабилизации режима работы транзистора - эмиттерная стабилизация.
Сэ — блокировочный конденсатор, устраняет отрицательную обратную
связь по переменному току, чтобы не понижался коэффициент усиления
сигнала.
Срь Срз - разделительные конденсаторы, не пропускают на вход каскада
постоянную составляющую, чтобы не нарушить установленный режим
работы.
Сф, Иф - развязывающий фильтр питания, устраняет межкаскадную
связь по переменному току, которая может возникнуть за счет общего
источника питания.
Ro, Со — элементы, эквивалентные входной цепи следующего каскада.
Порядок величины сопротивлений и емкостей обычно выбирается из
следующих соображений.
Максимальный коэффициент усиления сигнала по напряжению
получается при эквивалентном сопротивлении нагрузки:
R <	1
‘Хэки — -—ту
По переменному току RK и Ro включены параллельно, поэтому.
Отсюда;
^0 " ^экн
Обычно RK выбирается порядка единиц кОм.
Величина сопротивления Rgрассчитывается по формуле:
~ UКЭО ~ КО • R-K
J	I
'ко
Обычно Скэо- 0,4Е
1ко ~ 2 1вх m сл *
138
где: IBX m сл ~ переменная составляющая входного тока следующего
каскада.
Сопротивление R3 выбирается порядка сотен Ом.
Сопротивления делителя Ид] и Rfl2 рассчитываются по формулам:
Rn9 =	+	Rt,= —____₽
1 дел	1 дел
Обычно 1дел ~ Ю 1Б0. Сопротивление Р.д! выбирается от единиц до
десятков кОм; сопротивление Rrp - единицы кОм.
Емкость Ср не должна вносить заметных частотных искажений.
Величина Ср рассчитывается по формуле:
2я ' JН ‘	+ ^0 )
Обычно Ср выбирается порядка десятков мкФ.
Емкость Сэ выбирается таким образом, чтобы ее сопротивление по
переменному току было гораздо меньше, чем R3. Величина С3
рассчитывается по формуле:
Сэ>-10 —
пJ н  R3
где: fH — нижняя частота диапазона усиливаемого сигнала.
Обычно Сэ выбирается порядка десятков мкФ.
18.2.	Особенности схемы резистивного каскада на полевом
транзисторе
Рис. 18.2. Схема резистивного каскада на полевом транзисторе
Полное название схемы: резистивный усилитель напряжения на
полевом транзисторе с ОИ, автоматическим смещением на затворе,
резистивно-емкостной связью со следующим каскадом и истоковой
стабилизацией режима работы транзистора.
139
Главная особенность этой схемы - подача автоматического смещения на
затвор транзистора. Это напряжение выделяется на резисторе Rh при
протекании по нему постоянного тока стока 1со и через резистор R3
прикладывается к затвору VT (подробно способ подачи автоматического
смещения был рассмотрен в гл. 13).
Назначение остальных элементов (Re, Си, Ср, КфСф, Rh, Сн) то же, что и
в каскаде на биполярном транзисторе. Значения сопротивлений и емкостей
каскада на полевом транзисторе обычно следующие:
-	сопротивление Rc - десятки кОм;
-	сопротивление Rh - сотни Ом...единицы кОм;
-	сопротивление R3 - сотни кОм;
-	емкость Си - десятки мкФ;
-	емкость Ср - десятки нФ.
Достоинства каскада на полевых транзисторах определяются
достоинствами усилительного элемента: большое входное сопротивление и
малые шумы. Схема каскада на полевом транзисторе имеет также общие
достоинства всех транзисторных резистивных каскадов: малые габариты, вес,
стоимость, искажения.
Недостатки: малый коэффициент усиления и низкий КПД. Эти
недостатки являются общими для резистивных каскадов предварительного
усиления и вызваны основным требованием к КПУ - достижением
минимальных искажений, что приводит к неполному использованию
усилительных данных транзистора и выбору неэкономичного режима работы
каскада А.
18.3.	Повторители напряжения
Повторители напряжения являются разновидностью резистивных
каскадов, в которых усилительный элемент включается по схеме с общим
коллектором (биполярный транзистор) или общим стоком (полевой
транзистор). Известно, что при таком включении усилительного элемента,
напряжение не усиливается, коэффициент передачи напряжения немного
меньше единицы (К ~ 0,95). Выходное напряжение по амплитуде и по фазе
практически повторяет входное. Поэтому такие схемы получили название
повторители. Схема на биполярном транзисторе называется эмиттерный
повторитель (рис. 18.3), на полевом транзисторе - истоковый
повторитель (рис. 18.4).
Хотя повторитель и не усиливает напряжение, он является усилителем,
так как усиливает ток и мощность сигнала. Все элементы в схемах
повторителей выполняют ту же роль, что и в рассмотренных схемах
резистивных каскадов с ОЭ и ОИ, за исключением резисторов R3 и Rh.
В схеме эмиттерного повторителя (рис. 18.3) резистор R3 является и
нагрузкой транзистора, и элементом цепи отрицательной обратной связи.
140
Поэтому весь выходной сигнал усилителя передается через цепь ООС на его
вход. Глубина обратной связи в повторителе А = 100 %.
Рис. 18.3 Схема эмиттерного повторителя
Рис. 18.4. Схема истокового повторителя
В схеме истокового повторителя нагрузкой транзистора и элементом
цепи ООС является резистор Rm- В истоковом повторителе также действует
стопроцентная ООС.
Такая глубокая отрицательная ОС оказывает очень сильное воздействие
на все показатели усилителя. Поэтому повторители имеют очень низкие
частотные, фазовые и нелинейные искажения, широкий диапазон рабочих
частот и широкий динамический диапазон, а также высокую стабильность
режима работы транзистора. Входное сопротивление повторителей очень
высокое, так как обратная связь по способу введения последовательная.
Выходное сопротивление — очень низкое, так как обратная связь по способу
снятия — по напряжению.
Последние два свойства повторителей (высокое входное и низкое
выходное сопротивления) определили область применения этих каскадов.
141
Их включают на входе усилителей для уменьшения потерь сигнала, на
выходе усилителя для согласования с низкоомной нагрузкой. Иногда
повторители используют в качестве буферных каскадов.
18.4.	Эквивалентная схема резистивного каскада
Эквивалентная схема служит для анализа работы резистивного каскада
по переменному току. Поэтому при построении эквивалентной схемы
следует исключить те элементы, которые обеспечивают ее работу по
постоянному току. К ним относятся: резисторы делителя Г<д, и Кдг, которые
обеспечивают активный режим работы VT; резистор ООС Rg, который
обеспечивает стабилизацию режима работы; блокировочный конденсатор Сэ;
элементы развязывающего фильтра Ro и Сф и источник питания Е.
Остаются: транзистор VT, резистор нагрузки RK, разделительный
конденсатор Ср и эквивалентные элементы входной цепи следующего
каскада R<, и Со .
Рис. 18.6. Упрощенная эквивалентная схема резистивного каскада
Усилительный элемент (транзистор VT) заменяется эквивалентным
генератором с ЭДС Ег и внутренним сопротивлением Rr.
Эквивалентная емкость Со имеет три составляющие:
Со~ С выхУТ1+ С вх VT2 + См
где: С Вых vti — выходная емкость транзистора данного каскада;
С вх VT2 — входная емкость транзистора следующего каскада;
См - емкость монтажа.
Обычно См« С вых vti и С ЕХ vtt
Рассмотрим работу схемы в области средних, низких и высоких частот.
В области средних частот частотные искажения не возникают,
коэффициент усиления от частоты сигнала не зависит.
142
В области низких частот возрастает сопротивление разделительного
конденсатора Ср, поэтому уменьшается ток в выходной цепи транзистора и
выходное напряжение, а значит и коэффициент усиления каскада, то есть
возникают частотные искажения в области НЧ.
Таким образом, частотные искажения в области низких частот
еносит разделительный конденсатор Ср,
Чтобы уменьшить искажения, следует повысить емкость конденсатора,
но это приведет к увеличению габаритов схемы.
В области высоких частот уменьшается сопротивление эквивалентной
емкости Со, которое начинает шунтировать входное сопротивление
следующего каскада. В результате понижаются выходной ток и выходное
напряжение; коэффициент усиления каскада уменьшается, то есть
возникают частотные искажения в области ВЧ.
Таким образом, частотные искажения в области высоких частот
вносит емкость Со, то есть транзистор.
Чтобы уменьшить эти искажения, следует подбирать транзисторы с
высокой граничной частотой frp , по крайней мере в 5... 10 раз
превосходящей верхнюю частоту диапазона усиливаемого сигната.
Основные выводы
1.	Основные требования, предъявляемые к каскадам предварительного
усиления: большое усиление и низкие искажения.
2.	Каскады предварительного усиления работают в режиме А.
3.	В качестве КПУ используются резистивные каскады, в которых
нагрузкой усилительного элемента является резистор.
4.	Усилительным элементом в КПУ может быть биполярный или полевой
транзистор.
5.	Транзисторные резистивные каскады имеют малые габариты, вес,
стоимость, искажения, но низкие коэффициент усиления и КПД.
6.	Резистивный каскад на полевом транзисторе имеет большое входное
сопротивление (сотни кОм) и малые шумы.
7.	В повторителях напряжения действует стопроцентная последовательная
отрицательная обратная связь по напряжению, которая определяет
свойства каскада.
8.	Повторители имеют высокое входное и низкое выходное сопротивления,
низкие искажения и шумы, широкий диапазон рабочих частот и
широкий динамический диапазон.
9.	Повторители используются для согласования с высокоомным
источником сигнала, с низкоомной нагрузкой и в качестве буферных
согласующих каскадов.
10.	Частотные искажения в области низких частот вносит разделительный
конденсатор Ср, а в области высоких частот - транзистор.
143
11.	Для уменьшения частотных искажений в области низких частот следует
повысить емкость Ср; для уменьшения частотных искажений в области
высоких частот выбирается транзистор с высокой граничной частотой.
Контрольные вопросы
1.	Укажите назначение и перечислите требования к КПУ.
2.	Почему в качестве КПУ используют резистивный каскад?
3.	Поясните, как достигается активный режим работы транзистора в КПУ?
4.	Какие изменения произойдут в работе схемы резистивного каскада, если
выпаять блокировочный конденсатор?
5.	Как изменится выходной сигнал каскада при уменьшении емкости
разделительных конденсаторов?
6.	Укажите назначение развязывающего фильтра.
7.	Почему в схеме КПУ на полевом транзисторе в основном используется
подача автоматического смещения на затвор транзистора?
8.	Перечислите преимущества КПУ на полевом транзисторе.
9.	Дайте полное название схемам эмиттерного повторителя.
10.	Почему повторители напряжения получили такое название?
11.	Укажите достоинства повторителей.
12.	Дайте характеристику обратной, связи в эмиттерном повторителе.
13.	Укажите область применения повторителей напряжения.
14.	Как уменьшить частотные искажения в резистивном каскаде?
ГЛАВА 19. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Широкополосные усилители относят к каскадам предварительного
усиления, но в отличие от резистивных каскадов они должны обладать более
широким диапазоном рабочих частот: от нескольких герц до нескольких
мегагерц. Расширение диапазона частот можно получить двумя способами:
включением корректирующих элементов или использованием частотно-
зависимой отрицательной обратной связи. Первый способ сохраняет
первоначальную величину коэффициента усиления, но расширяет диапазон
рабочих частот не более, чем в 1,4... 1,7 раз. Поэтому чаще используют
частотно-зависимую ООС. Эффективность действия ООС, то есть степень
расширения ДРЧ, определяется глубиной ООС. Однако ООС уменьшает
коэффициент усиления, причем тем сильнее, чем она глубже, Чтобы
скомпенсировать уменьшение коэффициента усиления, приходится
добавлять каскады усиления, что усложняет и удорожает усилитель.
В линейном тракте систем передачи многоканальной связи передается
очень широкий диапазон частот. Поэтому в качестве линейных усилителей
используются широкополосные усилители с коррекцией АЧХ с помощью
глубокой частотно-зависимой ООС. Такая ООС позволяет скомпенсировать
влияние параметров линии связи (кабеля), которые меняются при изменении
144
частоты сигнала. В цепь ООС линейного усилителя включается
автоматическое регулирующее устройство (АРУ).
Уменьшение коэффициента усиления за счет глубокой ООС заставляет
делать линейные усилители многокаскадными. Увеличение числа каскадов
может привести к изменению фазы сигнала на выходе цепи ОС, и обратная
связь может стать положительной. Это нарушит работу всей системы
передачи. Поэтому в цепь ОС линейных усилителей включаются
фазокорректоры, исключающие возможность изменения знака обратной
связи.
