10
теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобретения транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследования поверхностных свойств полупроводников.
У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, крупным ученым, обладающим широчайшей эрудицией.
Первые транзисторы изготавливались на основе полупроводника германия и допускали рабочую температуру лишь до 70 °С, а этого во многих прикладных задачах было недостаточно.
Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов произошел решающий качественный скачок: вместо германия стали использовать другой полупроводник – кремний. В итоге рабочая температура транзисторов выросла до 120–150 °С, при этом их характеристики сохраняли высокую стабильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» применительно к кремнию была разработана так называемая планарная технология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка диоксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхности кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой температуре, в полупроводник вводят легирующие добавки – так изготавливаются фрагменты будущего прибора. Затем на изолированную от объема поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам – и транзистор готов. Особенностями процесса является то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается одновременная обработка тысяч и миллионов транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности.
Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзисторов от подложки и друг от друга, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы), т.е. создания электронной схемы с активными и пассивными компонентами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом
11
процессе. Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микроэлектроники.
Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которого изготовлено множество транзисторов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорожками в заданную электрическую схему. В первой микросхеме «множество» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил 100 элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем – сверхбольшие (СБИС) и т.д.
Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т.е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется минимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить технология.
С информационной точки зрения, смысл существования человечества заключается в поиске, извлечении, обработке и хранении информации. Под информацией понимают то, что уменьшает неопределенность знаний. Для передачи и хранения информации используется тот или иной язык, характеризующийся знаками и правилами их применения. Совокупность знаков, содержащих некоторую информацию, называется сообщением. Носителем сообщения в электронике является электрический сигнал. Под сигналом понимают электрическое колебание, отображающее сообщение. Электрические колебания представляют собой, в частности, изменяющиеся во времени напряжения и токи.
Наиболее общим является разделение колебаний на регулярные (детерминированные, определенные) и случайные (нерегулярные, неопределенные). Колебания конкретного источника могут быть детерминированными для наблюдателя, которому известен закон их образования, и случайными для другого.
Колебания можно делить также на собственно сигналы и помехи: сигналы несут информацию, помехи – это колебания, мешающие наблюдению сигналов. Ясно, что одни и те же колебания могут выступать и в качестве сигналов (например, колебания некоторой принимаемой радиостанции), и в качестве помехи
12
(колебания той же радиостанции, если необходимо принять колебания другой радиостанции).
Регулярные сигналы не несут информации для получателя, и поэтому с информационной точки зрения их передача по каналу связи является бессмысленной. Однако они являются простой и удобной моделью для изучения основных свойств сигналов. Так, при изучении усилительных устройств, в качестве тестовых используют колебания синусоидальной формы и в виде прямоугольного импульса. Реальные сигналы, несущие информацию, для получателя представляются случайными и должны изучаться с позиций общей теории случайных процессов. Исследование случайных сигналов не входит в программу изучаемого курса.
Регулярные сигналы можно разделить на управляющие (низкочастотные) и радиосигналы (высокочастотные, модулированные). Управляющие сигналы появляются в месте возникновения информации (электрические колебания на выходе микрофона, передающей телевизионной трубки, какого-либо датчика и т.п.). Низкочастотные по своей природе управляющие сигналы часто должны быть переданы на существенные расстояния от места возникновения информации. Для этого может быть использован переносчик – высокочастотное колебание, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза) изменяется (модулируется) по закону управляющего колебания. Такое колебание называют высокочастотным сигналом, радиосигналом, модулированным сигналом.
Электронным устройством называют совокупность определенным образом соединенных отдельных функциональных элементов, действующих как единое целое, способных выполнять заданные операции по обработке электрических сигналов.
В зависимости от того, какими сигналами оперирует устройство, все электронные устройства можно разделить на аналоговые и цифровые.
Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам, – минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение
13
необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.
Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.
Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.
Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналогоцифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
По виду зависимостей между токами и напряжениями устройства в целом (системы) и их функциональные элементы делятся на линейные, нелинейные и параметрические. Система может быть отнесена к линейной, если ее параметры постоянны и не зависят от действующих в ней токов и напряжений. Процессы в линейной системе описываются линейными дифференциальными уравнениями (уравнениями с постоянными коэффициентами, не зависящими от переменных). Если зависимости между токами и напряжениями в системе описываются нелинейными уравнения-
14
ми, то систему принято называть нелинейной. Нелинейная система имеет в своем составе хотя бы один нелинейный элемент. Параметрическая цепь имеет в своем составе хотя бы один параметрический элемент, т.е. элемент, параметры которого изменяются во времени по определенному закону.
Одним из главных свойств линейной системы является то, что отклик линейной системы на гармоническое воздействие всегда является гармонической функцией. К линейным системам применим принцип суперпозиции (наложения), гласящий, что отклик линейной системы на сумму воздействий есть сумма откликов на каждое воздействие в отдельности. Этот принцип лежит в основе большинства методов расчета линейных цепей, таких как метод контурных токов, метод узловых потенциалов, метод наложения и др. На выходе сколь угодно сложной линейной системы невозможно получить сигналы с частотами, отсутствующими у входного сигнала. Нельзя, например, построить из одних только линейных элементов выпрямитель (детектор), у которого входной сигнал – гармоническая функция, а выходной сигнал – постоянное напряжение. Нельзя построить из линейных элементов автогенератор, у которого входной сигнал – постоянное напряжение, а выходной – гармоническая функция. Только нелинейные и параметрические цепи обладают свойством преобразования частоты, когда в спектре отклика устройства появляются частоты, которых нет в спектре воздействия.
Усилитель – это устройство, сигнал на выходе которого должен по форме совпадать со входным сигналом, но мощность выходного сигнала должна быть больше, чем у входного. Усилитель может работать как в линейном, так и в нелинейном режиме. Нелинейный режим работы усилителя используется для повышения к.п.д.
Изложенные в данном учебном пособии принципы построения и анализа схем усилительных устройств, генераторов гармонических колебаний, стабилизаторов постоянного напряжения составляют содержание дисциплины «Аналоговая схемотехника» и служат базой для изучения дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника», рассматривающей ключевые режимы работы транзисторов, вопросы построения базовых схем логических элементов, генераторов и формирователей импуль-