Транзисторная схемотехника

Транзисторная схемотехника — это раздел электроники, посвящённый проектированию, расчёту и построению электронных схем на основе транзисторов. Она охватывает принципы включения транзисторов, методы обеспечения их статического режима (задания рабочей точки), способы связи между каскадами, а также типовые схемные решения для усиления, генерации, переключения и преобразования электрических сигналов. Транзисторная схемотехника является фундаментом современной аналоговой и цифровой электроники, вытеснив в середине XX века ламповую схемотехнику благодаря меньшим габаритам, энергопотреблению и большей надёжности.

История развития

Первые транзисторы, изобретённые в 1947 году в Bell Labs (Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн), были точечно-контактными и имели низкую воспроизводимость параметров. Развитие транзисторной схемотехники началось с попыток адаптировать схемы, ранее использовавшиеся для вакуумных ламп. Однако транзисторы принципиально отличались: они были токовыми приборами (в отличие от ламп, управляемых напряжением), имели низкое входное сопротивление и сильную зависимость параметров от температуры.

В 1950-е годы были разработаны основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Советский учёный и инженер И. П. Степаненко внёс значительный вклад в теорию расчёта транзисторных каскадов, опубликовав в 1959 году фундаментальный труд «Основы теории транзисторов и транзисторных схем». В 1960-х годах, с появлением кремниевых планарных транзисторов, схемотехника стала массовой: появились интегральные микросхемы, где транзисторы и пассивные компоненты формировались на одном кристалле. В СССР активно развивалась школа транзисторной схемотехники в рамках создания вычислительной техники (например, серии ЭВМ «Урал», «Минск», «Эльбрус»).

Основные схемы включения транзисторов

Транзистор (биполярный или полевой) может быть включён в схему тремя основными способами, каждый из которых определяет его усилительные и частотные свойства.

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Наиболее распространённая схема для биполярных транзисторов. Входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, выходной снимается с коллектора относительно эмиттера. Эмиттер является общим для входа и выхода.

• Коэффициент усиления по напряжению: высокий (десятки — сотни).
• Коэффициент усиления по току: высокий (равен h21э, обычно 20–500).
• Входное сопротивление: среднее (сотни Ом — единицы кОм).
• Выходное сопротивление: среднее (единицы — десятки кОм).
• Инверсия фазы: выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвиг фазы 180°).
• Применение: усилители напряжения, предварительные каскады, логические элементы (ТТЛ).

Схема с общим коллектором (ОК)

Также известна как эмиттерный повторитель. Входной сигнал подаётся на базу, выходной снимается с эмиттера. Коллектор является общим для входа и выхода (обычно подключён к шине питания).

• Коэффициент усиления по напряжению: близок к 1 (менее 1, обычно 0,9–0,99).
• Коэффициент усиления по току: высокий (равен h21э + 1).
• Входное сопротивление: высокое (десятки — сотни кОм).
• Выходное сопротивление: низкое (единицы — десятки Ом).
• Инверсия фазы: отсутствует (синфазный повторитель).
• Применение: согласование высокоомного источника с низкоомной нагрузкой, буферные каскады, стабилизаторы напряжения.

Схема с общей базой (ОБ)

Входной сигнал подаётся на эмиттер, выходной снимается с коллектора. База является общим электродом (обычно заземлена по переменному току).

• Коэффициент усиления по напряжению: высокий (десятки — сотни).
• Коэффициент усиления по току: близок к 1 (менее 1, так как Iк ≈ Iэ).
• Входное сопротивление: очень низкое (единицы — десятки Ом).
• Выходное сопротивление: высокое (сотни кОм — единицы МОм).
• Инверсия фазы: отсутствует.
• Частотные свойства: наилучшие среди трёх схем (широкая полоса пропускания).
• Применение: высокочастотные усилители, каскодные схемы, входные каскады измерительных усилителей.

