В комментариях к статье Ругать или предлагать анализ и решение? О критике старых электронных схем не редко проскакивал вопрос "зачем ворошить старые схемы, почему бы не написать о современной электронике?". О современной электронике я тоже пишу, причем гораздо больше. Но вот вопрос "старое-новое" мне хочется затронуть отдельно.
Статья рассчитана не на специалистов, которые все в ней описанное и так знают, а на обычных любителей, которые часто, и ошибочно, считают, что старое надо безжалостно отринуть как никому не нужное.
Сначала повторю свою позицию: главное не старость или новизна схемы, а подход к анализу схем в целом. Да, элементная база сегодня совсем иная, чем даже лет 30 назад, но многое ли это меняет? Микроконтроллер существует в схеме не сам по себе. На его входы подаются сигналы, его выходы подключены к другим компонентам схемы, которые являются нагрузкой. Длительность переходных процессов сократилась, но их характер не изменился. Многие методы расчета аналоговых и импульсных схем разработаны отнюдь не сегодня.
Я проиллюстрирую преемственность некоторых подходов на примере полевых транзисторов, которые являются, без сомнения, современными компонентами, хоть и появились довольно давно, и электронных ламп, которые считают устаревшими еще с прошлого века. Я не буду описывать физику их работы, по крайней мере, достаточно глубоко. Я коснусь общего, того, что их объединяет. Как бы странным это не показалось на первый взгляд.
Важное замечание, я буду рассматривать только использование электронных ламп и полевых транзисторов для усиления гармонических сигналов. Причем, что называется, "малосигнальных", когда работа идет на линейных участках характеристик ламп и транзисторов.
Но сначала придется немного внимания уделить конструкции и принципам работы, в самых общих чертах, ламп и полевых транзисторов. Увы, это будет не столь коротко и, наверняка, довольно занудно. Но без этого нельзя обойтись.
Электронная лампа и полевой транзистор. Какие же они все таки разные...
Да, по своей конструкции и принципам работы они очень разные. Горячая большая стеклянная лампа работающая при напряжениях в пару сотен вольт и маленький кусочек полупроводника, не потребляющий лишней мощности и работающий при напряжениях единицы и десятки вольт, заключенный в пластиковый или металлический корпус.
Электронная лампа
Для примера я буду рассматривать триод. Рисунок иллюстрирующий устройство электронной лампы (справа) я отсканировал из старой книги.
Стеклянная колба внутри которой, в вакууме, размещены три электрода: катод, анод, сетка. Показанную на рисунке сетку называют управляющей. Катод в электронных лампах подогреваемый, горячий. Катоды бывают прямого накала, когда сама нить накала является катодом, и косвенного, когда нить накала помещена внутрь металлической трубки, которая и является катодом. На рисунке показан катод косвенного накала.
Нагретый катод испускает, эмитирует, электроны. Эти электроны ускоряются электрическим полем анода, который имеет, относительно катода, положительный потенциал, и притягиваются им. Движение электронов в вакууме между катодом и анодом создает ток внутри лампы. Но на пути электронов, между катодом и анодом, находится сетка, потенциал которой влияет на движение электронов.
Если сетка имеет нулевой потенциал относительно катода, то она является электростатическим экраном, который задерживает значительную часть поля анода. При этом часть электронов эмитированных катодом все таки достигает анода.
Если сетка имеет отрицательный потенциал относительно катода, то она создает тормозящее поле противодействующее ускоряющему полю анода. Чем выше отрицательный потенциал сетки, тем меньшее количество электронов достигает анода, а значит уменьшается и ток через лампу. Важно отметить, что отрицательный, относительно катода, потенциал сетки практически исключает возникновение тока сетки. То есть, лампа управляется не током сетки, а напряжением не сетке.
Если сетка имеет положительный потенциал относительно катода, то она создает ускоряющее поле которое усиливает действие ускоряющего поля анода. Чем выше положительный потенциал сетки, тем большее число электронов достигают анода, а значит увеличивается и ток через лампу. Важно отметить, что положительный потенциал четки приводит к тому, что часть электронов притягивается к сетке, что создает сеточный ток. В этом случае уже нельзя говорить, что лампа управляется только напряжением на сетке. При значительном росте положительного потенциала сетки к ней притягивается все больше электронов, что вызывает некоторое снижение тока анода.