19.1. Расширение диапазона рабочих частот с помощью
коррект ирующих элементов
Для расширения диапазона рабочих частот в области низких частот
используется конденсатор развязывающего фильтра Сф, причем величину
емкости С® следует уменьшить (рис. 19.1).
Рис. 19.1.Схема широкополосного усилителя с коррекцией с помощью Сф
Рассмотрим механизм действия этой коррекции. Для этого
воспользуемся эквивалентной схемой усилителя в области низких частот
(рис. 19.2).
При понижении частоты сигнала увеличивается емкостное
сопротивление конденсатора СфК, то есть увеличивается полное
сопротивление выходной коллекторной цепи VT. Поэтому увеличивается
выходное напряжение Пвых и коэффициент усиления в области низких
частот. Причем, чем меныпе будет емкость Сф, тем выше поднимется АЧХ,
но и тем резче будет ее спад (рис. 19.2). Существует оптимальное значение
СфК для данной схемы, при котором получается максимальное расширение
ДРЧ.
145
Рис. 19.2. Эквивалентная схема и фрагмент АЧХ в области низких частот
Для расширения диапазона рабочих частот в области высоких частот
в качестве корректирующего элемента используется катушка
индуктивности Lk, которая включается последовательно с резистором
нагрузки в коллекторную цепь транзистора (рис. 19.3). Такую коррекцию
называют простая индуктивная коррекция.
Рис. 19.3. Схема широкополосного усилителя с индуктивной
ВЧ-коррекцией
146
Механизм действия индуктивной высокочастотной коррекции
рассмотрим с помощью эквивалентной схемы (рис. 19.4).
Рис. 19.4. Эквивалентная схема и фрагмент АЧХ в области высоких
частот
С повышением частоты увеличивается индуктивное сопротивление
катушки LK, возрастает полное сопротивление коллекторной цепи. Поэтому
увеличивается выходное напряжение и коэффициент усиления в области
высоких частот (рис. 19.4). Увеличивая индуктивность катушки LK , можно
добиться большего подъема АЧХ в области высоких частот, но расширения
ДРЧ уже не будет. Для данной схемы существует оптимальное значение
индуктивности LK , при котором получается максимальное расширение ДРЧ.
Кроме указанного недостатка (ограниченное расширение ДРЧ), эта схема
имеет большие габариты и стоимость вследствие использования катушки.
19.2. Расширение диапазона рабочих частот с помощью частотно-
зависимой отрицательной обратной связи
Рис. 19.5. Схема двухкаскадного широкополосного усилителя с коррекцией в
области НЧ с помощью межкаскадной частотно-зависимой ООС
147
Очевидно, что введение цепи отрицательной обратной связи понижает
коэффициент усиления. Для компенсации этого явления добавляется каскад
усиления, а цепь корректирующей ООС Rcb, Сев включается между выходом
второго каскада коллектором VT2 и входом первого — эмиттера VT (рис.
19.5).
Рассмотрим механизм действия коррекции в области низких частот
При понижении частоты емкостное сопротивление конденсатора Сев
увеличивается, общее сопротивление цепи ОС тоже увеличивается, поэтому
на выходе цепи ОС сигнал ослабевает, то есть уменьшается глубина ООС А.
Поэтому коэффициент усиления усилителя будет возрастать. Причем
расширение ДРЧ будет гораздо большим по сравнению с коррекцией
конденсатором Сфк (рис. 19.6).
Рис. 19.6. Фрагмент АЧХ в области низких частот
Для расширения ДРЧ в области высоких частот используется
змиттерная высокочастотная коррекция (рис. 19.7). Эта схема позволяет
сильнее расширить ДРЧ, является более дешевой и компактной, но понижает
начальный коэффициент усиления.
Рис. 19.7. Схема широкополосного усилителя
с эмитгерной ВЧ-коррекцией
148
Схема работает следующим образом. В цепи ООС включается
корректирующий контур R3k Сэк- Емкость Сэк выбирается такой величины, что
на низких и средних частотах ее сопротивление так велико, что ток будет
протекать через R3k- Поэтому на низких и средних частотах повышается
глубина отрицательной ОС, а коэффициент усиления каскада понижается. С
повышением частоты емкостное сопротивление СЭк падает и становится
меньше R3k- Глубина обратной связи будет уменьшаться, с коэффициент
усиления относительно возрастать (рис. 19.8).

19.8.	Фрагмент АЧХ в области высоких частот
Основные выводы
1.	Широкополосные усилители усиливают сигнал в диапазоне от нескольких
Гц до нескольких МГц.
2.	Широкополосные усилители применяются в многоканальной связи, в
импульсных усилителях.
3.	Расширение ДРЧ можно получить либо с помощью корректирующих
элементов, либо, используя частотно-зависимую обратную связь.
4.	Для расширения ДРЧ в области низких частот используется конденсатор
развязывающего фильтра, причем его емкость следует уменьшить.
5.	Для расширения ДРЧ в области ВЧ в выходную цепь усилительного
элемента включается катушка индуктивности.
6.	При использовании частотно-зависимой ООС можно добиться гораздо
большего расширения ДРЧ, но ценой понижения начального коэффициента
усиления.
Контрольные вопросы
1.	Какие Вы знаете способы увеличения полосы рабочих частот усилителя?
2.	Поясните механизм действия коррекции с помощью СфК.
149
3.	Поясните механизм коррекции с помощью частотно-зависимой
отрицательной обратной связи в области низких частот.
4.	Поясните принцип действия простой индуктивной ВЧ - коррекции.
5.	Поясните принцип действия эмиттерной ВЧ - коррекции.
6.	Дайте сравнительную характеристику методам расширения ДРЧ
корректирующими элементами и с помощью отрицательной обратной
связи.
ГЛАВА 20. ОКОНЕЧНЫЕ И ПРЕДОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ
Назначение оконечного каскада - обеспечить заданную мощность сигнала в
нагрузке. Поэтому оконечные каскады называют усилителями мощного
усиления или усилителями мощности (УМ).
20.1.	Классификация усилителей мощности
1.	По величине мощности в нагрузке:
-	малой мощности - до 0,3 Вт;
-	средней мощности - до 3 Вт;
-	большой мощности - более 3 Вт.
2.	По типу усилительного элемента:
-	на биполярных транзисторах;
-	на полевых транзисторах;
-	на электронных лампах.
3.	По виду входного сигнала:
-	с одним входом (однофазное возбуждение);
-	с двумя входами (двухфазное возбуждение).
4.	По схемному решению:
-	однотактные;
-	двухтактные.
20.2.	Требования к усилителям мощности. Параметры и особенности
усилителей мощности
На долю усилителя мощности приходится основная часть потребляемой
энергии, этот каскад определяет экономичность всего устройства. Поэтому
первое требование к усилителям мощности - высокий КПД.
Для обеспечения высокого КПД усилители мощности обычно работают в
экономичном режиме В (или АВ).
Второе требование к усилителям мощности - получение максимальной
мощности в нагрузке. Для выполнения этого требования необходимо
согласовать выходное сопротивление усилителя мощности с нагрузкой.
Транзистор, включенный с ОЭ, имеет достаточно высокое выходное
сопротивление (десятки кОм), а нагрузка чаще всего низкоомная
150
(единицы...десятки Ом). Поэтому на выходе усилителя мощности включается
трансформатор, который не только согласует выходное сопротивление
усилителя с нагрузкой по величине, но и несимметричный выход усилителя
согласует с симметричной нагрузкой. Такой способ согласования используется в
линейных усилителях многоканальных систем передачи, в
радиотрансляционных усилителях. Усилители, использующие в качестве
выходного устройства трансформаторы, называются трансформаторными
каскадами.
Второй способ согласования с низкоомной нагрузкой - включение
усилительного элемента с общим коллектором (биполярный транзистор) или
общим стоком (полевой транзистор), то есть в режиме повторителя напряжения.
Такие усилители мощности получили название бестрансформаторные
каскады.
Так как выделяемая усилительным элементом энергия достаточна велика,
он может перегреться и выйти из строя, Чтобы этого не произошло транзисторы
оконечного каскада устанавливают на радиаторы, которые увеличивают
рассеиваемое транзистором тепло.
Третье требование к усилителям мощности — уменьшение нелинейных
искажений.
Для достижения первых двух требований - большой выходной мощности и
высокого КПД используется большая часть характеристик усилительного
элемента, включая нелинейные участки. А это приводит к возникновению
нелинейных искажений. Таким образом, требование максимальной выходной
мощности противоречит требованию минимальных нелинейных искажений. При
выборе и расчете схемы усилителя мощности требуется найти оптимальный
режим работы, чтобы удовлетворить этим требованиям. Поэтому при расчете
оконечных каскадов пользуются графо-аналитическим методом, который дает
возможность с достаточной степенью точности оценить нелинейные искажения.
И, наконец, четвертое требование - минимальные частотные и
фазовые искажения. Эта проблема решается так же, как и в КПУ.
Рис. 20.1. Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности
151
Каскад работает в режиме А, то есть ток через транзистор протекает в
течение всего периода сигнала. Использование режима В невозможно из-за
возникновения недопустимых нелинейных искажений.
Элементы схемы: R^ , R^, R3, С3, выполняют те же функции, что и в
резистивном каскаде.
Тр - трансформатор, нагрузка усилительного элемента; служит для
согласования выходного сопротивления транзис тора с нагрузкой каскада RH.
Напряжение усиленного сигнала с выхода транзистора подается в
первичную обмотку, во вторичную обмотку включается нагрузка каскада и
всего усилителя (динамик, громкоговоритель, линия, телефон и т.д.).
Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции.
Одним из параметров транзистора является коэффициент трансформации:
VI
где: N1 - число витков первичной обмотки;
N2 - число витков вторичной обмотки.
Если n > 1, трансформатор повышающий; при n < 1 - понижающий. В
соответствии с величиной коэффициента п трансформатор может изменять ток,
напряжение и сопротивление:
-	напряжение во вторичной обмотке U2 = n U\;
-	ток во вторичной обмотке 1г =	;
п
-	сопротивление переменному току со стороны первичной обмотки
Rbx~
и
-	сопротивление переменному току со стороны вторичной обмотки
Квых= n2-RreH
Использование трансформатора приводит к увеличению частотных и
нелинейных искажений, повышает чувствительность к внешним помехам.
Кроме того, трансформатор плохо поддается миниатюризации и сложен в
исполнении. Потому трансформаторный каскад имеет большие габариты, вес,
стоимость и искажения по сравнению с резистивным.
Для анализа работы трансформаторного каскада по переменному току
рассмотрим его эквивалентную схему (рис. 20.2).
152
Рис. 20.2. Упрощенная эквивалентная схема трансформаторного каскада
В этой схеме:
Ег Rr - ЭДС и внутреннее сопротивление генератора, эквивалентного
транзистору;
r	l - сопротивление первичной обмотки трансформатора;
г	2 - сопротивление вторичной обмотки трансформатора;
L	1 - индуктивность первичной обмотки трансформатора;
Ls - индуктивность рассеяния.
В области средних частот реактивные элементы не влияют на
величину коэффициента усиления.
В области низких частот уменьшается индуктивное сопротивление
первичной обмотай трансформатора, поэтому уменьшается полное
сопротивление нагрузки, выходное напряжение иВых и коэффициент
усиления в области низких частот.
Таким образом, частотные искажения в области низких частот
вносит первичная обмотка трансформатора, оказывая шунтирующее
действие на нагрузку каскада Иц. Для уменьшения частотных искажений
следует увеличить индуктивность L1, что приведет к увеличению размеров
трансформатора и всего каскада.
В области высоких частот увеличивается сопротивление
индуктивности рассеяния Ls, поэтому' уменьшается выходной ток, выходное
напряжение и коэффициент усиления каскада в области высоких частот.
Таким образом, частотные искажения в области высоких частот
вносит индуктивность рассеяния. Чтобы уменьшить частотные искажения
следует уменьшить индуктивность рассеяния Ls- Для этого следует плотно
наматывать обмотки и уменьшать толщину бумаги между слоями обмотки,
что усложняет и удорожает трансформатор.
