ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ, графические изображения и элементы многочисленных и разнообразных приборов и устройств электроники, автоматики, радио- и вычислительной техники. Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз и составляют то, чем занимается электроника. Электроника – один из крупных разделов электротехники, который часто рассматривают как отдельную область знаний. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.
Среди близко знакомых многим электронных систем – радиоприемники и телевизоры, стереофонические системы и видеомагнитофоны. В деловой сфере находит применение разнообразное электронное оборудование – от простых систем внутренней связи до мощных компьютеров для обработки информации. Государственные организации многих стран используют весьма сложное электронное оборудование для управления воздушным движением, сбора и обработки информации о погоде и стратегического планирования обороны. Фактически, электронные системы управления, измерения и обнаружения проникают во все уголки жизнедеятельности современного общества.
Одна из выдающихся характеристик электронных схем – гибкость их применения. Многие базовые схемы можно объединять многочисленными способами для выполнения, казалось бы, совершенно различных функций. Так, например, высококачественный усилитель может в одном случае использоваться для исследования электрических сигналов мозга, а в другом – при добавлении соответствующего датчика – для измерения напряжений нагруженной балки. В цифровой электронике простое базовое устройство памяти в одном случае может показывать, открывалась дверь или нет, а в другом – быть частью системы, подсчитывающей количество консервных банок, транспортируемых ленточным конвейером.
Электронные схемы обычно делят на два широких класса – аналоговой и цифровой электроники (некоторые схемы занимают промежуточную «серую» зону). Аналоговые электронные схемы – это те, в которых сигналы (токи или напряжения) непрерывны, и каждая их величина одинаково существенна. В цифровых схемах сигналы принимают лишь одно из двух значений; промежуточные значения не имеют отношения к функционированию цифровой схемы. Основная часть данной статьи посвящена рассмотрению фундаментальных схем аналоговой электроники; кроме того, описаны некоторые схемы цифровой электроники.
Здесь уместно кратко представить основные схемные характеристики транзистора – прибора, наиболее часто используемого в электронных схемах на компонентном уровне (подробнее о транзисторе см. ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ; ТРАНЗИСТОР). Такой более старый прибор, как электронная лампа, на смену которой пришел транзистор, сейчас используется только в качестве специализированных устройств, например телевизионных кинескопов, и в таких применениях, где требуются большие мощности на высоких частотах – в частности, в выходных каскадах вещательных передатчиков. См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ.
Характеристики транзистора.
Первая реализация транзистора (1948) возвестила начало эры электроники, в которой миниатюризация, эффективность и надежность приборов далеко превзошли ранее достигнутые пределы. Среди множества разработанных полупроводниковых приборов чаще других в современной микроэлектронике используются два: биполярный плоскостной транзистор (BJT) и полевой транзистор (FET, ПТ). По традиции, электронные приборы обычно классифицируют по числу выводов. У диода есть два вывода, а у триода (BJT и FET являются триодами) – три. Тетроды и пентоды имеют соответственно четыре и пять выводов.
Биполярный транзистор содержит в себе переходы между полупроводниковым материалом p-типа (где электрическая проводимость обеспечивается носителями положительного заряда, т.е. дырками) и полупроводниковым материалом n-типа (где проводимость осуществляется носителями отрицательного заряда – электронами). Металлургический переход между этими материалами – p-n-переход – образует прибор, получивший название диода с p-n-переходом. Все диоды дают на своих выводах характеристику типа показанной на рис. 1,б. На рис. 1,а представлены используемый на чертежах символ диода и испытательная схема, позволяющая снять его вольт-амперную характеристику.