Все вышесказанное можно проиллюстрировать так
А что на счет ламп с несколькими сетками? Есть и такие. Лампа с двумя сетками называется тетродом. Вторая сетка называется экранирующей, на нее подается отдельный, обычно, постоянный, потенциал. Лампа с тремя сетками называется пентодом. Третья сетка, чаще всего, соединяется с катодом уже внутри лампы и предназначена для устранения динатронного эффекта (выбивание электронами, попадающими на анод, вторичных электронов). Есть и еще более экзотические лампы, гептоды, имеющие пять сеток. Но они не нашли широкого применения.
Это очень упрощенное описание работы и устройства электронной лампы. Но для наших целей этого достаточно.
Полевой транзистор
Существует несколько разновидностей полевых транзисторов. Однако, основное деление можно провести по способу формирования и работы затвора: полевые транзисторы с p-n переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).
Полевой транзистор с p-n переходом
Представляет собой небольшую пластину (пруток, брусок) имеющую с двух противоположных сторон электроды являющиеся выводами истока и стока. Сама пластина образует канал. Третий электрод, затвор, образуется с помощью области (или областей) с противоположным типом проводимости. На рисунке ниже я показал полевой транзистор с p-n переходом и каналом n типа, затвор которого образован двумя областями с проводимостью p типа. Но канал может быть и p типа, тогда затвор будет образован областями с проводимостью n типа.
Строго говоря, исток и сток у таких транзисторов симметричны и могут быть заменены один на другой. И это часто указывается в документации на соответствующий транзистор. Но бывают и транзисторы, у которых области затвора размещены не посередине пластины образующей канал. В таком случае исток и сток тоже не являются симметричными.
В дальнейшем я буду описывать работу транзисторов с n каналом. Для транзисторов c p каналом описание будет верным если сменить полярности напряжений.
Для транзисторов с каналом n типа на сток подают положительный по отношению к истоку потенциал. Если потенциал затвора нулевой, например, он соединен с истоком, то он практически не оказывает влияния на движение электронов в канале (для p канала - дырок). При этом через канал течет ток, величина которого определяется, в основном, сопротивлением канала. Этот ток называется начальным током стока.
Если на затвор подать отрицательный относительно истока потенциал, то p-n переход затвор-исток запирается, а в области канала рядом с затвором образуется запирающий слой, который уменьшает площадь поперечного сечения канала. Что, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока сток-исток. Важно отметить, что ток через запертый переход очень мал и его можно считать нулевым (условно). То есть, транзистор управляется не током затвора, а напряжением на затворе.
Если на затвор подать положительный относительно истока потенциал (выше некоторого порогового уровня) , то переход затвор-исток открывается. Это вызывает появление тока затвора и нарушает работу транзистора. Поэтому режим прямого смещения затвора обычно не используется.
Это очень упрощенное описание работы и устройства полевого транзистора с p-n переходом. Но для наших целей этого достаточно.
Полевой транзистор с изолированным затвором
У полевых транзисторов с изолированным затвором затвор, как и следует из названия, изолирован от канала. Более кратко такие транзисторы называют МОП или МДП транзисторами. Точно так же, как и для полевых транзисторов с p-n переходом, канал МОП транзисторов может быть p или n проводимости. Но тут возможны еще две разновидности построения каналов: встроенный и индуцированный.
Различие между встроенным и индуцированным каналом заключается в том, что индуцированный канал не выполнен физически в структуре транзистора, а образуется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности и величины.
МОП транзисторы с индуцированным каналом тоже можно использовать для усиления, но обычно они используются в ключевом режиме. По этой причине я не буду рассматривать их в дальнейшем изложении. Тем не менее, почти все будет справедливо и для них, но с учетом их специфики связанной с отсутствием канала при нулевом напряжении на затворе.
На рисунках выше я показал область "подложка", которая является собственно кристаллом полупроводника. Подложка часто соединяется с истоком внутри корпуса транзистора, но иногда имеет и отдельный вывод. Соединение подложки и истока создает в структуре полевого транзистора паразитный диод, однако, я не буду его рассматривать.