20.4.	Двухтактный трансформаторный каскад
Чтобы КПД оконечного каскада был высоким, он должен работать в
режиме В. В однотактных каскадах, когда ток через усилительный элемент
протекает в течение всего периода сигнала, недопустимо использование
153
больших нелинейных искажений. Эту проблему можно решить, используя
двухтактный каскад, который содержит два усилительных элемента,
образующих вместе с другими элементами схемы два плеча. Нагрузка обоих
плеч общая. Схему называют двухтактной, потому что она работает в два такта
(два полупериода): в первый такт работает первое плечо, во второй такт -
второе. Поэтому, несмотря на то, что каждый усилительный элемент работает с
углом отсечки 90°, ток в нагрузке будет протекать непрерывно, то есть в
нагрузке восстанавливается первоначальная форма сигнала.
Главное достоинство двухтактной схемы — высокий КПД при низких
нелинейных искажениях.
Кроме того, двухтактная схема позволяет скомпенсировать четные
гармоники, постоянный ток подмагничивания сердечника трансформатора,
помехи и шумы. Однако эти достоинства в полной мере проявляются в
симметричной схеме, в которой показатели работы обоих плеч одинаковы.
Схема двухтактного трансформаторного каскада (рис.20.3) имеет два
входа, на которые подаются одинаковые по амплитуде, но противоположные по
фазе сигналы, то есть схема имеет симметричный вход. Элементы; VT1, Ид,,
&Д2> Срь половина первичной обмотки трансформатора L1/2 составляют первое
плечо схемы. Элементы: VT2, Яд/, Ид/, Ср2, Lzl/2 - второе плечо схемы. Общие
элементы: источник питания Е, R3, вторичная обмотка трансформатора L2.
Транзисторы VT1 и VT2 структуры р-п-р, открываются отрицательным
потенциалом на базе. В первый полупериод (первый такт) открывается VT2 и
работает второе плечо, во второй полупериод (второй такт) открывается VT1 и
работает первое плечо.
Рассмотрим протекание в схеме постоянной (1ко) и переменной (1кп>)
составляющих выходного коллекторного тока. На рис.20.3 эти токи обозначены
стрелками. Постоянные составляющие коллекторного тока обоих плеч Ikoi и 1К(И
через резистор цепи ООС R3 протекают в одну сторону, увеличивая глубину
ООС и улучшая стабилизацию режима работы VT1 и
VT2. В первичной обмотке трансформатора 1к<ц и 1К02 протекают встречно и
взаимно компенсируются. Поэтому подмагничивание сердечника практически
не возникает, что уменьшает нелинейные искажения. Переменные
составляющие коллекторного тока Ijcmi и Ij<m2 протекают по резистору R3
встречно, но они противофазны и взаимно компенсируются. Поэтому ООС по
переменной составляющей не возникает, и нет необходимости в блокировочном
конденсаторе. То же можно сказать и о протекании Ij<mi и 1кт2 через источник
питания Е. Поэтому требования к развязывающим фильтрам ослаблены. Во
вторичной обмотке четные гармоники сигнала компенсируются, а нечетные
складываются.
Достоинства каскада мы уже рассмотрели. Недостатки каскада: большие
габариты, вес, стоимость, линейные искажения.
154
Рис. 20.3. Схема двухтактного трансформаторного каскада
20.5.	Двухтактные бестрансформаторные каскады
В настоящее время широкое применение получили
бестрансформаторные усилители мощности, так как они имеют малые
габариты, вес, стоимость, искажения. Однако эти каскады не могут
обеспечить такую выходную мощность, как трансформаторные каскады. Это
вызвано тем, что для согласования с нагрузкой каскад должен иметь низкое
выходное сопротивление, что обеспечивается включением усилительного
элемента в режиме повторителя. Если каскад собран на биполярных
транзисторах, то транзисторы включаются по схеме с ОК. В схеме
бестрансформаторного каскада можно использовать транзисторы одинаковой
структуры (рис. 20.4) и разной (рис. 20.5).
Двухтактный бестрансформаторный каскад на транзисторах
одинаковой структуры
Рис. 20.4. Схема двухтактного бестрансформаторного каскада на
транзисторах одинаковой структуры
155
На входы каскада подаются равные по амплитуде, но противоположные
по фазе сигналы, то есть схема имеет симметричный вход. Транзистор
верхнего плеча VT1 включен по схеме с ОК, а транзистор нижнего плеча
VT2 - по схеме с ОЭ. Включение VT1 с ОК необходимо для согласования с
низкоомной нагрузкой.
Каскад работает в режиме В (или АВ) и имеет все достоинства
двухтактного каскада. На каждый транзистор подается питание Е/2.
Конденсатор Ср выполняет две функции. Во-первых, он не пропускает
постоянный ток в нагрузку. Во-вторых, является источником питания для
транзистора VT2 в тот полупериод, когда VT1 закрыт («вольт-добавка»).
Цепи подачи смещения в схеме не показаны, так как обычно смещение на
базы транзисторов VT1 и VT2 подается с выходных цепей предыдущего
каскада.
Рассмотрим работу схемы. В первый полупериод открывается
транзистор VT2, и нижнее плечо схемы усиливает сигнал; во второй
полупериод открывается транзистор VT1, и работает верхнее плечо схемы.
Таким образом, по постоянному току VT1 и VT2 включены последовательно,
а по переменному - параллельно. Через нагрузку Rh переменные
составляющие коллекторного тока 1кт1 и 1кт2 протекают встречно, но в
разных фазах и в разные полупериоды. Поэтому в нагрузке
восстанавливается форма первоначального сигнала.
К недостаткам каскада следует отнести наличие двух входов, на
которые требуется подавать противофазные сигналы. Поэтому на входе
такой схемы необходимо включать дополнительный фазоинверсный каскад.
Кроме того, для обеспечения достаточного питания транзистора VT2
требуется конденсатор Ср большой емкости, а значит и больших размеров,
что приводит к увеличению габаритов схемы.
Двухтактный бестрансформаторный каскад на комплементарных
транзисторах
Рис. 20.5. Схема двухтактного бестрансформаторного каскада на
комплементарных транзисторах
156
Схема на комплементарных транзисторах свободна от недостатков схемы
бестрансформаторного каскада на транзисторах одинаковой структуры.
Комплементарные транзисторы - транзисторы разной структуры, но
имеющие одинаковые параметры.
Схема имеет один вход (несимметричный). Транзистор VT1 структуры р-п-
р открывается отрицательной полярностью входного сигнала и усиливает
отрицательную полуволну, а транзистор VT2 структуры п-р-n открывается
положительной полярностью и усиливает положительную полуволну. Таким
образом, по переменному току транзисторы VT1 и VT2 включены параллельно.
Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с ОК, то есть оба плеча являются
эмиттерными повторителями. Поэтому схема обладает низким выходным
сопротивлением и согласуется с низкоомной нагрузкой. Через нагрузку Rh
постоянные токи 1к0] и 1К02 протекают встречно и взаимно компенсируются.
Поэтому в схеме не требуется разделительный конденсатор. Переменные
составляющие коллекторного тока 1кт1 и 1кт2 через нагрузку RH протекают
встречно, но в разных фазах и в разные полупериоды. Поэтому в нагрузке
восстанавливается первоначальный сигнал.
Очевидным недостатком схемы является необходимость в двух
источниках питания или в источнике со средней точкой.
20.6.	Предоконечные фазоинверсные каскады
Двухтактные оконечные каскады на транзисторах одинаковой структуры
имеют симметричный вход (базы транзисторов), а каскады предварительного
усиления, как правило, несимметричный выход. Для согласования КПУ и
двухтактного КМУ используются специальные предоконечные каскады.
Предоконечные каскады должны обеспечить на выходе два сигнала, одинаковые
по амплитуде и противоположные по фазе. Схемы, которые преобразуют
однофазное напряжение в двухфазное, получили название фазоинверсные.
Фазоинверсный трансформаторный каскад
В качестве фазоинверсного каскада можно использовать однотактный
трансформаторный каскад (рис. 20.6). Назначение элементов, токопрохож-
дение, достоинства и недостатки схемы мы уже рассматривали. Элементом,
который обеспечивает фазоинверсный выходной сигнал, является
трансформатор. Если заземлить среднюю точку вторичной обмотки
трансформатора, то на выводах вторичной обмотки можно получить два
одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе сигнала. Из-за больших
гаоаритов, массы и искажений такие каскады используются нечасто.
157
Рис. 20.6. Схема фазоинверсного трансформаторного предоконечного
каскада
Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой
Среди предоконечных каскадов большее распространение получили
каскады с разделенной нагрузкой и с эмиттерной связью. Фазоинверсный
каскад с разделенной нагрузкой имеет простую недорогую схему с малыми
нелинейными, частотными и фазовыми искажениями, так как в схеме
действует глубокая отрицательная обратная связь (рис. 20.7).
Рис. 20.7. Схема предоконечного фазоинверсного каскада с разделенной
нагрузкой
В приведенной схеме используется свойство транзистора менять фазу
входного сигнала, если он включен с ОЭ, и сохранять фазу сигнала в схеме с
ОК. Резистор Rk является коллекторной нагрузкой транзистора VT; резистор
Ra - эмиттерной нагрузкой. Поэтому транзистор VT оказывается
158
включенным как но схеме с ОЭ, так и по схеме с ОК. Резистор Ro является
также элементом отрицательной ОС, которая стабилизирует режим работы
транзистора. По способу введения ОС - последовательная, по способу снятия
- комбинированная.
Напряжение UBbIXI противоположно по фазе входному напряжению, а
напряжение UBblX2 совпадает по фазе с UBX.
Недостаток схемы - невысокая мощность выходного сигнала.
Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью дает больший
коэффициент усиления, чем каскад с разделенной нагрузкой, уменьшает
нелинейные искажения. Однако так как в этой схеме используются два
транзистора, получается асимметрия схемы.
Если в оконечном каскаде используются комплементарные
транзисторы, необходимость в фазоинверсных каскадах отпадает.
Основные выводы
1.	Оконечные каскады обычно являются усилителями мощности.
2.	Требования, предъявляемые к оконечным каскадам: высокая выходная
мощность, высокий КЦЦ, низкие нелинейные искажения, низкое
выходное сопротивление, малые частотные искажения.
3.	Усилители мощности могут быть построены как по однотактной, так и
по двухтактной схемам.
4.	Двухтактная схема позволяет использовать экономичный режим В,
обеспечивающий высокий КПД. Двухтактный каскад имеет два плеча,
два усилительных элемента, работающих поочередно.
5.	Для согласования с низкоомной нагрузкой применяются
трансформаторы или включение транзисторов по схеме с ОК, в режиме
эмиттерного повторителя; КМУ строятся но схемам трансформаторных
и бестрансформаторных каскадов.
6.	Трансформаторные оконечные каскады обеспечивают высокую
выходную мощность, но имеют большие искажения, размеры и массу.
7.	Бестрансформаторные каскады имеют малые габариты, вес, искажения,
но невысокий коэффициент усиления.
8.	Для согласования несимметричного выхода КПУ и симметричного входа
оконечного каскада используются предоконечные фазоипверсные
каскады.
9.	Предоконечные фазоинверсные каскады выполняются по схеме: один
вход и два выхода. На выходах каскада обеспечиваются два одинаковых
по амплитуде и противоположных по фазе сигнала.
10.	Для усилителей с выходной мощностью, превышающей 25 Вт,
используется трансформаторный фазоинверсный каскад.
11.	Для усилителей малой мощности применяется фазоинверсный каскад с
разделенной нагрузкой.
159
Контрольные вопросы
1.	Укажите назначение и основные требования к оконечным каскадам.
2.	Почему оконечные каскады называют усилителями мощности?
3.	Как достигается согласование выходного сопротивления оконечного
каскада с нагрузкой?
4.	Как достигается повышение КПД в оконечном каскаде?
5.	Дайте полное название трансформаторного двухтактного каскада.
6.	Дайте сравнительную характеристику трансформаторного и
бестрансформаторного оконечных каскадов.
7.	Перечислите преимущества каскада на комплементарных транзисторах.
8.	Укажите назначение разделительного конденсатора в схеме оконечного
каскада на транзисторах одинаковой структуры.
9.	В каких случаях возникает необходимость в фазоинверсных
предоконечных каскадах?
10.	Поясните принцип работы фазоинверсного каскада с разделенной
нагрузкой.
11.	В каких случаях используется трансформаторный фазоинверсный
каскад?
ГЛАВА 21. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
21.1.	Усилители постоянного тока (УНТ)
Назначение усилителей постоянного тока — усиление сигналов, медленно
изменяющихся во времени, с том числе и постоянного тока. Нижняя
граничная частота УПТ равна нулю (fH = 0). По принципу действия и по
схемному исполнению УПТ подразделяются на УПТ прямого усиления и
УПТ с преобразованием сигнала.