У характеристики диода имеется область малого прироста сопротивления (крутая ветвь), в которой малое повышение приложенного напряжения дает большое увеличение тока через диод, но вместе с тем имеется также область большого прироста сопротивления, где диод пропускает малый ток независимо от поданного на него напряжения. Эти области называют соответственно областями прямого и обратного протекания тока. Типичные значения тока в диодах, не относящихся к категории мощных, могут составлять 10 мА в прямом и 0,1 мкА в обратном направлении. Если напряжение, приложенное в обратном направлении, сделать достаточно большим, может произойти пробой диода. Пробой этого типа, однако, может быть использован для создания диодного стабилизатора напряжения, известного под названием полупроводникового стабилитрона. Такие диоды выпускаются для широкого ряда номинальных напряжений, стабилизируемых пробоем.
Плоскостной диод, используемый для работы с более высокими мощностями, например для преобразования переменного тока в постоянный, обычно называют выпрямителем.
В принципе, биполярный транзистор представляет собой область полупроводникового материала p- или n-типа, которая образует переходы с областями полупроводникового материала, обладающего проводимостью противоположного типа. Таким образом, существуют биполярные транзисторы как n-p-n-, так и p-n-p-типа.
Для оптимизации рабочих характеристик транзистора используют различные структуры. Во всех случаях общую область называют базой, а переходы – переходом эмиттер-база (эмиттерный) и коллектор-база (коллекторный). Три внешних вывода имеют названия базового, эмиттерного и коллекторного и обозначаются соответственно b, e и c (рис. 2).
Электрические характеристики переходов эмиттер-база и коллектор-база, взятых по отдельности, такие же, как у диода; поэтому о транзисторе часто говорят, что это два диода, включенные «спина к спине». Для правильной работы транзистора напряжения смещения для него выбирают так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. На рис. 2 показаны напряжения смещения Ve и Vc и направления создаваемых ими токов. Обратите внимание, что p-n-переход имеет прямое смещение, когда p-область положительна по отношению к n-области.
Удобный способ представления вольт-амперных характеристик транзистора – использование графика с семейством кривых. Эти кривые могут быть полезны при проектировании схем для работы в режиме большого сигнала или, что чаще, для разработки малосигнальных моделей, которые затем можно совершенствовать методами схемотехники. При построении характеристик транзистора возможны несколько вариантов выбора абсциссы, ординаты и параметра. Один из вариантов приводит к семейству кривых для схемы включения с «общей базой» (рис. 3).
Кривые, представленные на рис. 3, хорошо иллюстрируют работу транзистора. Важно обратить внимание на следующие моменты. За исключением влияния напряжения коллектора, входные характеристики, показанные на рис. 3,а, по существу такие же, как у диода, имеющего смещение в прямом направлении; но это так лишь до достижения точки, где переход коллектор-база становится смещенным в обратном направлении. Выходные характеристики (рис. 3,б) показывают, что коллекторный ток только немного меньше эмиттерного и практически не зависит от коллекторного напряжения, когда переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Отметим, что выходные характеристики по существу такие же, как у обратно смещенного перехода, но сдвинуты на величину тока эмиттера. Тот факт, что изменение тока эмиттера не вызывает такого же изменения тока коллектора, показывает, что усиления здесь не получается. Однако, поскольку в качестве нагрузки можно использовать резистор с большим сопротивлением, транзистор в данной схеме может служить для передачи тока низкоомного источника на высокоомную нагрузку, обеспечивая тем самым значительное усиление мощности. Другие схемы включения транзисторов могут давать усиление тока и напряжения.
Транзистор, как уже говорилось, имеет три электрода. Выбор одного из электродов в качестве общего для входа, подключенного к источнику, и выхода на нагрузку дает в принципе шесть основных схем усилителей. Из них только три получили широкое распространение: схема с общей базой, эмиттером в качестве входа и коллектором в качестве выхода; схема с общим эмиттером, где база служит входом, а коллектор – выходом; схема с общим коллектором, где база служит входом, а эмиттер – выходом. Наиболее часто используют схему с общим эмиттером.
Описание процесса создания эквивалентных схемных моделей для усилителей рассмотренных конфигураций и получение математических выражений, дающих характеристики таких схем, выходят за рамки данной статьи. Результаты соответствующих расчетов можно кратко представить в следующем виде.
