Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Дифференциальный транзисторный каскад и мальчики, образовавшие «дифференциальную» пару.

Когда двое ребят качаются на доске-качелях, их движения взаимосвязаны; если один опускается вниз, другой летит вверх. Дифференциальный каскад действует подобным же образом. Если на базу одного транзистора подан открывающий положительный потенциал, ток через этот транзистор возрастает. Возрастает и падение напряжения на общем эмиттерном сопротивлении R э, следовательно, потенциал эмиттеров обоих транзисторов тоже повышается. Но потенциал базы второго транзистора остался неизменным, значит, второй транзистор будет закрываться. Сумма коллекторных токов обоих транзисторов остается неизменной, но сами токи могут изменяться (один уменьшаться, другой увеличиваться), как и высота подъема ребят на качелях. У дифференциального каскада два входа, причем реагирует он на разность потенциалов между входами. Синфазные же изменения входных напряжений, также как и напряжений питания, уже значительно меньше влияют на работу каскада. Выходной сигнал снимают с обоих выходов или же с любого из них. Дифференциальные каскады с эмиттерной связью очень широко применяются в электронной технике.

К сожалению, в одной книге нет возможности рассмотреть громадное многообразие схемотехнических решений, используемых в современной электронике. Читатели, интересующиеся вопросами построения транзисторных схем, когда потребуется, могут обратиться к специальной литературе, которая, во всяком случае в библиотеках, имеется в избытке. А пока пойдем дальше. Выше мы без тени сомнений использовали по два транзистора в устройствах, где, казалось бы, можно обойтись и одним. Двадцать лет назад применение двух ламп вместо одной было целым событием. С появлением полупроводниковой технологии положение совершенно изменилось. Все реже транзисторы и другие детали электронных схем можно увидеть в виде отдельных, как говорят, дискретных элементов. Дело в том, что сейчас уже всю схему усилителя можно выполнить на одном кристалле полупроводника! Вот как это делается.

На одном кристалле чистого полупроводника можно изготовить много транзисторов. И они не будут «мешать» друг другу или взаимодействовать между собой, ведь чистый полупроводник плохо проводит электрический ток. Добавляя в нужных местах микроскопические капельки примесей, можно получать транзисторы с их эмиттерными и коллекторными переходами. Для нужной схемы транзисторы надо соответствующим образом соединить друг с другом. Напылим между нужными точками микроскопические дорожки из металла, и соединительные проводники готовы! Если в соединительный проводник вмонтирован резистор, напылим металла поменьше, слой будет тоньше, чтобы сопротивление проводника равнялось требуемому. Или в разрыв соединительного проводника введем капельку примеси, чтобы сопротивление полупроводника в этом месте достигло нужной величины. Так формируется резистор.

Труднее обстоит дело с конденсаторами. Способами полупроводниковой интегральной технологии они не изготавливаются, поэтому часто используют гибридную технологию, напыляя или прикрепляя другим способом микроскопические керамические конденсаторы в нужных местах микросхемы. Все это, конечно, легко сказать, но нелегко сделать. Ушли годы напряженной конструкторской и изобретательской работы, прежде чем появились первые интегральные микросхемы. Разумеется, их невозможно изготовить вручную. Отполированный кристаллик кремния размерами, скажем, 1,5 х 1,5 мм закрепляется на координатном столике фотолитографической установки. На поверхность кристалла уже нанесен слой специального вещества — фоторезиста. Изображение деталей или проводников мощным объективом проецируется на кристалл, включается кварцевая лампа — происходит экспонирование. Затем неэкспонированные места вытравливаются кислотами — образуется рельефный рисунок будущей микросхемы.

Вводятся примеси. Способов много — например, ионная имплантация. В вакуумной камере мощная «пушка» излучает поток ионизированных атомов примеси. Лучик их очень узок, измеряется микрометрами. Длительность экспонирования определяет количество введенной примеси. Или, например, диффузионный способ. На кристалл наносят строго дозированные микроскопические капельки примеси, и затем кристалл нагревается в электроиндукционной печи и расплав примеси диффундирует в толщу полупроводника на строго заданную глубину. Есть множество хитроумных и сложных технологических процессов, в результате которых и получается современная интегральная микросхема. Производство их сложно, но уж если поточная линия и все технологические процессы отлажены, микросхемы можно «штамповать» десятками тысяч, и все затраты с лихвой окупаются. Разработана так называемая групповая технология, с помощью которой на одной кремниевой пластине сразу изготавливают сотни микросхем.

На рисунке показаны, как говорится, «год нынешний» и «год минувший». Одинаковые металлические корпусы диаметром 10 и высотой 8 мм. Различить детали внешне можно только по числу выводов и по маркировке на корпусе. Слева транзистор МП26 выпуска 1971 года. У него всего три вывода. Он может усилить сигнал в 30 раз, можно на нем построить генератор. Правда, в обоих случаях надо еще десяток внешних элементов, главным образом резисторов. Значит так: нужно разработать и изготовить печатную плату, сделать монтаж, наладить изготовленное устройство. И места оно займет порядочно…

Справа интегральный операционный усилитель К140УД8А выпуска 1982 года. Восемь выводов. Коэффициент усиления 50 000. Вход практически не шунтирует источник сигнала — входное сопротивление более 1000 МОм (миллионов ом!). Выход, правда, маломощный (допустимое сопротивление нагрузки 2 кОм), зато и потребляемый от источников питания ток составляет всего 3 мА. Заметен прогресс? То ли еще будет, когда мы обратимся к цифровой технике. А пока подробнее об этом и подобных ему усилителях.

От биполярного транзистора к операционному усилителю.

Операционный усилитель один из самых главных «кирпичиков» современной аналоговой электроники. Он спроектирован так, чтобы удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчиков электронной техники. Вот его обозначение:

Операционный усилитель.

У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный «+», и инвертирующий, обозначенный «—». Если на неинвертирующий вход подать положительный потенциал, то потенциал на выходе возрастет. Но если положительный потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе уменьшится.