Точно так же, как и для полевых транзисторов с p-n переходом, я буду говорить о МОП транзисторах с n каналом. Однако все будет верным и для p канала, необходимо сменить лишь знак напряжений.
При нулевом напряжении на затворе встроенный, собственный, канал проводит ток, величина которого определяется сопротивлением канала. При этом затвор не оказывает влияния на этот ток. Сам кристалл ток проводит не будет, так как один из p-n переходов (исток-подложка или сток-подложка) будет заперт.
При отрицательном напряжении на затворе, относительно истока, в канале создается электрическое поле, которое выталкивает электроны (дырки для p канала) из канала в область кристалла. Канал обедняется электронами, что приводит к уменьшению тока стока. Этот режим называют режимом обеднения. При подаче на затвор положительного, относительно истока, напряжения электроны наоборот вытягиваются из области кристалла в канал. Это приводит к увеличению проводимости канала и росту тока стока. Этот режим называют режимом обогащения.
Важно отметить, что изолированность затвора практически полностью исключает протекание тока в его цепи. То есть, МОП транзистор управляется напряжением на затворе.
Кроме того, существуют МОП транзисторы с двумя затворами, что примерно соответствует тетроду.
Это очень упрощенное описание работы и устройства полевого транзистора с изолированным затвором. Но для наших целей этого достаточно.
Электронная лампа и полевой транзистор. И все таки, у них так много общего!
Да, именно так! У них разные физические принципы работы. У них разная конструкция. Но в анализе схем с ними очень много общего. И это, надеюсь, уже стало немного заметно.
Они управляются напряжением, а не током
Это первое, что бросается в глаза. У сетки электронной лампы отсутствует ток при отрицательном напряжении относительно катода, что является рабочим режимом в большинстве случаев. У затвора полевого транзистора с p-n переходом отсутствует ток затвора если переход затвор-исток заперт. Ток затвора МОП транзистора отсутствует в любом случае.
Небольшое лирическое отступление. Токи сетки и затвора не совсем и не всегда отсутствуют. Дело в том, что и сетка, и затвор, обладают некоторой ёмкостью. Изменение напряжения на сетке или затворе вызывает перезаряд этой ёмкости, что создает ток сетки и затвора. Но в статическом режиме ток действительно отсутствует.
При этом напряжение на управляющих электродах (сетка и затвор) управляет током. Связь между приращением управляющего напряжения и вызванным им приращением управляемого тока называется крутизной.
При этом напряжение анода и стока считается постоянным. В общем случае, крутизна зависит от положения рабочей точки, причем нелинейно.
У них похожие схемы включения
Полевые транзисторы можно включить по схеме с общим истоком, что соответствует включению лампы по схеме с общим катодом.
Полевые транзисторы можно включить по схеме с общим стоком (истоковый повторитель), что соответствует включению лампы по схеме с общим анодом (катодный повторитель).
Полевой транзистор можно включить по схеме с общим затвором, при этом входом схемы будет исток, что соответствует включению лампы по схеме с общей сеткой, при этом входом схемы будет катод.
Вы можете сказать, но ведь для обычного биполярного транзистора все тоже самое. Да, но не забывайте, что и у ламп, и у полевых транзисторов будет большое входное сопротивление и для схемы с общим катодом/истоком, и для схемы с общим анодом/стоком, а усилительные свойства определяются параметром крутизны. Для биполярных транзисторов относительно большое входное сопротивление дает лишь схема с общим коллектором. А усилительные свойства определяются коэффициентом усиления тока базы. Схема с общей сеткой/затвором будет обладать низким входным сопротивлением, как и схема с общей базой.
У лампы и полевого транзистора одинаковым образом определяется коэффициент усиления
Сначала сделаю одно, очень важное, замечание. Коэффициент усиления лампы или полевого транзистора это не коэффициент усиления усилительного каскада, в котором они используются!
С математической точки зрения коэффициент усиления есть абсолютное значение отношения таких изменений анодного (стокового) и сеточного (затворного) напряжений, которые компенсируют друг друга. Т.е. уравновешивают свое действие на анодный (стоковый) ток.
Другими словами, триод (полевой транзистор) на сетку (затвор) которого подано переменное напряжение можно рассматривать как генератор в коэффициент усиления раз большей переменной ЭДС.