Усилитель с общей базой.
Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
Усилитель с общим коллектором.
Обладает наивысшим входным и наименьшим выходным сопротивлением. Усиление по напряжению, как правило, близко к единице. Коэффициент усиления по мощности обычно самый низкий, но коэффициент усиления по току самый высокий. Фаза сигнала не инвертируется. Используется главным образом как буферный усилитель. (Такой усилитель называют также эмиттерным повторителем.)
Усилитель с общим эмиттером.
Входное и выходное сопротивления этой конфигурации имеют промежуточные величины по сравнению с другими конфигурациями. Коэффициент усиления по напряжению почти такой же, как у схемы с общей базой, а коэффициент усиления по току почти столь же большой, как у схемы с общим коллектором; в результате данная конфигурация обычно дает наивысший коэффициент усиления по мощности. Фаза сигнала меняется на 180°.
Полевой транзистор (ПТ) играет столь же важную роль в качестве базового активного компонента электронных схем, как и биполярный. В этом транзисторе используются носители заряда только одного типа. Существует несколько вариантов полевых транзисторов; они различаются технологией изготовления и делятся на две группы: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник, или сокращенно МОП-транзисторы. У этих приборов есть некоторые общие характеристики. В отличие от плоскостных биполярных транзисторов, которые управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением, но, как и в биполярных, выходной ток у них по существу не зависит от выходного напряжения, когда оно превышает некоторый уровень. То, что ПТ управляется напряжением, означает, что ток на входе близок к нулю и, следовательно, от источника сигнала не требуется значительной мощности. Гораздо меньшие потребности полевых транзисторов в мощности в основном и способствовали широкому распространению микросхем с высокой степенью интеграции. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА.
АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Как уже отмечалось, аналоговые электронные схемы – это такие схемы, в которых сигналы могут существовать в непрерывном диапазоне величин и каждая из них одинаково значима. Из буквально тысяч электронных схем одно из первых и все еще наиболее важных мест принадлежит усилителю. Усилитель обеспечивает увеличение и достоверное воспроизведение подаваемого на его вход сигнала. Значительная часть информации, с которой работают инженеры и ученые, имеет вид малых изменений электрических величин или может быть представлена ими. Для работы с такой информацией обычно нужно увеличить эти малые изменения до уровней, более соответствующих требованиям оборудования, используемого для их анализа. Так, например, существование электрической активности мозга было известно в течение многих лет, однако электроэнцефалография стала быстро продвигаться вперед лишь после того, как появились электронные усилители.
Усилители можно классифицировать разными способами. В качестве основы для классификации часто используют диапазон частот сигналов, в котором усилитель способен работать. При таком подходе выделяют усилители с непосредственной связью, которые имеют полезный диапазон частот от нуля до примерно 100 Гц и могут усиливать постоянные токи; звуковые усилители, полезный диапазон которых от ~15 до ~15 000 Гц (диапазон слышимых человеком сигналов); радиочастотные усилители, рабочий диапазон которых располагается выше звукового диапазона. Участок от 150 кГц до 1,5 МГц можно назвать диапазоном АМ-вещания. Термин «видеоусилители», первоначально относившийся к усилителям видеосигналов, теперь обычно используют для усилителей, работающих на частотах от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц. Многие усилители характеризуются непосредственно тем частотным диапазоном, который они перекрывают, – например, усилитель на полосу частот от 10 до 100 МГц. Возможна классификация по названию конкретного применения данного прибора – например, ЭКГ-усилитель, т.е. электрокардиографический усилитель, или же по какой-либо важной особенности прибора – например, усилитель постоянного тока с очень малым дрейфом.
Хотя профессиональным разработчикам схем часто приходится работать со специализированными (штучными) изделиями, чтобы оптимизировать те или иные их параметры, большинство конструкций аналоговых усилителей реализуется на гораздо более высоком уровне с использованием одного из самых важных «строительных блоков» электроники – операционного усилителя – в сочетании с важной концепцией обратной связи. См. также АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ; ЗВУКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ЗАПИСЬ.
