Мендл М. 200 избранных схем электроники. Матью Мэндл 200 избранных схем электроники редакция литературы по информатике и электронике 1978 PrenticeHall, Inc
 Скачать 2.25 Mb.
|
|
Матью Мэндл 200 ИЗБРАННЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОНИКИ Редакция литературы по информатике и электронике © 1978 Prentice-Hall, Inc. © перевод на русский язык, «Мир», 1985, 1980 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Данное пособие, в котором содержатся все основные схемы электроники, рассчитано на весьма многочисленную читательскую аудиторию. Круг потенциальных читателей книги не ограничивается студентами, техниками и инженерами, работающими в областях радиотехники, электроники, автоматики и смежных областях. Ввиду глубокого и широкого проникновения методов и средств современной радиотехники и электроники практически во все сферы человеческой деятельности книга будет пользоваться спросом у специалистов, занятых в самых различных областях науки и техники, у студентов разных специальностей и огромной армии радиолюбителей. Такая направленность издания и определила ряд его отличительных особенностей. Так, изложение принципов построения схем и описание их работы базируются главным образом на чисто качественных представлениях, иллюстрируемых в некоторых случаях временными или векторными диаграммами. При- водимые в книге формульные соотношения даются без выводов, но с пояснением их использования на практике. Описание схем является в большинстве случаев весьма кратким. Благодаря этому в книге небольшого объема удалось собрать не только основные (базовые) схемы, но и их разновидности. Автор стремился возможно проще, с ориентацией на практическое использование преподнести основные свойства и характеристики схем. Рассмотрение схем проводится обычно в следующем порядке: назначение схемы, принципы ее построения и работы, основные характеристики и соотношения параметров схемы и отличительные особенности последних. Большое количество иллюстративного материала относится к узлам аппаратуры цветного и черно-белого телевидения. Условные изображения некоторых элементов и схем в книге отличаются от принятых в советской литературе. Однако знакомство наших читателей с символикой, применяемой в иностранной литературе, полезно. Интерес представляют приводимые в книге аббревиатуры (мы старались их отразить в указателе терминов), а также словарь терминов по радиоэлектронике. При переводе книги и толковании некоторых понятий внесены изменения с учетом принятых у нас представлений. Подробно составленное оглавление и предметный указатель облегчают нахождение нужного материала в книге. Перевод книги выполнен В. И. Ворониным и Н. Я. Щербаком. Я. С. Ицхоки ПРЕДИСЛОВИЕ Книга дает возможность читателю получить сведения о 200 базовых схемах, применяемых во всех областях электроники. Необходимые данные по определенному типу схемы (например, усилители, генераторы) можно найти, обратившись к предметному указателю. Приводятся принципы построения каждой схемы, поясняются выполняемые ею функции. Рассматриваются разновидности многих схем и особенности их применения в раз- личных устройствах. В тех случаях, когда несколько схем выполняют схожие функции или характеристики схем частично совпадают, в тексте даются перекрестные ссылки. Излагаются принципы модуляции и демодуляции сигналов и формирования колебаний специальной формы. Обсуждаются особенности построения схем как на биполярных, так и на полевых транзисторах (с затвором на р — n-переходе и с изолированным затвором). Описываются интегральные схемы, схемы типа металл — окисел — полупроводник на дополняющих транзисторах, схемы инжекционного типа и др. В настоящем, дополненном и исправленном издании приведено значительно большее количество схем на полупроводниковых приборах, чем в предыдущем, изменены некоторые иллюстрации и добавлены новые. В соответствии с принятыми международными стандартами изменены некоторые символы, термины и аббревиатуры. Расширен словарь, содержащий термины и выражения, наиболее употребительные в области радиоэлектроники. Таким образом, студенты, техники и инженеры могут найти в книге дополнительные сведения об электронных схемах, которые будут полезны при изучении и анализе схем, а также справочные данные, необходимые в практике проектирования и монтажа схем. Если в процессе проектирования, анализа или модификации схемы требуется определить величины различных параметров, можно воспользоваться приведенными в книге уравнениями, выражающими основные зависимости между параметрами схемы. М. Мэндл Глава 1 УСИЛИТЕЛИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ И ВИДЕОУСИЛИТЕЛИ 1.1. Усилители с общим эмиттером и общим истоком Усилители содержат транзисторы, а также такие элементы, как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Параметры используемых элементов (их номиналы и напряжения) зависят от требований, предъявляемых к усилителю, а также от типа применяемых транзисторов. С появлением транзисторов различных типов стали возможны новые конфигурации схем усилителей. В биополярном р — n — р- или n — р — n-транзисторе создаются чередующиеся в определенном порядке области с различным видом проводимости, образующие базу, эмиттер и коллектор. Транзистор называется биполярным, поскольку перенос зарядов в нем осуществляется как электронами, так и дырками. В полевых же (униполярных) транзисторах заряды переносятся носителями одного вида: либо электронами, либо дырками. Полевые транзисторы (ПТ) имеют три области, на- зываемые затвором, истоком и стоком, В зависимости от вида используемых носителей различают два типа полевых транзисторов: р- и я-канальные. Разным типам транзисторов соответствуют различные характеристики, описываемые более подробно в этом разделе. Наиболее распространенная схема построения усилителя на биполярном транзисторе — схема с общим (заземленным) эмиттером (ОЭ); варианты таких схем показаны на рис. 11.1. Термин «общий эмиттер» указывает на то, что в соответствующей схеме сопротивление между выводом эмиттера и землей для сигнала мало, но из этого не следует, что оно во всех случаях мало и для постоянного тока. Так, например, в схемах показанных на рис. 1.1, а и б, эмиттеры непосредственно заземлены, а в схеме на рис. 1.1, в между эмиттером и землей включено сопротивление, зашунтированное конденсатором. Поэтому, если реактивное сопротивление этого конденсатора для сигнала мало, можно считать, что для сигнала эмиттер практически заземлен. Для работы в классе А (разд. 1.4) напряжение смещения между базой и эмиттером должно быть прямым (отпирающим), а между коллектором и эмиттером — обратным (запирающим). Для получения такого смещения полярности источников питания выбирают в зависимости от типа используемого транзистора. Для транзистора р — n — р-типа (рис. 11 Л, а) плюс источника смещения должен быть подключен к эмиттеру р- типа, а минус — к базе я-типа. Таким образом, прямое смещение получается при отрицательном потенциале базы относительно эмиттера. Для обратного смещения коллектора р-типа его потенциал должен быть отрицательным. Для этого источник питания подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицатель- ным к коллектору. Входной сигнал создает на резисторе R 1 падение напряжения, которое алгебраически складывается с постоянным смещающим напряжением. В результате этого суммарный потенциал базы изменяется в соответствии с сигналом. С изменением потенциала базы меняется ток коллектора, а следовательно, и напряжение на резисторе R2. При положительной полуволне входного напряжения прямое смещение уменьшается и ток через R 2 соответственно уменьшается. Падение напряжения на R 2 также уменьшается, в результате чего между входным и выходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°. Если используется транзистор n — р — n-типа (рис. 1.1,6), то полярность обоих источников питания меняется на обратную. При этом базовый переход также оказывается смещенным в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как и в предыдущем случае, между входным и выходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°. На рис. 1.1,а и б изображены основные элементы усилителя, а схема усилителя, применяемая на практике, приведена на рис. 1.1,6. Здесь конденсатор С 1 не пропускает постоянной составляющей входного сигнала, но имеет малое реактивное сопротивление для его переменной составляющей, которая таким образом поступает на резистор R 2 . (Это так называемая RC-связь; более подробно она описана в разд. 1.5). Напряжение прямого смещения базы поступает с делителя напряжения Ri — R2, который подключен к источнику питания. Нужная величина прямого смещения базы транзистора получается при надлежащем выборе отношения величин сопротивлений R 1 и R 2 . При этом в транзисторе n — р — n-типа потенциал базы устанавливают более положительным, чем эмиттер. Коллекторный резистор, на котором образуется выходной сигнал, обычно назы- вают резистором нагрузки и обозначают R н . Через разделительный конденсатор С 3 сигнал поступает на следующий каскад. Входные и выходные цепи должны иметь общую заземленную точку (рис. 1.1, а). Коэффициент усиления тока базы для схемы с ОЭ задается