Режимы работы транзистора

Транзисторная схемотехника оперирует тремя основными режимами работы транзистора:

• Активный (линейный) режим: переход база-эмиттер смещён в прямом направлении, переход база-коллектор — в обратном. Транзистор работает как усилитель, ток коллектора пропорционален току базы (Iк = h21э * Iб). Используется в аналоговых схемах.
• Режим насыщения: оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт, падение напряжения между коллектором и эмиттером минимально (0,1–0,3 В для кремниевых транзисторов). Используется в ключевых (цифровых) схемах как замкнутый ключ.
• Режим отсечки: оба перехода смещены в обратном направлении. Транзистор заперт, ток коллектора практически равен нулю (единицы микроампер). Используется в ключевых схемах как разомкнутый ключ.

Типовые схемные решения

Усилительные каскады

Простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером включает:

• Резистор в цепи коллектора (Rк) — для создания выходного напряжения.
• Резистор в цепи эмиттера (Rэ) — для термостабилизации рабочей точки (отрицательная обратная связь по постоянному току).
• Делитель напряжения в цепи базы (R1, R2) — для задания напряжения смещения.
• Разделительные конденсаторы (C1, C2) — для отделения постоянной составляющей от источника сигнала и нагрузки.

Для повышения коэффициента усиления и расширения полосы пропускания применяются каскодные схемы (каскад ОЭ — каскад ОБ), дифференциальные каскады (основа операционных усилителей) и усилители с гальванической связью.

Генераторы сигналов

Транзисторные генераторы строятся на основе усилительного каскада, охваченного положительной обратной связью. Типовые схемы:

• RC-генераторы (с фазосдвигающей цепью или мостом Вина) — для низких частот.
• LC-генераторы (с трансформаторной, индуктивной или ёмкостной обратной связью) — для высоких частот.
• Кварцевые генераторы — для стабильных частот (используют пьезоэлектрический резонатор).

Ключевые схемы

Транзисторные ключи лежат в основе цифровой логики. Простейший ключ на биполярном транзисторе с общим эмиттером управляется напряжением на базе. При подаче достаточного тока базы транзистор входит в насыщение, и нагрузка (например, светодиод или реле) подключается к питанию. Для ускорения переключения применяются форсирующие конденсаторы и схемы с диодом Шоттки (транзисторы Шоттки в ТТЛШ-логике).

Токовое зеркало

Схема, воспроизводящая входной ток на выходе с заданным коэффициентом. Простейшее токовое зеркало состоит из двух согласованных транзисторов с соединёнными базами. Используется в аналоговых интегральных схемах (операционные усилители, компараторы) для задания токов смещения.

Особенности схемотехники на полевых транзисторах

Полевые транзисторы (ПТ) — с управляющим p-n-переходом (JFET) и с изолированным затвором (MOSFET) — имеют принципиальные отличия от биполярных:

• Высокое входное сопротивление (10^9–10^14 Ом для MOSFET), что позволяет строить схемы с малым потреблением тока по входу.
• Управление напряжением, а не током.
• Меньший коэффициент усиления по напряжению в типовых схемах (для MOSFET — 10–50).

Основные схемы включения полевых транзисторов:

• С общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ, даёт усиление по напряжению и инверсию фазы.
• С общим стоком (ОС) — истоковый повторитель, аналог ОК (высокое входное, низкое выходное сопротивление).
• С общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ, используется на высоких частотах.

В цифровой схемотехнике ключевым элементом является КМОП-инвертор (комплементарная пара MOSFET — n-канальный и p-канальный). КМОП-логика (CMOS) отличается крайне низким потреблением в статическом режиме и широко применяется в микропроцессорах, микроконтроллерах и запоминающих устройствах.

Применение

Транзисторная схемотехника является основой для:

• Аналоговых устройств: усилители звуковых и видеочастот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения, радиоприёмники и передатчики.
• Цифровых устройств: логические элементы, триггеры, счётчики, регистры, микропроцессоры, микроконтроллеры, ПЛИС.
• Силовой электроники: импульсные источники питания, инверторы, преобразователи частоты, драйверы двигателей.
• Измерительной техники: мультиметры, осциллографы, генераторы сигналов.

Источники

• Степаненко И. П. «Основы теории транзисторов и транзисторных схем». — М.: Госэнергоиздат, 1959.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». — М.: Мир, 1982.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 1983.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. «Электроника и микропроцессорная техника». — М.: Высшая школа, 2005.