В течение многих лет операционные усилители применялись в таких системах, где себестоимость имела второстепенное значение. Лишь в конце 1970-х годов операционные усилители на интегральных схемах стали продаваться по доступным ценам. Эти усилители нашли широкое применение, и большинство разработчиков стали обращаться к схемам на дискретных компонентах только для таких специальных применений, где требовалось сочетание высокой частоты и высокой мощности.
Операционный усилитель представляет собой многокаскадный транзисторный усилитель со специальными характеристиками. Основными из них являются частотная характеристика, достигающая 0 Гц (т.е. постоянного тока), и достаточно большой коэффициент усиления в полосе частот, представляющей интерес. К числу важных параметров таких усилителей относятся низкие величины смещения постоянной составляющей и дрейфа, высокие значения входного и низкие – выходного сопротивлений. Операционные усилители, как правило, предназначаются для применений в схемах с обратной связью.
Транзисторы подвержены старению, их характеристики ухудшаются также под воздействием экстремальных температур, изменений напряжения питания и других факторов. Все факторы такого рода вызывают изменения параметров схем, построенных на транзисторах. Для улучшения и стабилизации основных параметров рассматриваемых схем, в частности их коэффициента усиления, используют довольно общий метод, который называется отрицательной обратной связью. В простейшем усилителе входной сигнал по сути служит командой, на которую этот усилитель реагирует. Если же взять выборку выходного сигнала усилителя и сложить ее с выборкой входного сигнала (или вычесть из нее), а полученный результат подать на вход в качестве управляющего сигнала, на который усилитель будет реагировать, то это и будет означать, что в систему введена обратная связь. Операционный усилитель оптимизирован именно для таких применений. См. также СЕРВОМЕХАНИЗМ.
Принцип обратной связи схематически показан на рис. 4; нередко такую схему называют системой с одноконтурной обратной связью. Величина А на рис. 4 – это отношение выходного напряжения усилителя к его входному напряжению, т.е. обычный коэффициент усиления. Величины bi и bf представляют соответственно доли входного и выходного напряжений, которые суммируются в схеме сложения. Общий коэффициент усиления такой схемы Aобщ получается с учетом
Eo = –Ae = –A (biEi + bfEo),
откуда
Величину Abf, представляющую собой коэффициент обратной связи, делают намного большей, чем единица, так что получается рабочая формула
Eo /Ei = – bi /bf.
Отсюда следует, что при большом по величине коэффициенте усиления в контуре обратной связи (и отрицательном по знаку для стабильности) результирующий (полный) коэффициент усиления определяется отношением bi/bf. Цепи, определяющие величины b, обычно выполняются на таких пассивных компонентах, как резисторы, которые могут быть сделаны предельно стабильными. Полный коэффициент усиления такой схемы остается неизменным, даже если параметры транзисторов, используемых в активном усилителе, претерпевают изменения. В дополнение к стабилизации коэффициента усиления использование отрицательной обратной связи приносит и ряд других желательных результатов, в том числе уменьшение искажений, источником которых может быть сам активный усилитель.
Различные блоки, представленные на принципиальной схеме рис. 4, несложно реализовать на практике. На рис. 5 поясняется, как это делается. (Отметим, что треугольником обычно пользуются для обозначения операционного усилителя.) Приведенные на рис. 5 соотношения справедливы, если входное сопротивление имеет большую величину, а выходной импеданс – малую.
Приведенная здесь принципиальная схема существует на практике в сотнях вариантов, так как основные ее компоненты R1 и R2 могут заменяться сложными трехвыводными комбинациями пассивных схемных компонентов и(или) активных устройств. Поведение этих схем можно прогнозировать, пользуясь т.н. «золотыми правилами» проектирования при условии, что схема работает стабильно в пределах токов и напряжений, задаваемых операционным усилителем. Эти правила таковы: усилитель как таковой не потребляет тока на своих входах (вследствие высокого входного сопротивления), а напряжение на входе усилителя (e на рис. 5) практически равно нулю (вследствие используемой конфигурации обратной связи).