следующим соотношением: (1.1) где р — коэффициент усиления тока базы; ДI б — приращение тока базы; ДI к — соответствующее приращение тока коллектора при- Uкэ = const. Рис. 1.1. Схемы с общим эмиттером. Таким образом, р равно отношению приращения коллекторного тока к соответствующему приращению базового тока прк постоянном коллекторном напряжении. Коэффициент усиление сигнального тока также называют коэффициентом прямой передачи тока [При достаточно большой величине сопротивления R 2 переменная составляющая сигнального тока практически равна переменной составляющей тока базы. — Прим. ред.] Резистор R 3 (рис. 1.1,5) оказывает стабилизирующее действие на ток транзистора при изменении температуры. Падение напряжения на R 3 создает обратное (запирающее) смещение эмиттерного перехода транзистора, так как оно повышает потенциал эмиттера. Следовательно, оно уменьшает положительное прямое смещение базы на величину этого падения напряжения. Присутствие переменной составляющей напряжения на Rз вызвало бы уменьшение выходного сигнала и, следовательно, коэффициента усиления усилителя (см. разд. 1.8). Для устранения этого эффекта резистор Rз шунтируют конденсатором С 2 При нагреве транзистора постоянная составляющая тока коллектора возрастает. Соответственно возрастает и падение напряжения на R z , что приводит к уменьшению прямого смещения базы, а также тока коллектора. В результате осуществляется частичная компенсация температурного дрейфа тока. Рис. 1.2. Схемы с общим истоком На рис. 1.2 показана схема усилителя на полевом транзисторе, эквивалентная схеме с ОЭ, которая называется схемой с общим истоком. В этой схеме затвор соответствует базе биполярного транзистора, исток — эмиттеру, а сток — коллектору. На схеме 1.2, а показан ПТ с каналом n-типа. Для транзистора с каналом р- типа стрелка на затворе будет направлена в противоположную сторону. На рис. 1.2, б также показан транзистор с каналом д-типа, а на рис. 1.2, в — с каналом р-типа. Цепи смещения ПТ отличаются от цепей смещения биполярных транзисторов вследствие существенного различия характеристик этих приборов. Биполярные транзисторы являются усилителями сигнального тока и воспроизводят на выходе усиленный входной сигнальный ток, в то время как в полевых транзисторах выходным сигнальным током управляет приложенное ко входу напряжение сигнала. Существуют два типа ПТ: с управляющим р — n-переходом и металл — окисел — полупроводник (МОП). (МОП-транзисторы называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором.) Полевые транзисторы обоих типов изготовляют с n- и р-каналами. В схеме на рис. 1.2, а используется ПТ с управляющим р — я-переходом, а в схеме на рис. 1.2, б — МОП- транзистор, работающий в режиме обогащения. На рис. 1.2, в изображен МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения. У МОП-транзисторов затвор изображается как бы в виде обкладки конденсатора, что символизирует емкость, возникающую в результате формирования очень тонкого слоя окисла, изолирующего металлический контакт вывода затвора от канала. (От этого способа производства и произошел термин «МОП- транзистор».) Поскольку ПТ управляются напряжением входного сигнала, а не током, как биполярные транзисторы, параметр «коэффициент усиления» сигнального тока заменяется передаточной проводимостью g m . Передаточная проводимость является мерой качества полевого транзистора и характеризует способность на- пряжения затвора управлять током стока. Выражение для передаточной проводимости выглядит следующим образом: (1.2) Единица измерения g m , называемая сименсом, есть величина, обратная единице измерения сопротивления (1 См=1/Ом). Как следует из выражения (1.2), параметр g m для ПТ есть отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвора при постоянной величине напряжения между истоком и стоком. В полевом транзисторе с управляющим р — n-переходом и каналом n-типа (рис. 1.2,а) при поступлении отрицательного напряжения на затвор происходит обеднение канала носителями зарядов и проводимость канала уменьшается. (Для ПТ с каналом р-типа проводимость уменьшается при действии положительного напряжения на затвор.) Поскольку однопереходный полевой транзистор имеет только две зоны с разными типами проводимости (выводы истока и стока подключены к одной зоне, а вывод затвора — к другой), проводимость между истоком и стоком того же типа, что и проводимость канала. Следовательно, в отличие от биполярного транзистора, у которого при U Q3 = 0 ток коллектора равен 0, ток канала может протекать даже при нулевом напряжении затвор — исток. Поскольку ток канала это функция