Усилители постоянного тока прямого усиления
УПТ прямого усиления получили более широкое распространение. Они
выполняются на основе резистивных каскадов с использованием
гальванических межкаскадных связей. Так как в такой схеме нет
конденсаторов, трансформаторов, катушек индуктивности, полоса
пропускания усилителя со стороны низких частот не ограничена.
Гальванические связи могут быть построены на диодах, резисторах,
стабилитронах или использоваться непосредственная связь.
На рис. 21.1. приведены амплитудно-частотная и амплитудная
характеристики усилителя постоянного тока, которые соответствуют
требованиям, предъявляемым к УПТ.
160
Рис. 21.1. АЧХ и АХ усилителя постоянного тока
Амплитудно-частотная характеристика УПТ показывает, что в области
низких частот частотные искажения не возникают. Чтобы не было
переполюсовки выходного сигнала, амплитудная характеристика УПТ
должна проходить через начало координат.
Рис. 21.2. Схема грсхкаскадного усилителя постоянного тока
При разработке УПТ возникает проблема согласования режимов работы
предыдущего и последующего каскадов. Эта проблема связана с тем , что в
многокаскадных УПТ на вход следующего каскада поступает не только
полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения с выхода
предыдущего каскада. Таким образом, постоянная составляющая
накапливается от каскада к каскаду, что может привести к нарушению
работы транзистора последующего каскада, в крайнем случае, он может не
открыться. Поэтому встает задача скомпенсировать постоянную
составляющую. Необходимо добиться, чтобы при нулевом входном
161
напряжении, напряжение на выходе было равно нулю. Тогда амплитудная
характеристика УПТ будет соответствовать предъявляемым требованиям
(рис21.1). Для этого на входе и выходе схемы включают делители
напряжения Rl, R2 (на входе) и R3,R4 ( на выходе), которые компенсируют
постоянную составляющую.
Сигнал с выхода (коллектора) транзистора предыдущего каскада
подается на вход (базу) транзистора следующего каскада. Необходимо
согласовать высокий потенциал коллектора с относительно низким
потенциалом базы. Это достигается тем, что падение напряжения на
резисторе в эмиттерной цепи R3 следующего каскада больше, чем в
предыдущем, то есть Ur33 > J Ur32 > Ursi- Для этого сопротивление
резистора R33 должно быть больше сопротивления Кэ2, а сопротивление R32
больше сопротивления R31: R3f < R32 < Дэз - Резистор R3 является элементом
цепи отрицательной ОС. Чем больше сопротивление резистора в цепи ОС,
тем больше падение напряжения на нем и тем глубже будет ОС. Значит
глубина обратной связи в каждом следующем каскаде больше, чем в
предыдущем: АЗ >А2 >А1. Таким образом, в третьем каскаде самая глубокая
обратная связь, а значит самый низкий коэффициент усиления: КЗ < К2 < К1.
В четвертом каскаде коэффициент усиления может получиться меньше
единицы, и его наличие в УПТ нецелесообразно. Поэтому число каскадов в
УПТ ограничено (не более трех каскадов).
Недостатками такой схемы являются ограниченный коэффициент
усиления, отсутствие общего провода и помеха «дрейф нуля».
Остановимся на последнем недостатке подробнее.
Пусть с помощью компенсирующих делителей удалось добиться
требуемой амплитудной характеристики, то есть при отсутствии сигнала на
входе усилителя его выходной сигнал равен нулю. В процессе работы
усилителя под действием различных дестабилизирующих факторов
(изменение напряжения низания, нагревание транзистора, старение
элементов и разброс их параметров и т.д.) через некоторое время напряжение
на выходе станет изменяться и нарастать (рис. 21.3). Это явление и получило
название помеха «дрейф нуля».
Рис. 21.3. Помеха «дрейф нуля» УПТ
162
Помеха «дрейф нуля» ограничивает чувствительность усилителя, то есть
минимальный усиливаемый сигнал. Для снижения этой помехи применяют
ряд мер: прогревают аппаратуру до начала работы, стабилизируют источник
питания, подбирают элементы схемы и т.д. Однако все эти меры
недостаточно эффективны, они лишь уменьшают уровень помехи. Самым
эффективным методом, практически подавляющим «дрейф нуля» является
применение балансных схем. Среди балансных схем наибольшее
распространение получили дифференциальные усилители.
Усилители постоянного тока с преобразованием сигнала
В УПТ с преобразованием, напряжение медленно изменяющегося
сигнала преобразуется в переменное напряжение, амплитуда которого
изменяется пропорционально изменениям входного сигнала (модуляция
входного сигнала). Включенный на выходе УПТ детектор (выпрямитель)
осуществляет обратное преобразование сигнала. На выходе детектора
получается усиленный низкочастотный входной сигнал. УПТ с
преобразованием имеет ряд преимуществ: малый «дрейф нуля» и высокую
чувствительность, высокую стабильность режима работы, простоту
регулировки, отсутствие гальванической связи между входом и выходом
схемы.
Недостаток УПТ с преобразованием - сложность схемы и се высокая
стоимость. Этот недостаток весьма существенен и, несмотря на все
преимущества, УПТ с преобразованием сигнала используется редко.
21.2.	Дифференциальные усилители (ДУ)
Дифференциальный усилитель включается на входе схемы усилителя
постоянного тока для подавления помехи «дрейф нуля». Схема
дифференциального усилителя (рис. 21.4) имеет два входа (базы
транзисторов VT1 и VT2) и два выхода (коллекторы транзисторов VT1 и
VT2). Схема усилителя реагирует на разность входных сигналов, поэтому
усилитель получил название «дифференциальный» (different — разность). Так
как входной сигнал подается между базами транзисторов, а нагрузка
включается между коллекторами, то дифференциальный усилитель называют
схемой с симметричным входом и симметричным выходом.
В этой схеме RKI - нагрузка транзистора VT1, Rkj - нагрузка транзистора
VT2. Делители Р.Д1, В.Д2 и Rz дь R/ Д2 - цепи подачи смещения на базы VT1 и
VT2. Элемент цепи ООС R3 - общий для левого и правого плеч схемы.
Правое плечо схемы является зеркальным отображением левого плеча. Для
эффективной работы схемы эти плечи должны быть строго симметричны.
п
163
Рис. 21.4. Схема дифференциального усилителя
Принцип действия дифференциального усилителя основан на свойстве
равновесия моста. Поэтому его эквивалентной схемой является балансный
, мост (рис.21.5). Элементы эквивалентной схемы:
Rvti сопротивление генератора, эквивалентного транзистору VT1;
Rvt2 -сопротивление генератора, эквивалентного транзистору VT2;
RK । нагрузка транзистора VT1;
Rkz - нагрузка транзистора VT2;
RH - нагрузка дифференциального усилителя.
Рис. 21.5. Эквивалентная схема дифференциального усилителя
Мост имеет два плеча: левое плечо - элементы RVTa и RKI; правое плечо
- элементы RVt2 и Rkz- Нагрузка усилителя Rh включена в диагональ моста 2-
2'. Причины, вызывающие помеху «дрейф нуля» (нестабильность
напряжения питания, нагревание транзисторов, старение элементов), будут
действовать на оба плеча моста одинаково. Поэтому потенциалы в т. А и в
т.В будут меняться, но одинаково и всегда останутся равны друг Другу.
Известно, что между точками с равными потенциалами ток не протекает,
поэтому ток в нагрузке RH не течет. Таким образом, в дифференциальном
усилителе помеха «дрейф нуля» не возникает.
Рассмотрим, как реагирует дифференциальный усилитель на сигналы,
поступающие на его вход в одной фазе (синфазные сигналы) и в
противоположных фазах (противофазные сигналы).
164
Пусть на входах усилителя действуют синфазные сигналы, то есть:
Ubxi = UbX2
На коллекторе транзистора VT1 появится напряжение Uki= KI'Ubxi, на
коллекторе VT2 - напряжение Ukj = K2'Ubx2, где К1 и К2 коэффициенты
усиления левого и правого плеча дифференциального усилителя. Если в
схеме достигнута симметрия плеч, то KI = К2. Напряжение в нагрузке
усилителя Rfp
Un = UK1 - UK2 = K1*Ubxi - K2-UBx2 = О
Таким образом, дифференциальный усилитель подавляет синфазные
сигналы.
По резистору цепи ООС R3 коллекторные токи обоих плеч протекают в
одну сторону, поэтому глубина ООС значительно увеличивается. Так как по
способу введения ООС является последовательной, то увеличивается
входное сопротивление усилителя RBX ду-
Пусть на входах усилителя действуют противофазные сигналы, то есть:
Ubxi = - Ubxs
Напряжение в нагрузке усилителя RH;
Uh= UKi - UK2 = KI’Ubxi - K2(- Ubxz) ~ Kl-UBXi + K2-UBX2= 2KUbx
Таким образом, дифференциальный усилитель усиливает
противофазные сигналы с двойным усилением.
По резистору цепи ООС R-, коллекторные токи обоих плеч протекают
встречно, и глубина ООС резко снижается.
Очевидно, что подавление синфазного сигнала будет тем сильнее, чем
глубже ООС. Помеха «дрейф нуля» и любая другая помеха воздействуют
синфазно на входы дифференциального усилителя. Поэтому, увеличив
глубину ООС, можно сделать работу дифференциального усилителя более
эффективной. В схеме, приведенной на рис. 21.5, увеличение глубины ООС
достигается увеличением сопротивления R3. Это приводит к большим
потерям тока питания, так как постоянные составляющие коллекторных
токов обоих транзисторов протекают через R-j Поэтому в цепь ООС следует
включить устройство, которое имеет малое сопротивление постоянному току
и большое сопротивление переменному току. Такое устройство обеспечивает
малые потери тока питания и увеличивает глубину ООС.
На рис. 21.6 приведена схема дифференциального усилителя, в цепи
ООС которого включен генератор стабильного тока (ГСТ). ГСТ иногда
называют электронным резистором. Генератор стабильного тока собран на
транзисторах VT3 и VT4 и резисторах R1 и R2. Главным элементом ГСТ
является транзистор ЛИЗ, который имеет, высокое сопротивление
переменному току (десятки кОм) и относительно низкое сопротивление
постоянному току (сотни Ом):
Rovt « R~VT •
В этом легко убедиться, рассмотрев выходные статические
характеристики транзистора. Транзистор VT4 включен в режиме диода и
165
вместе с резисторами R1 и R2 служит для задания и стабилизации режима
работы транзистора VT3.
Увеличение глубины последовательной ООС не только увеличивает
подавление синфазного сигнала, но и повышает входное сопротивление
дифференциального усилителя.
Рис. 21.6. Схема дифференциального усилителя с ГСТ
21.3.	Схемотехнические решения при построении схемы
дифференциального усилителя
Анализ работы дифференциального усилителя показал, что схема
усилителя имеет высокое входное сопротивление и обладает способностью
практически полностью подавлять синфазный входной сигнал. Этими
свойствами в большей степени обладает дифференциальный усилитель с ГСТ
в цепи ООС. Можно еще больше повысить входное сопротивление каскада н
одновременно увеличить его коэффициент усиления. Для этого используются
составные транзисторы.
Составными транзисторами называются транзисторы, непосред-
ственно включенные между собой. Обычно в составном транзисторе
выходной электрод одного транзистора совмещен с входным электродом
второго. Составной транзистор имеет три вывода и рассматривается как
единый транзистор, обладающий едиными электрическими параметрами.
Составные транзисторы используются с любой схемой включения: с ОЭ, ОК,
ОБ, и различными сочетаниями этих схем у обоих транзисторов. Самой
распространенной схемой составного транзистора является схема, когда
эмиттер одного транзистора включен в базу второго (рис.21.7). В такой схеме
у транзистора VT1 входным электродом является база, выходным - эмиттер,
следовательно, транзистор VT1 включен по схеме о ОК. Транзистор VT2
может быть включен как по схеме с ОЭ (нагрузка в Цепи коллектора) -
166
составной транзистор ОК-ОЭ, так и по схеме с ОК (нагрузка в цепи эмиттера)
- составной транзистор ОК ОК.
Составной транзистор ОК-ОЭ
Входной электрод - база VT1,
выходной электрод - коллектор VT2.
Составной транзистор ОК-ОК
Входной электрод - база VT1.
выходной электрод - эмиттер V2.