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Хотя в аналоговых и цифровых электронных схемах используются одни и те же основные схемные элементы, такие, как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, между этими двумя классами электронных схем существует резкое различие. Как отмечалось выше, в цифровых схемах используются всего два уровня схемных напряжений или токов, поэтому такие схемы часто называют двоичными или логическими. И хотя имеют место плавные переходы между двумя состояниями, их стараются сделать максимально быстрыми, чтобы можно было считать, что они происходят мгновенно. Но для быстродействующих схем конструктор, разумеется, должен учитывать длительность переходов из одного состояния в другое.
Существуют буквально тысячи серийно выпускаемых типов схем для использования в цифровой электронике; по существу, все они представляют собой интегральные схемы в широком диапазоне – от простых схем из нескольких транзисторов (малые интегральные схемы, или МИС) до весьма сложных «компьютеров на кристалле», содержащих в себе сотни тысяч транзисторов (сверхбольшие интегральные схемы, или СБИС). В своем большинстве эти схемы строятся из базовых блоков двух типов. Первый из них охватывает схемы, выполняющие основные логические операции; такие схемы называются комбинационными логическими схемами и отличаются тем, что их выходное состояние (напряжение или ток) в любой данный момент определяется состоянием их входов в тот же самый момент. Ко второму типу относятся схемы, содержащие память, вследствие чего их мгновенное состояние зависит не только от текущего состояния их входов, но и от предыстории их состояний. Такие схемы называют последовательностными логическими схемами.
Как для комбинационных, так и для последовательностных логических схем выходные состояния определяются двумя уровнями напряжения; названия этих состояний (напряжений) выбирают из следующего набора пар: высокое или низкое, истинное или ложное, включенное или выключенное и единица или нуль. Хотя используются все эти пары, последняя из них (единица или нуль) получила большее распространение. Реальные значения двух выбранных уровней напряжения в целом несущественны; важно лишь, что они должны быть легко отличимы друг от друга. Для большинства широко распространенных логических приборов – т.н. схем транзистор-транзисторной логики, или ТТЛ-семейства, – уровни напряжения между 2,5 и 5,0 В считают логической единицей, а уровни от 0 до ~0,75 В – логическим нулем. Уровни напряжений, находящиеся между этими диапазонами, игнорируются. Следует отметить, что существует несколько семейств логических устройств, в каждом из которых приняты свои пределы значений для уровней напряжений.
Комбинационные схемы.
Хотя такие схемы могут выполнять сложные логические функции, последние можно разделить на три базовые, из которых нетрудно получить более сложные. Первая из таких базовых функций – логическая инверсия (логическое НЕ); схема, выполняющая эту функцию, называется инвертором или инвертирующим логическим вентилем. На рис. 6 приведены символ, используемый для инвертора, и таблица значений, получаемых на выходе при том или ином входном сигнале. Такая таблица называется таблицей истинности и служит удобным способом представления возможных характеристик вход–выход логических схем. (Отметим, что из-за двоичной системы логических сигналов таблицы истинности имеют ограниченное число возможных входных сигналов.) Черточка над логической переменной указывает на логическую инверсию данной переменной. Таким образом, 
– это инверсия A.
Вторая базовая логическая операция, выполняемая цифровыми электронными схемами, – это логическое произведение двух или большего числа входных сигналов. Такая функция известна под названием логического И, а схему называют логическим элементом И. Функция И двух или большего числа входов принимает значение логической единицы только тогда, когда все входы одновременно являются логическими единицами. На рис. 7 представлены символ, используемый для логического элемента И (в данном случае для двух входов), и соответствующая таблица истинности. Как показано на этом рисунке, функция И обозначается точкой, как в выражении A·B.