напряжения U зи , канал полевого транзистора с управляющим р — n-переходом может проводить ток в обоих направлениях: от истока к стоку и в обратном направлении (у биполярного транзистора ток коллектора в рабочем режиме имеет всегда одно направление). При этом рабочая точка (например, для схем класса А) для таких транзисторов устанавливается путем подачи напряжения обратного смещения затвора в отличие от прямого смещения базового перехода в биполярных транзисторах [В транзисторе с управляющим р — n-переходом обычно подается запирающее напряжение U 8и на переход (отрицательное для n-канала) и максимальный ток в канале получается при U 3 и = 0. Направление тока в канале зависит от полярности источника питания, подключенного к каналу; при изменении полярности источника питания вывод, бывший стоком, становится истоком и наоборот. — Прим. ред.]. Как было отмечено выше, затвор в МОП-транзисторах изолирован от канала диэлектриком, например двуокисью кремния (SiO 2 ). При этом затвор имеет очень высокое входное сопротивление и на него может подаваться как прямое смещение для обогащения канала носителями (что будет увеличивать проходящий ток), так и обратное смещение для обеднения канала носителями (что уменьшает ток канал а). Поэтому возможно из- готовление двух различных типов МОП-транзисторов: для работы в обогащенном и обедненном режимах (здесь имеются в виду МОП-транзисторы с встроенным каналом). В МОП-транзисторе обедненного типа имеется ток стока при нулевом смещении на входе. Напряжением обратного смещения ток стока уменьшают до некоторой величины, зависящей от требуемого динамического диапазона входного сигнала. Как показано на рис. 1.2,6, у транзисторов обедненного типа линия, изображающая канал, непрерывная, что означает наличие замкнутой цепи и протекание тока в канале (тока стока) при нулевом смещении затвора. В МОП-транзисторах обогащенного типа ток стока при нулевом смещении мал. Напряжением смещения ток стока увеличивают до некоторой величины, зависящей от динамического диапазона входного сигнала. У МОП- транзисторов обогащенного типа линия, изображающая канал, прерывистая, что символизирует как бы разрыв цепи при нулевом смещении. Для того чтобы увеличить ток до величины, необходимой для нормальной работы такой схемы, как усилитель, нужно использовать соответствующее смещение. Рабочие характеристики схем, изображенных на рис. 1.Д аналогичны характеристикам схем, представленных на рис. 1.11. Схема на рис. 1.2, в наиболее пригодна для практического использования. Как и в ранее рассмотренном случае, имеет место инверсия фазы между входным и выходным сигналами. Напряжение источника питания обычно обозначают Е с . Для того чтобы уменьшить падение напряжения сигнала на внутреннем сопротивлении источников питания и смещения, их шунтируют емкостями соответствующей величины (рис. 11.2, а). Через эти емкости замыкаются токи сигнала цепей затвора и стока. 1.2. Усилители с общей базой и общим затвором На рис. 1.3 приведен другой используемый вид схем усилителей на биполярных и полевых транзисторах. На рис. 1.3, а показана схема транзисторного усилителя с общей базой (ОБ); здесь вывод базы присоединен к земле (в отношении переменной составляющей сигнала это может быть осуществлено при помощи RС-цепочки, как показано на рис. 1.2,6). В схеме, изображенной на рис. 11.3, а, входной сигнал прикладывается между эмиттером и базой, а выходной сигнал снимается с сопротивления RK, по которому течет ток коллектора. Достоинством схемы с ОБ является хорошая развязка между входной и выходной цепями, что особенно существенно для высокочастотных (ВЧ) схем, в которых внутренняя обратная связь должна быть минимальной. (Упомянутая обратная связь рассмотрена более подробно в разд. 1.12.) Заметим, что в схеме на рис. 1.3, а используется n — р — n-транзистор, а прямое смещение на входе и обратное на выходе создаются при помощи источников питания, включенных надлежащим образом. На рис. 1.3, б показана схема усилителя на ПТ, аналогичная схеме усилителя на биполярном транзисторе, изображенной на рис. 11.3, а. В схеме используется полевой транзистор с каналом р-типа и, как описывалось в разд. 1.1, на входе создается обратное смещение вместо прямого. Такую схему называют схемой с общим (заземленным) затвором. Применяемый на практике вариант схемы на МОП-транзисторе приведен на рис. 1.3, в. Сокращенным словом «Подл» обозначен дополнительный вывод подложки, присоединенный к основанию пластины, используемой в процессе изготовления транзистора. Иногда для обозна-нения затвора применяют символы з 1 и з 2 . |