Рис. 21.7. Схемы составного транзистора
Проведем анализ этих схем по коэффициенту передачи тока и входному
сопротивлению.
Коэффициент передачи тока в обеих схемах определяется одинаково,
Ток эмиттера транзистора VT1 является током базы транзистора VT2, то
есть:
1б2~ (1 + ^2131 )"1б1
Суммарный ток коллектора VT2;
1к2 =	+ ^2/Э2‘1б2 = Лг/Э/'^Б! + (1 + h2I3l )'1ы'^21Э2
— 1б1(^2/э/+ h?i32+ hn3i h2I3)
Таким образом, коэффициент передачи тока составного транзистора:
h2i — h2i3i+ h2i32+ h2i3i‘h2i3
Для типового транзистора Ъ2гэ - 100. Тогда:
h2t = 100 + 100 + 100-100 = 10200
Таким образом, составной транзистор имеет очень высокий
коэффициент передачи тока (на два порядка выше, чем одиночного).
Входное сопротивление в обеих схемах определяется одинаково:
Rbx - Л//- Ьцэ + (1 + h2/3 )'hn3
167
Для типового транзистора кцЭ -1к0м и й2/Э = 100. Тогда:
Rrx — Л/z= 1+ (1+ 100)-1 = 102кОм
Таким образом, составной транзистор имеет очень высокое входное
сопротивление (на два порядка выше, чем одиночного).
Достаточно часто используется схема составного транзистора по схеме
ОЭ-ОБ (рис. 21.8).
Входной электрод - база VT2; выходной электрод - коллектор VT1.
Рис. 21.8. Схема составного транзистора ОЭ-ОБ
В этой схеме транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ, транзистор VT1-
по схеме с ОБ. Для питания транзисторов используется схема
последовательного питания, поэтому через оба транзистора протекают
практически одинаковые токи, то есть: 1К1= 1Э2 = 1э1. Транзистор VT1
выполняет роль коллекторной нагрузки и является источником тока с
высоким дифференциальным сопротивлением - сопротивлением
переменному току. Такую нагрузку транзистора называют динамической
нагрузкой.
Применение динамической нагрузки обеспечивает высокий коэффициент
усиления по напряжению, высокий КПД и низкие потери тока питания.
Построим схему дифференциального усилителя, используя
рассмотренные схемные конфигурации.
168
Рис. 21.9. Схема дифференциального усилителя на составных
транзисторах с динамическими нагрузками и ГСТ в цепи ООС
В приведенной схеме основными транзисторами дифференциального
усилителя являются транзисторы VT3 и VT7; транзисторы VT1 и VT8
увеличивают входное сопротивление усилителя и коэффициент передачи
тока; транзисторы VT2 и VT6 — динамические нагрузки транзисторов VT3 и
VT7 - увеличивают коэффициент передачи по напряжению без увеличения
потерь тока питания; транзистор VT5 - генератор стабильного тока -
повышает подавление синфазного сигнала, помехи «дрейф нуля».
Недостатком схемы можно считать необходимость строгой ее
симметрии. При построении схемы на дискретных элементах достичь
требуемой симметрии очень трудно. Поэтому обычно схемы
дифференциальных усилителей существуют в интегральном исполнении.
Основные выводы
1.	Усилители постоянного тока усиливают сигнал в диапазоне от 0 Гц.
2.	Число каскадов УПТ не превышает трех, что приводит к ограничению
коэффициента усиления.
3.	Основным недостатком УПТ является наличие помехи «дрейф нуля».
4.	Для устранения помехи «дрейф нуля» на входе УПТ включается
дифференциальный усилитель.
5.	Дифференциальный усилитель - симметричная схрма, имеющая два
входа и два выхода.
6.	Дифференциальный усилитель работает по принципу балансного моста.
169
7.	Для увеличения входного сопротивления и коэффициента передачи тока
в схеме дифференциального усилителя использую гея составные
транзисторы по схеме ОК-ОЭ.
8.	Для увеличения коэффициента передачи напряжения используются
динамические нагрузки - составные транзисторы по схеме ОЭ-ОБ.
9.	Для повышения подавления синфазных помех (в том числе и помехи
«дрейф нуля») с цепь ООС дифференциального усилителя включается
генератор стабильного тока.
Контрольные вопросы
1.	Какие требования предъявляются к усилителю постоянного тока?
2.	Какие межкаскадные связи используются в усилителе постоянного тока?
3.	Поясните, каким образом высокий потенциал коллектора транзистора
согласуется с низким потенциалом базы транзистора следующего
каскада.
4.	Перечислите достоинства и недостатки усилителя постоянного тока.
5.	Поясните причины появления помехи «дрейф нуля».
6.	Укажите самый эффективный способ уменьшения помехи «дрейф нуля».
7.	Поясните принцип работы дифференциального усилителя.
8.	Укажите достоинства дифференциального усилителя.
9.	Как можно усовершенствовать схему дифференциального усилителя?
ГЛАВА 22. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
На современном этапе развития электроники при проектировании
электронной аппаратуры используют нс дискретные элементы (транзисторы,
диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.), а законченные функциональные
узлы, выполненные в виде интегральных схем. Мы уже говорили об этих
электронных приборах (в главе 11) и в частности о том, что интегральные
схемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Наиболее
распространенной аналоговой схемой является операционный усилитель
(ОУ).
Операционный усилитель — унифицированный многокаскадный
усилитель с очень высокими качественными показателями.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде
отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более
сложных интегральных схем. Такая популярность ОУ обусловлена его
параметрами.
Свое название «операционный» он получил за то, что изначально был
спроектирован и использован в вычислительных устройствах (аналоговых
компьютерах) для выполнения математических операций (сложения,
вычитания, умножения, деления и т.д.). Однако ОУ является
многофункциональным схемотехническим решением и имеет множество
170
самых разнообразных применений, является основой аналоговой
схемотехники.
Первый интегральный операционный усилитель спроектировал
американский инженер Роберт Видлар в 1963г. Кодовое название первого ОУ
- цА 702. Стоил этот ОУ 300$ и использовался только в военных целях. В
1965г. Видлар спроектировал более совершенный и доступный по цене ОУ.
Современные ОУ стоят несколько центов, выпускаются крупными партиями
и имеют различное корпусное оформление (рис. 22.1).
Отечественным аналогом микросхемы цА 702 является операционный
усилитель К140УД1. В нашей стране массовый выпуск ОУ начался в 70-х
годах XX века.
Рис. 22.1. Корпусные оформления ОУ
22.1.	Параметры операционного усилителя
Параметры операционного усилителя стремятся к параметрам
идеального усилителя.
Коэффициент усиления К при отсутствии внешней обратной связи
превышает 107.
Входное сопротивление Rtx очень высокое, достигает сотен МОм (108
Ом).
Выходное сопротивление Квых низкое, составляет единицы Ом.
Диапазон рабочих частот (ДРЧ) очень широкий, от 0 до тысяч МГц.
Напряжение смещения нуля	составляет доли мВ (10 3.. ,.10"6В).
Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) превышает 120
дБ (104....106раз).
Быстродействие операционного усилителя очень высокое (скорость
изменения выходного сигнала 1 О^В/мкс).
Напряжение шума составляет единицы. ..десятки мкВ.
171
На практике операционный усилитель используется с глубокой внешней
ООС. Поэтому параметры устройства определяются параметрами цепи ОС.
Применение ООС уменьшает вероятность самовозбуждения усилителя,
увеличивает его входное сопротивление, уменьшает выходное
сопротивление, уменьшает все искажения и шумы. Коэффициент усиления
ОУ столь высок, что обычно в схемах глубина ОС выбирается, исходя из
необходимой величины коэффициента усиления.
На схемах операционный усилитель может обозначаться и
треугольником, и прямоугольником (рис. 22.1).
Вход 1
Уцх 2

Рис. 22.1. Условно-графическое обозначение операционного усилителя
Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Вход со знаком
« - » называется инвертирующим, то есть при подаче сигнала на этот вход,
на выходе ОУ полярность сигнала меняется на противоположную. Вход со
знаком « + » называется неинвертирующим; если сигнал подать на этот
вход, на выходе ОУ его полярность не меняется. На боковых сторонах
треугольника и прямоугольника показаны выводы для подачи питания. Эти
выводы не всегда указываются в схемах. Вывод нулевого потенциала
источника питания непосредственно к ОУ обычно не подключается; он
является общей точкой схемы. Поэтому часто вместо двухполярного
используется однополярное питание, что существенно упрощает схему.
Общая точка в этом случае совмещается с отрицательной шиной питания.
Типовое значение напряжение питания ОУ: 1,5.... 15В.
22.2.	Структурная схема операционного усилителя
Рис. 22.2. Структурная схема операционного усилителя
172
Операционный усилитель является усилителем постоянного тока,
поэтому нс может содержать более трех усилительных каскадов. Один каскад
в структурной схеме операционного усилителя (ССУ) не является
усилителем.
Входным каскадом операционного усилителя является
дифференциальный усилитель (ДУ). Его задача подавить помеху «дрейф
нуля» и всякую другую синфазную помеху и обеспечить высокое входное
сопротивление ОУ.
Второй каскад операционного усилителя - усилитель напряжения
(УН). Он должен обеспечить основное усиление ОУ по напряжению и
осуществить переход схемы с симметричного входа на несимметричный
выход. Усилитель напряжения выполняется по схеме полудифкаскада.
Так как в схеме усилителя постоянного тока «накапливается»
постоянный потенциал, который может нарушить режим работы
транзисторов, то для нормальной работы схемы этот потенциал необходимо
скомпенсировать. Эту задачу выполняет схема сдвига уровня (ССУ). Схема
сдвига уровня выполняется по схеме делителя напряжения.
Выходным каскадом операционного усилителя является усилитель
мощности (УМ). Для согласования с низкоомной нагрузкой усилитель
мощности выполняется по схеме однотактного или двухтактного
эмиттерного повторителя.
Рассмотрим схемное построение узлов операционного усилителя. Схема
входного дифференциального усилителя рассмотрена в главе 21. Следует
отметить, что для увеличения входного сопротивления операционного
усилителя схему ДУ можно построить на полевых транзисторах.
22.3.	Схема усилителя напряжения
В качестве усилителя напряжения используется схема полу
дифференциального усилителя, имеющая два входа и один выход (рис. 22.3).
В этой схеме транзистор VT2 включен одновременно и по схеме с ОЭ, и по
схеме с ОБ: с выхода ДУ VT2 управляется по базе, то есть, включен по схеме
с ОЭ, а с выхода VT1 по эмиттеру, то есть, включен по схеме с ОБ. Такое
включение VT2 обеспечивает высокий коэффициент усиления по
напряжению - до 106. В эмиттерной цепи (цепи ООС) может быть включен
резистор R-ь но обычно включается тот же ГСТ, что и в цепи ООС входного
дифференциального усилителя. Выходной сигнал снимается с нагрузки
транзистора VT2 RK2 и подаегся в схему сдвига уровня.
173
Рис. 22.3. Схема простейшего усилителя напряжения
22.4.	Схема сдвига уровня
Назначение схемы - компенсация постоянной составляющей на выходе
предыдущего каскада. В то же время эта схема должна передать в оконечный
каскад переменный сигнал без ослабления.
Схема построена как делитель напряжения. Верхнее плечо должно иметь
максимальное сопротивление постоянному току, чтобы коэффициент
передачи постоянной составляющей стремился к нулю. Сопротивление
переменному току верхнего плеча делителя должно быть минимальным,
чтобы коэффициент передачи переменной составляющей стремился к
единице. Такой схемой может служить эмиттерный повторитель с
генератором стабильного тока в качестве нагрузки. Известно, что
коэффициент передачи переменной составляющей эмиттерного повторителя
близок к единице.
Рис. 22.4. Схема сдвига уровня
174
В схеме на рис. 22.4 эмиттерный повторитель собран на транзисторе
VT2 - верхнее плечо делителя. Нижнее плечо делителя - генератор
стабильного тока, собранный на транзисторе VT3 и резисторе R4. Генератор
стабильного тока на VT3 является нагрузкой эмиттерного повторителя,
который создает стабильный выходной ток. Резисторы RI, R2 и транзистор
VT1, работающий в диодном режиме, задают и стабилизируют режим работы
транзистора VT3. Постоянная составляющая падает на верхнем плече
делителя, и на выходе она практически равна нулю. Переменная
составляющая падает на нижнем плече, и вся поступает в оконечный каскад.
Чтобы уменьшить выходное сопротивление генератора стабильного тока, на
выходе схемы ставят эмиттерный повторитель.