Третья логическая операция – логическая сумма, или функция ИЛИ. Различаются две ее разновидности. Функция «Включающее ИЛИ» двух логических переменных принимает значение логической единицы, когда не обе переменные, а любая из них имеет значение логической единицы. На рис. 8 показан символ, используемый для логического элемента «Включающее ИЛИ», и приведена соответствующая таблица истинности. На рис. 9 приведены символ и таблица истинности для логического элемента «Исключающее ИЛИ». Операция «Включающее ИЛИ» обозначается символом +, а операция «Исключающее ИЛИ» – символом Е.
Используя описанные выше типы логических элементов, разработчики могут создавать системы высокой сложности, позволяющие выполнять любые логические операции над входными переменными.
Последовательностные схемы.
Схемы, у которых выходы зависят не только от текущих значений сигналов на входах, но также и от предыстории состояний этих входов, нуждаются, помимо комбинационных схем, еще в одном типе элемента. Такого рода дополнительный элемент меняет свой выходной сигнал особым образом в зависимости от состояний на входах и может запоминать свое состояние. Этот элемент часто называют триггером, более точный термин – мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями. На выходе мультивибратора может быть лишь одно из двух логических состояний (т.е. единица или нуль), и это состояние будет оставаться неизменным, пока не произойдет новое событие, которое и вызовет изменение данного стабильного состояния.
Используются и другие виды мультивибраторов (хотя и не в качестве устройств памяти). В ждущем мультивибраторе (одновибраторе) только одно из выходных состояний устойчиво; при вводе внешнего сигнала это состояние может измениться, но лишь на некоторое время, по истечении которого схема возвращается в свое исходное состояние. Мультивибратор с одним устойчивым состоянием может генерировать импульсы фиксированной длительности из приходящего на вход сигнала. Наконец, несинхронизированный мультивибратор – автогенератор несинусоидальных колебаний – может быть полезен для генерации непрерывных последовательностей (серий) импульсов, или «тактовых» сигналов.
Один из наиболее распространенных типов триггеров – J-K-триггер. На рис. 10 представлены обозначение такого триггера и таблица истинности с его операционными характеристиками. Этот триггер имеет J- и K-входы логических сигналов, вход тактовых (синхронизирующих) сигналов, два входа управления (предварительная установка и предварительный сброс), через которые на выходе Q устанавливаются соответственно логическая единица или логический нуль независимо от других входов. Любое изменение на выходе может происходить только в связи с изменением тактовых сигналов на входе (синхронная работа). В таблице на рис. 10 приведены текущие состояния входов J и K, а также выхода Q, и показано, что следующее состояние Q+ появится на выходе только после прихода тактового сигнала. Данная таблица похожа на таблицы истинности для приведенных выше комбинационных схем, за исключением того, что здесь в явной форме присутствует время.
Отметим, что если на входе J имеется логическая единица, а на K – логический нуль, то на выходе Q после прихода тактового сигнала установится логическая единица, причем это произойдет независимо от того, что было до прихода тактового сигнала. Если на входе J логический нуль, а на K – логическая единица, то после прихода тактового импульса на выходе Q установится логический нуль. Если на обоих входах J и K имеются логические нули, то выход Q с приходом тактового сигнала не изменится. Если же на обоих входах J и K имеются логические единицы, то после прихода тактового импульса на выходе установится значение, инверсное по отношению к тому, которое было перед приходом тактового сигнала. Эти четыре режима называют соответственно: установка, сброс, без изменений (или запоминание) и переключательный режим.
Рассмотренные здесь базовые вентили комбинаторной логики и триггер представляют собой элементы цифровых электронных схем, используемых в широком диапазоне применений – от простых счетных устройств до сложных схем кодирования и универсальных компьютеров. См. также КОМПЬЮТЕР.
Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление. М., 1985
Якубовский С.В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. М., 1985
Пирс К. и др. Технология СБИС. М., 1986
Ответь на вопросы викторины «Физика»