Здесь μ - коэффициент усиления, S -крутизна, Ri внутреннее (выходное) сопротивление лампы или полевого транзистора. Нужно отметить, что Ri не постоянная величина, а зависит от выбора рабочей точки. Причем определяется оно для переменного, а не постоянного, тока. Иногда Ri называют дифференциальным внутренним сопротивлением.
Для лампы и полевого транзистора одинаковым образом определяется коэффициент усиления каскада с общим катодом/истоком по напряжению
Для каскада с общим катодом/истоком, если не учитывать влияние резистора в цепи катода/истока, который используется для задания рабочей точки (задавая отрицательное напряжение на сетке/затворе), например, он зашунтирован конденсатором, то коэффициент усиления каскада по напряжению будет
Как видно, формула очень простая. Более того, она отражает тот факт, что по переменному току сопротивление нагрузки включено параллельно внутреннему сопротивлению лампы/транзистора.
Но нужно обязательно отметить, что формула верна лишь для "малого сигнала" и при работе лампы/транзистора в линейной области.
У лампы и полевого транзистора одинаково влияние входной, проходной и выходной ёмкостей
В этом нет ничего удивительного, так как принцип усиления построенных на них каскадов одинаковый. Более того, здесь все очень похоже и на усилительный каскады на биполярных транзисторах.
Специальные высокочастотные полевые транзисторы, обычно, с p-n переходом или встроенным каналом, имеют малые величины ёмкостей. Причем достичь этого даже проще, чем в электронных лампах.
Для анализа усилительных схем с лампами и полевыми транзисторами можно использовать аналогичные эквивалентные четырехполюсники
Так как электронные лампы и полевые транзисторы ведут себя схожим образом, то и в расчете усилительных схем можно использовать одинаковые эквивалентные четырехполюсники. Причем наиболее подходящим является использование системы Y параметров для их описания.
Немного об особенностях использования МОП транзисторов в усилительных каскадах для переменного напряжения
Ранее я делал основной упор на сходство ламп и полевых транзисторов. Но сейчас хочу немного расширить обзор. Как Вы помните, работа ламп с положительным смещением на сетке и работа полевых транзисторов при прямом смещении перехода приводит к появлению тока сетки/затвора. Это вредное явление, поэтому полевые транзисторы в таком режиме не используются. С лампами ситуация немного иная. Существуют лампы специально рассчитанные на работу при положительном смещении сетки. Но в обычных условиях такие лампы не применяются. Поэтому я их не рассматривал.
Но с МОП транзисторами любая полярность напряжения на затворе не приводит к появлению тока затвора. При этом, если посмотреть на приведенные выше формулы, то станет видно, что в них присутствуют только параметры транзистора и сопротивление нагрузки. И отдельно оговаривается работа на линейном участке выходных характеристик.
Получается, что мы можем задать рабочую точку на линейном участке характеристик просто выбрав нужное напряжение на затворе. То есть, для нас нет разницы встроенный или индуцированный канал. Для встроенного канала мы можем выбрать и положительное, и отрицательное смещение на затворе. Для индуцированного нужно выбрать напряжение выше напряжения отсечки. И этого будет достаточно. Усилительный каскад будет работать.
То есть, применимость МОП транзисторов шире, чем применимость ламп. Но тут есть один подводный камень, который я не могу не упомянуть. Как я уже говорил, большинство современных МОП транзисторов рассчитаны на работу в ключевом режиме, а не линейном, который нужен для усилительных схем. В линейном режиме на область безопасной работы накладываются весьма серьезные ограничения на токи, напряжения и рассеиваемую мощность.
Заключение
Пожалуй, на этом остановлюсь. Я не рассматривал работу ламп и транзисторов в генераторах, ключевых каскадах и импульсных схемах. Там тоже не мало общего, но есть и весьма значимые отличия.
Статья получилась не слишком строгая с точки зрения описания физики и подробного полного расчета усилительных каскадов. Но такой она и планировалась. Цель была показать, что анализ схем даже на таких, казалось бы совершенно разных, компонентах часто базируется на общих подходах. А не делится на "старое" и "новое". И это не последняя статья на данную тему.