22.5.	Принципиальная схема операционного усилителя
Операционный усилитель 140УД1 является простейшей схемой ОУ.
Принцип построения более сложных операционных усилителей остается тем
же, хотя каждая следующая разработка имеет улучшенные параметры за счет
совершенствования схемы.
В схеме операционного усилителя 140УД1 дифференциальный
усилитель собран на транзисторах VT1 и VT2, в цепи ООС включен ГСТ на
транзисторе VT9. Схема усилителя напряжения собрана на транзисторах VT3
и VT4, в цепи ООС тот же ГСТ на транзисторе VT9. Схема сдвига уровня -
эмиттерный повторитель на VT5, нагрузкой которого является ГСТ на
транзисторе VT7. Выходной каскад - эмиттерный повторитель на VT6.
Рис. 22.5. Принципиальная схема операционного усилителя 140УД1
175
Для защиты от самовозбуждения в схемах операционных усилителей
используются корректирующие цепи, представляющие собой частотно-
зависимые цепи ООС. Эти цепи могут быть как внутренними, так и
внешними. Параметры элементов внешних цепей ООС выбираются в
зависимости от коэффициента усиления операционного усилителя в
проектируемой схеме и обычно задаются в справочниках. Наличие внешних
корректирующих цепей отрицательно сказывается на некоторых параметрах
усилителя (полоса пропускания, быстродействие, коэффициент усиления и
т.д.). Поэтому более совершенные схемы операционных усилителей
выполняются без необходимости использования внешних корректирующих
цепей. В схеме рассмотренного операционного усилителя 140УД1 общий
вывод («земля») фиксированный - вывод 4. В усовершенствованных
операционных усилителях «земля» плавающая, что позволяет избавиться от
двухполюсного питания ОУ и упростить схему.
На рис. 22.6 приведена схема более совершенного операционного
усилителя К544УД1, построенного по двухкаскадиой схеме ДУ-УМ.
Входной каскад ОУ выполняет функции дифференциального усилителя
и усилителя напряжения и построен на полевых транзисторах VT2 и VT5 с
динамическими нагрузками на биполярных транзисторах VT1 и VT4. В цепи
ООС включен генератор стабильного тока на транзисторе VT6.
Рис. 22.6. Принципиальная схема операционного усилителя К544УД1
176
Выходной каскад состоит из усилителя напряжения на транзисторе VT8
и двухтактного усилителя мощности на комплементарных транзисторах
VT10 и VT11. Транзистор VT8 включен с ОЭ и охвачен последовательной
ООС но тюку через резистор R6. Транзистор VT9- динамическая на1рузка
VT8, повышает его коэффициент усиления по напряжению. Для улучшения
частотных свойств выходного каскада включена частотно-зависимая ООС
через конденсатор Скорр. Диоды VD1 и VD2 создают режим работы АВ в
двухтактном выходном каскаде.
22.6.	Функциональные узлы на базе операционного усилителя
Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и
понятнее, чем построение схем на дискретных элементах (транзисторах,
резисторах, конденсаторах и т. д.). При проектировании схем ОУ обычно
принимают как идеальный усилитель. В соответствии с требованиями,
предъявляемыми к конкретной схеме, ОУ делятся на группы по
совокупности параметров.
1 .Операционные усилители общего применения используется для
построения узлов аппаратуры, имеющих погрешность на уровне 1 %:
характеризуются относительно малой точностью и средним уровнем
параметров. Такими ОУ являются К140УД1, К140УД8, К140УД22,
К153УД1, К157УД4, К1401УД6, К533УД1.
1.	Мощные и высоковольтные ОУ имеют выходные каскады,
построенные иа мощных высоковольтный элементах, например
К157УД1, К1040УД2. Они имеют выходной ток, превышающий 100
мА и выходное напряжение больше 15 В.
2.	Прецизионные (высоковольтные) ОУ используются для усиления
малых электрических сигналов при высоком уровне помех (например,
в измерительной технике). Они характеризуются малым значением
напряжения смещения, большим коэффициентом усиления, высоким
подавлением синфазного сигнала, высоким входным сопротивлением,
низким уровнем шума. В качестве прецизионных ОУ используются:
К140УД21, К140УД25, К140УД26.
3.	Операционные усилители с малым входным током имеют входной
каскад на полевых транзисторах; входной ток таких ОУ не превышает
100 пА. Это ОУ: К140УД24, К544УД1, К1409УД1, К1429УД1.
4.	Микромощные ОУ используются, когда ограничено потребление
тока (например, в переносных приборах). К таким ОУ относятся:
К140УД14, К140УД28, К153УД4.
Инвертирующий усилитель
От источника сигнала напряжение Ugx через резистор Rbx подается на
инвертирующий вход операционного усилителя (рис. 22.7). В цепи ООС
177
включен резистор Roc, через который напряжение с выхода операционного
усилителя подается на его вход. В схеме действует параллельная ООС по
напряжению, которая понижает входное и выходное сопротивления
усилителя. Неинвертирующий (прямой) вход заземляется (рис. 22.7).
Рис. 22.7. Схема инвертирующего усилителя на ОУ
Так как входное сопротивление операционного усилителя очень велико,
то потенциалы па обоих входах практически одинаковые, то есть, равны
потенциалу «земли» - нулю. Поэтому падение напряжения на резисторе R1 —
Ubx, на резисторе Roc — Увых- Из-за большого входного сопротивления
операционного усилителя ток по входной цепи схемы практически не
проходит, поэтому 1вх = 1ос.
Входное напряжение схемы: Ubx — 'пх RI-
Выходное напряжение: Ubhx= ' loc Roc-
Коэффициент усиления схемы по инвертирующему входу:
ПЫХ __ ~~	' Кус _
U вх	Iих ' Квх
Таким образом, для расчета коэффициента усиления усилителя на ОУ ие
требуется знать параметры схемы операционного усилителя. Знак «-»
означает, что фаза выходного напряжения противоположна фазе входного
напряжения. Для согласования с источником сигнала сопротивление
резистора Rbx выбирается равным сопротивлению источника сигнала R„r.
Сопротивление резистора Roc выбирается в соответствии с требуемым
коэффициентом усиления.
Неиявертирующиб усилитель
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход схемы
операционного усилителя. В схеме действует последовательная ООС по
напряжению, которая повышаег входное и понижает выходное
сопротивление усилителя. В цепь ООС включен резистор Roc (рис. 22.8).
178
Рис. 22.8. Схема неинвергирующего усилителя на ОУ
Коэффициент передачи цепи ОС:
R — ^НХ1
При глубокой ООС: К
Следовательно, коэффициент усиления схемы по неинвертирующему
входу:
К(+)= ^ц±^£_=1 + ^с=:1 + К(_)
Rnxi	Кнх
Величина сопротивления RBX2 выбирается равной Rbxi-
Если необходимо предусмотреть развязку с предыдущим каскадом по
постоянному току, на входе ОУ включается разделительный конденсатор С1
и резистор R3 между входом и общим проводом (рис. 22.9).
Рис. 22.9. Схема неинвертирующего ОУ с разделительной RC - цепью
Если возникает необходимость в регулировке коэффициента усиления в
процессе настройки или эксплуатации схемы, то можно воспользоваться
переменным резистором, включенным на входе ОУ (рис. 22.10).
179
Рис. 22.10. Схема инвертирующего ОУ с регулировкой усиления
В данной схеме Rl = R2. Значение сопротивления R3 меняется в
широких пределах. Коэффициент усиления схемы определяется по формуле:
К = 2R3 - 1 .
Повторитель напряжения
Повторитель напряжения на операционном усилителе - это
операционный усилитель, охваченный стопроцентной отрицательной
обратной связью по напряжению и имеющий свойства эмиттерного (или
истокового) повторителя (рис. 22.11). Коэффициент усиления по напряжению
в такой схеме К ~ 1, выходное напряжение соответствует входному по
амплитуде и фазе: Ubhx Ugx-
Рис. 22.11. Схема повторителя напряжения на ОУ
Сумматор
Сумматор служит для сложения нескольких сигналов. В качестве
сумматора используется инвертирующий или иеиивертирующий усилитель.
Напряжения, которые требуется просуммировать, подаются на один вход
операционного усилителя. Второй вход заземляется (рис. 22.12).
180
foe ,’^QC,
У.Х.1
Рис. 22.12. Схема инвертирующего сумматора двух сигналов на ОУ
В идеальном операционном усилителе разность входных токов равна
нулю. Входные токи сумматора:
1вХ2 —	Iqc = Ibxi + 1вх2
Выходное напряжение сумматора:
Сигналы в сумматоре можно складывать с разными масштабными
коэффициентами, которые определяются сопротивлением соответствующего
входного резистора. Например, можно сложить напряжение Ubxi и 1/3
напряжения Ugx2- Тогда выбираются сопротивления резисторов:
Roc = Rbx? Rbx2 = 3‘Rbxi
Если суммарный сигнал усиливать не требуется и сигналы складываются
с одинаковыми масштабными коэффициентами, то:
Rbxi- Rbx2= Roc
Тогда выходное напряжение:
Увых = " (Ubxi+ ЦвХ?)
Вычитающий усилитель
Операционный усилитель по определению является вычитающим
усилителем, так как на его входе включен дифференциальный усилитель,
который усиливает разность входных сигналов. Сигналы подаются на два
входа усилителя через резисторы R, и R', (рис. 22.13).
181
Рис. 22.13. Схема вычитающего усилителя на ОУ
Если не требуется усилить разность напряжений, то:
Ri— R'j— R2
Исходя из логики работы операционного усилителя:
Ufibixi = - Ui	Чвыхг — ^2
Напряжение на выходе операционного усилителя:
Ubwx = U2- Ui -
Если требуется усилить разность входных напряжений, то выбирается
сопротивление R2 в соответствии с заданным коэффициентом усиления.
Коэффициент усиления схемы;
К=^.
R,
Выходное напряжение:
ивых^Сиг-иг).
В одной схеме можно совместить два действия - сложения и вычитания.
Интегратор
Интегратором называется устройство, выходной сигнал которого
пропорционален интегралу во времени от его входного сигнала.
Рис. 22.14. Схема интегратора на ОУ
182
Схема, приведенная на рис. 22.14 является схемой инвертирующего
усилителя, в цепь обратной связи которого включен конденсатор С.
Для идеального операционного усилителя:
Ubxi - Ubx: И Ibxi - 1вх2 - О
Поэтому:
UbX- Ur
и UBbIX - Ur
Ток, протекающий через конденсатор, и напряжение на нем связаны
следующим соотношением:
Uc -
Выходное напряжение интегратора:
Ubmx — ~ (^в.га
*
Знак «-» показывает свойство схемы изменять фазу входного
напряжения на 180°. Чтобы обеспечить высокое быстродействие схемы и
малые токи утечки, следует использовать высококачественный
операционный усилитель и качественные конденсаторы. Электролитические
конденсаторы не используются.
Дифферен циатор
Если в схеме поменять местами конденсатор и резистор, то получится
схема дифференциатора (рис. 22.15).
Кос
Рис. 22.15. Схема дифференциатора на ОУ
Работа дифференциатора рассматривается так же, как работа
интегратора, то есть: Ubx = Uc	и	О вых = *с «ос
Напряжение на выходе дифференциатора:
ивых= - ^ос С
at
183
Так как сопротивление конденсатора зависит от частоты, коэффициент
усиления операционного усилителя в диапазоне частот будет изменяться -
уменьшаться в области высоких частот. Поэтому схема дифференциатора
чувствительна к высокочастотным помехам и может работать неустойчиво.
Для устранения этих недостатков в схему вводят дополнительные элементы
(рис. 22.16).
Рис. 22.16. Улучшенная схема дифференциатора на ОУ
Резистор R1 имеет невысокое сопротивление (десятки Ом) и снижает
коэффициент усиления схемы, чем повышает устойчивость ее работы.
Конденсатор Сое вместе с резистором Rqc выравнивают частотную
характеристику дифференциатора.
Компаратор
Компаратор - устройство, сравнивающее входное напряжение с
опорным (рис. 22.17). Результат сравнения компаратор выдает в цифровом
виде — 0 или 1. Когда разност ь входных напряжений положительна, на
выходе компаратора высокий уровень напряжения - логическая единица.
Если эта разность отрицательна, на выходе схемы низкое напряжение -
логический ноль. Разность входных напряжений - это разность между
напряжениями на инвертирующем и на неинвертирующем входах
операционного усилителя.
Рис. 22.17. Схема компаратора на ОУ
184
Ограничитель уровня
Ограничитель уровня не дает увеличиваться входному напряжению
выше определенного значения, если входное напряжение продолжает
увеличиваться. Практически выходное напряжение операционного усилителя
всегда меньше напряжения питания, которое на него подается. Ограничено
выходное напряжение и коэффициентом усиления схемы.

Т
Рис. 22.18. Схема ограничителя уровня на ОУ
В схеме, приведенной на рис. 22.18, выходное напряжение ограничено
напряжением пробоя стабилитронов VD1 и VD2. До тех пор, пока выходное
напряжение операционного усилителя меньше напряжения пробоя,
коэффициент передачи схемы равен коэффициенту передачи операционного
усилителя. При превышении напряжения пробоя коэффициент передачи
резко падает и стремится к единице, а выходное напряжение фиксируется на
уровне напряжения пробоя.
Активные фильтры на ОУ
Активным называется фильтр, который помимо фильтрации сигнала
осуществляет его усиление. Схема активного фильтра содержит активные
(ОУ) и пассивные (резисторы, конденсаторы) элементы. Активные фильтры
достаточно просты в настройке, не содержат индуктивностей, имеют малые
габариты и вес.
Активные фильтры различаются по назначению:
-	фильтры нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы от f = 0 до
частоты среза fm
-	фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы от f^p 00 !
-	полосовые фильтры (ПФ), пропускающие сигналы в диапазоне от fl
до 12;
-	режекторные фильтры (РФ), не пропускающие сигнал в диапазоне от
fl до f2.
По с корости спада А ЧХ:
-	первого порядка - со скоростью спада 20 дБ на декаду;
-	второго порядка - со скоростью спада 40 дБ на декаду;
-	третьего порядка - со скоростью спада 60 дБ на декаду.
185
(Декада - увеличение частоты в 10 раз).
Порядок фильтра характеризуется количеством звеньев. На каждый
порядок фильтра приходится одно звено.
По виду характеристик:
-	аппроксимируется полиномом Чебышева;
-	аппроксимируется полиномом Баттерворта;
-	аппроксимируется полиномом Бесселя.
На рис. 20.19 приведена простейшая схема фильтра нижних частот
первого порядка, на рис. 20.20 - схема фильтра верхних частот первого
порядка.
Фильтры нижних и верхних частот
Рис. 22.19. Схема активного ФНЧ первого порядка
Пассивное звено RC определяет частоту среза, операционный усилитель
усиливает полосу частот, которую пропускает цепь RC.
Рис. 22.20. Схема активного ФВЧ первого порядка
Полоса пропускания определяется элементами Rl, Cl, R2.
Сопротивление резистора R2 выбирают в 2,5 раза больше, чем
сопротивление резистора R1.
Если крутизна фильтра недостаточна, выбирается схема фильтра второго
порядка. Схема ФНЧ второго порядка приведена на рис. 22.21. Схема ФВЧ
второго порядка приведена на рис. 22.22.
186
Рис. 22.21. Схема активного ФНЧ второго порядка
Рис. 22.22. Схема активного ФВЧ второго порядка
Обычно, в схеме выбираются следующие соотношения элементов:
RI = R2	С1=С2
Частота среза рассчитывается по формуле:
4лЯС2
Полосовой фильтр
Такой фильтр выделяет определенную полосу частот из всего спектра.
Схема фильтра приведена на рис. 22.23.
Рис. 22.23. Схема полосового фильтра
187
Резкекторный фильтр
Режекторный фильтр называют фильтр - пробка, потому что его
назначение ослабить определенную полосу частот или выбранную частоту
(рис. 22.24).
Рис. 22.24. Схема режекторного фильтра
Обычно выбираются значения элементов:
R3 = R4 = R	Cl - С2 С
Частота, которую ослабляет фильтр, рассчитывается по формуле:
2,тЛС‘
При построении таких фильтров очень важна точность номиналов, так
как она определяет степень подавления выбранной частоты. Для ослабления
промышленной частоты 50Гц выбираются номиналы схемы:
R1=R2=10kOm R3 = R4 = 68kOm С1=С2 = 47пФ
Мы рассмотрели достаточное количество схем, построенных на
операционных усилителях, однако, исчерпать все применения ОУ
практически невозможно. Перечислим лишь некоторые: выпрямители
повышенной точности, стабилизаторы напряжения и тока, аналоговые
вычислители, генераторы сигналов, аналого-цифровые и цифро-аналоговые
преобразователи....
Но это уже темы других предметов, которые Вы будете изучать на
старших курсах.

1.	Операционный усилитель - самая применяемая аналоговая интегральная
схема.
2.	Операционный усилитель - многокаскадный многофункциональный
интегральный усилитель постоянного тока.
188
3.	Операционный усилитель содержит четыре каскада, три усилительные -
дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и усилитель
мощности, четвертый каскад - схема сдвига уровня. Возможно
построение ОУ по двухкаскадной схеме: (ДУ + УН) и УМ.
4.	Операционный усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления,
очень высокое входное сопротивление, очень низкое выходное
сопротивление, очень низкие искажения и шумы.
5.	На базе операционного усилителя легко собрать и рассчитать
разнообразные схемы: инвертирующий и неинвертирующий усилители,
сумматор, вычитающий усилитель, активные фильтры разного
назначения и сложности, интегратор, компаратор, елраиичигель уровня и
Другие.
Контрольные вопросы
1.	Поясните назначение каскадов операционного усилителя.
2.	Укажите порядок величин параметров операционного усилителя.
3.	Поясните принцип построения и работы усилителя напряжения.
4.	Поясните принцип построения и работы схемы сдвига уровня.
5.	Почему цепь ОС всегда подключается к инвертирующему входу ОУ?
6.	Чем отличаются схемы инвертирующего и неинвертирующего
усилителей?
7.	Поясните работу сумматора.
8.	На каком свойстве ОУ основана работа вычитающего усилителя.
9.	Поясните принцип работы компаратора и ограничителя уровня.
10.	Перечислите достоинства активных фильтров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вот и закончилось наше путешествие в страну «Электроника». Оно,
конечно, было непростым. Но любое путешествие требует немалых
физических, интеллектуальных и эмоциональных затрат. Надеюсь, что
путешествие не прошло для Вас зря, и Вы обогатили себя новыми знаниями
и впечатлениями. Давайте кратко повторим основные этапы.
Мы побывали с Вами в двух провинциях страны «Электроника»:
«Электронные приборы» и «Электронные усилители», в разных городах этих
провинций. Города первой провинции - это «Диоды», «Биполярные
транзисторы», «Полевые транзисторы», «Тиристоры», «Интегральные
схемы», «Оптоэлектронные приборы», «Приборы отображения
информации». Городом с самой древней и замечательной историей является
город «Электронно-вакуумные приборы», а самым молодым и бурно
развивающимся - «Интегральные схемы», В этом городе появилась и требует
отделения новая земля - «Наноэлектроника».
189
Познакомившись с «Диодами», мы узнали, что самым используемым
диодом является выпрямительный, который пропускает ток только в одну
сторону и используется для преобразования переменного тока в постоянный.
Чтобы сохранить напряжение постоянным, используют стабилитрон.
Варикап может изменять свою емкость, если на него подавать разное
напряжение. А туннельный диод может использоваться как усилитель,
генератор, переключатель. Но усиливает он слабовато.
Усилительные элементы — это транзисторы: биполярный и полевой. У
биполярного транзистора три вывода - эмиттер, база, коллектор - и три
схемы включения - с ОЭ, с ОК, с ОБ. Самая замечательная схема - схема с
ОЭ, потому что она усиливает ток и напряжение, и поэтому имеет самый
большой коэффициент усиления по мощности. Усиливать биполярный
транзистор может только тогда, когда его эмиттерный переход открыт, а
коллекторный закрыт. Полевой транзистор тоже очень неплохо справляется с
задачей усиления сигнала и даже имеет преимущества перед биполярным -
большое входное сопротивление и маленькие шумы. Но он капризный
товарищ: легко пробивается от электростатического напряжения.
Тиристоры работают в ключевом режиме в цепях большой мощности.
Тринистор в отличие от динистора позволяет управлять напряжением
включения.
Приборы, позволяющие преобразовать световую энергию в
электрическую, называются фотоприемниками. Самый популярный из них -
фотодиод. Он может сам быть источником энергии. Тогда его называют -
фотоэлемент. Приборы, преобразующие электрическую энергию в световую,
называются фотоизлучателями. Очень популярен светодиод, но более
мощное и направленное излучение обеспечивает лазерный диод.
Приборы отображения информации — это наши старые добрые друзья
электронно-лучевые трубки, более молодые - полупроводниковые
индикаторы и, наконец, самые юные и совершенные —
жидкокристаллические индикаторы и экраны, и, конечно же, плазменные
дисплейные панели и экраны.
Вторая провинция - «Электронные усилители». Там обитают
разнообразные схемы. Мы сначала познакомились со структурной схемой
усилителя и его качественными показателями, а потом рассмотрели каждый
из каскадов этой структурной схемы. Мы узнали, почему каскады
называются резистивными, трансформаторными и бестрансформаторными;
изучили принцип их работы; выяснили, какую роль в деле усиления
выполняет каждый элемент схемы.
В самом конце путешествия мы познакомились с азами схемной
композиции, позволяющей усовершенствовать электронные схемы.
Чтобы лучше узнать страну, принято возвращаться в нее вновь и вновь.
Путешествуйте по стране «Электронике», она того стоит!
В нугешествиях принято вести путевые журналы — Вы писали конспект,
заполняли рабочую тетрадь. Еще принято, приехав из путешествия,
поделиться своими впечатлениями. Наиболее талантливые путешественники
190
издают путевые записки. Среди студентов нашего колледжа тоже нашлись
такие. Познакомьтесь с некоторыми из них. Написаны они п разнообразных
жанрах и повествуют о работе разных усилительных каскадов.
Свои впечатления о работе резистивного каскада предварительного
усиления студентка заочного отделения Долматова Юлия написала в
стихотворной форме.
Каскады разные бывают.
Об этом все студенты знают.
Состав имеет он простой.
А как работает? Постой!
Каскад имеет элемент
Для усиленья «перемен».
Он сам работать не умеет,
Питанье он всегда имеет.
Смещенье тоже нужно здесь.
И два резистора здесь есть.
Делитель это называют,
На базу ток он поставляет,
Чтобы транзистор был готов
Принять сигнал из разных слов.
На вход приходит к нам сигнал,
На конденсатор он попал,
И конденсатор разделяет:
Ток переменный пропускает,
А постоянному запрет.
Ему в каскаде места нет.
Сигнал приходит к нам на базу.
Транзистор приоткрылся сразу,
И ток в нагрузку к нам потек
Через резистор наутек.
И на коллекторе сигнал
На сотню раз сильнее стал!
Эмиттер тоже нужен здесь.
И у него резистор есть.
Резистор этот (так бывает)
191
Нам усиленье уменьшает.
Чтобы на выходе сигнал
Без ослабленья к нам попал,
Тут конденсатор рядом с ним.
За усиленьем мы следим!
Сигнал растет, и так бывает
В динамик даже попадает.
И что тогда творится здесь!
На дискотеке это есть.
Совсем в другом стиле описал работу эмиттерного повторителя
студент заочного отделения Захаров Александр. Этот жанр можно назвать
политический памфлет.
Сенсация! Слушайте новости от нашего электронного
обозревателя!
Здравствуйте, доройте друзья!
В рамках выпуска последних известий, мы предлагаем Вам прослушать
новости электронного мира. Основные события дня: в Транзисторной
республике произошел государственный переворот. Диктатор Биполярно
Общеэмиттериый был снят с поста президента и выслан за пределы страны.
Надо отметить, что, несмотря на определенные успехи, этот политический
деятель обладал рядом недостатков. В частности, высокие инвестиции,
которые поступали в страну из соседних государств, он не вкладывал в
экономику страны, так как обладал низким сопротивлением соблазну
принять их в личных целях. В политике экспорта он также не смог добиться
успеха, потому что сильно сопротивлялся возможности внешней торговли.
Вновь избранный народом президент Бнполярий Общеколлекторный в
своем первом интервью заявил следующее.
Я не могу обещать, что экономика нашего государства достигнет
высоких показателей, однако основные недостатки своего предшественника я
уже усгранил. Без ложной скромности могу заявить, что у меня достаточно
совести и всем корыстным соблазнам я сопротивляюсь достаточно сильно.
Также мы открыты теперь и для внешней торговли, и сопротивляться этому
я не намерен.
Вы спросите, кто помогает мне в работе? Охотно назову своих
помощников. Чтобы поддерживать мои силы, задавать, так сказать, рабочий
тон, есть у меня два ближайших сотрудника - братья Резисторы из
известной династии Делителей. Однако, основной мой коллега, моя совесть
это господин Эмиттерный Резистор. Он и за внешнюю торговлю отвечает
- выделяет из нашей экономики экспортный товар, и во мне не дает злым
помыслам развиться — отрицательную связь всем негативным явлениям
192
задает. На все 100 %! Еще в помощниках моих числятся два брата --
Конденсаторы Разделительные. Они на границах нашего государства
служат - врагов Постоянных на вход не пускают.
Так что работа наша уже налажена неплохо. И сотрудничать мы сможем
с любым, кто того пожелает, даже с Биполярием Общеэмиттерным.
Согласно со всеми работать будем. На благо всему электронному миру!
По-другому увидели резистивный каскад студенты дневного
отделения Давыдова Ольга и Федин Михаил.
Сейчас мы рассмотрим каскад усилительный,
Его называют еще предварительный.
Рассмотрим мы схему каскада с резистором,
С общим эмиттером на биполярном транзисторе.
Всего понемногу имеет каскад.
Рассмотрим его элементы. Итак!
Во-первых, имеет делитель каскад,
А также Сф и Ср - без них ну ни как!
Ср - конденсатор, причем разделительный,
Не пустит иа вход никаких постоянных он.
Имеет каскад элемент ООС,
Который работу стабилизирует весь.
Имеет развязывающий фильтр каскад,
Устраняющий паразитную обратную связь.
А также имеет нагрузку в конце.
Вот вроде бы все рассказали вкратце.
Мы рассмотрели его элементы,
И теперь перейдем к более важным аспектам.
На счет КПД отвечаем мы твердо:
Ои низок. И точка. И это бесспорно.
Какой недостаток! Могло быть и хуже.
Теперь мы рассмотрим достоинства лучше.
Малы габариты, цена удивляет, а вес и подавно меня восхищает.
Конструкция схемы проста и понятна.
Полезен он. Точка! Мы видим наглядно.
Ну, в общем, могу я Вам точно сказать,
Такого каскада нигде не сыскать!
193
ЛИТЕРАТУРА
1	Иайсбурд Ф.И., Панаев Г .А., Савельев Б.Н. Электронные
приборы и усилители.- М/. Радио и связь, 1987.
2.	Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители.- М.:
Радио н связь, 1983.
3.	Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника,- М.: Высшая школа, 1989.
4.	Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники - М.:
Высшая школа, 1989.
5.	Ушаков В.Н. Электротехника и электроника.- М.: Радио и связь,
1997.
6.	Марчишин В.П. Основы схемотехники,- Новосибирск, 1998.
7.	Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых устройств.-
М.: Горячая линия - Телеком, 2001.
8.	Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и
цифровая электроника.- М.: Горячая линия — Телеком, 2002.
9.	Сиренький И.В., Рябинин В.В., Голощапов С.Н.. Электронная
техника.- Питер, 2006.
10.	Горюнов Н.Н.Полупроводниковые приборы. Справочник. М.:
Энергоатомиздат, 1987.
11.	Ушакова Л.В. Электронная техника. Учебное пособие. -// М„
УМЦ СПО 2000.
194
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................стр.	3
РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
...........................................................5
Глава 1. Электропроводность полупроводников................5
1.1. Электропроводность собственного полупроводника........5
1.2. Электропроводность примесного полупроводника..........  8
Глава!. Электронно-дырочный переход.......................10
2.1.	Равновесное состояние р-п перехода...................11
2.2.	Прямое включение р-п перехода........................12
2.3.	Обратное включение р-п перехода......................13
2.4.	Явление пробоя р-п перехода..........................14
2.5.	Вольт - амперная характеристика р-п перехода.........15
2.6.	Эквивалентная схема р-п перехода.....................16
2.7.	Несимметричный р-п переход...........................17
Глава 3. Электронная эмиссия. Явление фотоэффекта.........18
Контрольные вопросы...................................  19
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.............................20
Глава 4. Полупроводниковые диоды..........................20
4.1.	Выпрямительный диод. Разновидности выпрямительных
4.2.	диодов.................................................20
4.3.	Стабилитрон............................................25
4.4.	Варикап................................................27
4.5.	Туннельный диод........................................29
4.6.	Лавинно-пролетный диод.................................30
4.7.	Система обозначений диодов.............................31
Контрольные вопросы....................................32
Глава 5. Биполярные транзисторы...........................32
5.1.	Устройство и принцип действия. Режимы работы
транзистора..........................................32
5.2.	Схемы включения биполярного транзистора................36
Схема с общей базой....................................37
Схема с общим эмиттером................................38
Схема с общим коллектором..............................39
5.3.	Статические характеристики	биполярного транзистора....41
Статические характеристики в схеме с общей базой.......41
Статические характеристики	в схеме с общим эмиттером...42
5.4.	Параметры биполярного транзистора......................43
5.5.	Температурные свойства биполярного транзистора.........46
5.6.	Система обозначений транзистора........................46
Контрольные вопросы....................................48
Глава 6. Полевые транзисторы................................49
6.1.	Полевой транзистор с управляющим р-п переходом.........49
Устройство и принцип работы............................49
195
Статические характеристики..............................50
Схема включения.........................................50
6.2.	Полевые транзисторы с изолированным затвором............52
МДП-транзистор с встроенным каналом.....................52
Устройство и принцип работы.............................52
Статические характеристики..............................53
Схема включения.........................................54
МДП-транзистор с индуцированным каналом.................55
Устройство и принцип работы.............................55
Статические характеристики..............................56
Схема включения.........................................56
6.3.	Параметры полевых транзисторов..........................57
6.4.	Система обозначений полевых транзисторов................58
6.5.	Сравнительная характеристика биполярных и полевых
транзисторов.................................................58
Контрольные вопросы.....................................59
Глава 7. Тиристоры...........................................59
7.1.	Динистор..............................................  59
7.2.	Тринистор...............................................61
7.3.	Симметричные тиристоры..................................63
7.4.	Система обозначений тиристоров..........................64
Конт	рольные вопросы...................................65
Глава 8. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы...........65
8.1.	Полупроводниковые фотопреемники.........................66
Фоторезистор............................................66
Фотодиод................................................68
Разновидности фотодиодов................................70
Фотоэлемент.............................................71
Фототранзистор и фототиристор...........................71
8.2.	Полупроводниковые источники света.......................74
Светодиод...............................................74
Лазерный диод...........................................76
8.3.	Оптроны (оптопары)......................................77
8.4.	Система обозначений оптоэлектронных приборов............77
Контрольные вопросы .........................................79
Глава 9. Приборы отображения информации......................79
9.1.	Электронно-лучевые трубки...............................79
ЭЛТ с электростатическим управлением....................80
ЭЛТ с магнитным управлением.............................81
Система обозначений ЭЛТ.................................82
9.2.	Знаковые газоразрядные индикаторы.......................82
9.3.	Полупроводниковые индикаторы............................83
9.4.	Жидкокристаллические индикаторы.........................83
9.5.	Плазменная дисплейная панель............................84
Контрольные вопросы.....................................85
196
Глава 10. Электронно-вакуумные приборы....................85
10.1.	Ламповый диод.......................................85
10.2.	Триод...............................................86
10.3.	Тетрод..............................................89
10.4.	Пентод..............................................89
10.5.	Система обозначений электронных ламп................90
Контрольные вопросы..................................91
Глава 11. Интегральные схемы..............................91
11.1.	Классификация интегральных схем.....................92
11.2.	Формирование элементов ИС...........................93
11.3.	Нанотехнология......................................94
Нанотранзисторы......................................94
Углеродные нанотрубки................................95
11.4.	Система обозначений интегральных схем...............96
Контрольные вопросы..................................97
РАЗДЕЛ 3 АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА. ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСИЛИТЕЛИ.................................................97
Глава 12. Работа усилительного элемента с нагрузкой.......97
12.1.	Включение биполярного транзистора с нагрузкой.......97
12.2.	Уравнение нагрузочной прямой........................98
12.3.	Графический анализ работы транзистора..............100
12.4.	Принцип выбора рабочего режима транзистора.........101
Контрольные вопросы.................................102
Глава 13. Методы обеспечения режима работы транзистора...103
13.1.	Схема подачи смещения фиксированным током..........103
13.2.	Схема подачи смещения фиксированным напряжением....104
13.3.	Схема подачи смещения автоматического смещения.....105
13.4.	Стабилизация режима работы биполярного транзистора.106
Контрольные вопросы.................................108
Глава 14. Структурная схема и основные качественные показатели
усилителя................................................109
14.1.	Классификация усилителей...........................109
14.2.	Структурная схема усилителя....................... 109
14.3.	Качественные показателя усилителя...................111
14.4.	Искажения сигнала в усилителе .....................112
Контрольные вопросы.................................117
Глава 15. Обратная связь в усилителях..................  117
15.1.	Определения и параметры обратной связи.............117
15.2.	Классификация обратной связи.......................119
15.3.	Влияние обратной связи на показатели усилителя......121
Контрольные вопросы.................................125
Глава 16. Режимы работы усилительных каскадов...........125.
16.1.	Режим работы А.....................................125
16.2.	Режим работы В.....................................126
16.3.	Режимы работы АВ, С, D.............................127
197
Контрольные вопросы..................................128
С лава 17. Межкаскадные связи..............................129
17.1.	Гальваническая межкаскадная связь...................129
17.2.	Резистивно-емкостная межкаскадная связь.............131
17.3.	Трансформаторная межкаскадная связь.................131
17.4.	Оптронная межкаскадная связь....................... 132
17.5.	Распределение и расчет искажений многокаскадного усилителя .133
Контрольные вопросы..................................135
Глава 18. Каскады предварительного усиления...............136
18.1.	Резистивный каскад на биполярном транзисторе........136
18.2.	Особенности схемы резистивного каскада на полевом
транзисторе...............................................138
18.3.	Повторители напряжения..............................139
18.4.	Эквивалентная схема резистивного каскада ...........141
Контрольные вопросы..................................143
Глава 19. Широкополосные усилители........................143
19.1. Расширение ДРЧ с помощью корректирующих элементов...144
19.2. Расширение ДРЧ с помощью частотно-зависимой ООС.....146
Контрольные вопросы..................................148
Глава 20. Оконечные и предоконечные каскады...............149
20.1.	Классификация усилителей мощности...................149
20.2.	Требования к усилителям мощности. Параметры и особенности
усилителей мощности.......................................149
20.3.	Однотактный трансформаторный каскад.................150
20.4.	Двухтактный трансформаторный каскад.................152
20.5.	Двухтактные бестрансформаторные каскады.............154
Двухтактный бестрансформаторный каскад на транзисторах
одинаковой структуры.................................154
Двухтактный бестрансформаторный каскад на комплементарных
транзисторах.........................................155
20.6.	Предоконечные фазоинверсные каскады.................156
Фазоинверсный трансформаторный каскад................156
Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой.........157
Контрольные вопросы..................................158
Глава 21. Усилители постоянного тока.
Дифференциальные усилители................................159
21.1.	Усилители постоянного тока..........................159
УПТ прямого усиления.................................159
УПТ с преобразованием................................162
21.2.	Дифференциальные усилители..........................162
21.3.	Схемотехнические решения при построении схемы
дифференциального усилителя...............................165
Контрольные вопросы..................................169
Глава 22. Операционные усилители..........................169
22.1.	Параметры операционного усилителя...................170
198
22.2.	Структурная схема операционного усилителя.........171
22.3.	Схема усилителя напряжения........................172
22.4.	Схема сдвига уровня...............................173
22.5.	Принципиальная схема операционного усилителя......174
22.6.	Функциональные узлы на операционном усилителе.....176
Повторитель напряжения.............................179
Инвертирующий усилитель............................176
Неинвертируюший усилитель..........................177
Сумматор...........................................179
Вычитающий усилитель...............................180
Интегратор.........................................181
Дифференциатор.....................................182
Компаратор.........................................183
Ограничитель уровня................................184
Активные фильтры на ОУ.............................184
Контрольные вопросы................................188
Заключение..............................................188
Литература..............................................193
Содержание..............................................194
Составитель Л.В. Ушакова
Подписано в печать 16.07.08	Формат 60x84 1/16
Объем 12,4 п.л.	Тираж 3 000 экз.	Заказ 701