Что такое обвязка в электронике
Биполярные транзисторы. For dummies
Предисловие
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзисторы. Определение и история
Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Режимы работы биполярного транзистора
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
Схема включения с общей базой
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Схема включения с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Два слова о каскадах
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. 
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).
Другие области применения биполярных транзисторов
Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.
О развязке питания с примерами
Когда я участвовал в проведении конкурса 7400, я понял, что многим из представленных логических схем для надежной работы не хватает простейших защитных элементов. Одним из самых часто встречающихся недостатков конструкции было отсутствие блокировочных емкостей. Позже, прочитав статью о законе Мёрфи, я решил немного написать о развязке и блокировочных конденсаторах.
Как человек, которого можно назвать старожилом в области электроники, я познакомился с проблемой отсутствия развязки на собственном опыте. Свою первую высокоскоростную схему я собрал, будучи стажером в крупной фирме по производству электроники. Та схема, цифровой частотомер, была собрана на логике семейства 74Fxx и работала на частоте 11 МГц (по тем временам это считалось очень много). Это была плата размером 23 × 16 см (Double Eurocard), содержащая около 40 микросхем, соединенных монтажом накруткой (wire wrap). Когда пришло время ее включать, я увидел, что схема не работает, как надо, а выдает полную ерунду.
Проверив несколько раз сборку, я рассказал о проблеме своему руководителю, а он взглянул на плату и сказал: «Не хватает блокировочных конденсаторов. Поставь их на питание около каждой микросхемы, тогда и поговорим.» Совершенно растерянный, я сделал, как было сказано, и — о чудо! — все сразу заработало. Почему, казалось бы, ни на что не влияющая емкость заставила схему работать? Мой руководитель рассказал мне о бросках тока при переключении, об индуктивности проводников и о развязке. Я признаю, что прошло несколько лет, прежде чем я действительно понял, что он тогда говорил, но урок был усвоен: всегда ставить конденсаторы на питание цифровых микросхем.
Термины «блокировочный конденсатор» и «развязка» — не случайные слова, а имеют в данном контексте вполне определенное значение:
развязка — действие, направленное на (частичное) отделение цепей питания микросхемы от общего источника питания;
блокировочный конденсатор — конденсатор, установленный таким образом, что он шунтирует питание микросхемы и действует как местный источник питания.
Почему это всё так важно? Взгляните, например, сюда:
Рисунок 1. Отсутствие блокировочноых конденсаторов.
Разве это похоже на цифровой сигнал? Такую ерунду вы получите без блокировочных конденсаторов.
Пожалуйста, обратите внимание, что тактовая частота не важна. Проблема заключается в восходящих и спадающих фронтах сигнала. Так, одни и те же соображения применимы для систем, работающих на частоте 1 Гц, 20 кГц или 50 МГц. Используемые частоты в примерах ниже выбраны такими, чтобы их было удобно наблюдать на осциллографе.
Следует отметить, что на высокой частоте сбой наступает быстрее, чем на низкой, за счет большего числа фронтов в единицу времени. Однако это не означает, что низкочастотные схемы будут работать надежно. Это далеко не так, они будут сбоить так же легко, согласно закону Мёрфи. Да, и кстати, вы подумали о ваших маленьких микроконтроллерах, работающих на частоте 16 МГц?
Измерение всплесков тока
Чтобы увидеть, что происходит, нужно измерить токи, протекающие через схему. Вот простая экспериментальная установка, собранная для иллюстрации:
Рисунок 2. Подключение инвертора.
Рисунок 3. Измерительная схема.
Генератор импульсов подключен к инвертору 74HC04, нагруженному на емкость 10 пФ. Сигнал на выходе инвертора, TP1, показан на верхней осциллограмме. Источник питания подключен к выводам микросхемы 7 и 14. В разрыв земляного проводника включен токоизмерительный резистор 10 Ом.
Напряжение в точке TP2 пропорционально потребляемому микросхемой току и отображается на нижней осциллограмме. Блокировочный конденсатор может быть подключен или отключен при необходимости. Щупы осциллографа снабжены делителями 1:10, так что масштаб осциллограммы по вертикали нужно умножить на 10. Все неиспользуемые входы 74HC04 заземлены. Установка выглядит так:
Рисунок 4. Установка, собраннная на макетной плате.
Рисунок 5 показывает проблемы, возникающие на высоких и низких частотах. Картинки слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.
Рисунок 5. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал).
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.
Рисунок 6. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).
Сверху — задний (спадающий) фронт, снизу — передний (восходящий) фронт.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.
Оценка потребляемого тока
Микросхема 74HC04 выполнена по технологии КМОП. Это означает, что статический потребляемый ток близок к нулю. Ток потребляется только при переключениях из «0» в «1» и из «1» в «0». При переключении все нагрузочные и паразитные емкости должны быть перезаряжены. Для экспериментальной схемы нагрузка имеет емкость 10 пФ. Сюда нужно добавить емкости выводов и паразитные емкости, которые составляют примерно 5+2 пФ. Щуп осциллографа имеет емкость 10 пФ, которую тоже нужно учесть. Таким образом, суммарная емкость нагрузки на выходе инвертора примерно 27 пФ.
Это означает, что через выход инвертора при каждом переключении втекает или вытекает огромный (по меркам КМОП. — Прим. перев.) ток. Откуда черпается энергия на это? Конечно, из источника питания. На рисунке 6 хорошо видно, что ток не возникает мгновенно, а нарастает до определенного уровня, а затем падает снова. Такое поведение явно указывает на наличие индуктивных элементов.
Лучше всего это видно на рисунке 6 справа, где ток достигает максимума в тот момент, когда выходное напряжение падает до нуля. Затем ток падает, вызывая провал выходного напряжения. Расчетный ток достаточно хорошо совпадает с измеренным, учитывая, что была проведена лишь простейшая оценка.
Так зачем же нужен блокировочный конденсатор?
Еще раз внимательно взглянем на нижнюю половину рисунка 6. Слева выходное напряжение не доходит до 5 В в течение некоторого времени, а справа — достигает почти сразу. Без блокировочного конденсатора микросхеме не хватает мощности питания для формирования крутого фронта, и напряжение застревает на уровне 4 вольт. Блокировочный конденсатор выдает необходимую мгновенную мощность на некоторое время.
Блокировочный конденсатор примерно в 4000 раз больше, чем емкость нагрузки, значит, следует ожидать, что падение напряжения питания будет в 4000 раз ниже (чем размах выходного напряжения. — Прим. перев.) — порядка 1-2 мВ.
При обратном переключении, из «1» в «0», как на рисунке 6 сверху, блокировочный конденсатор выступает в роли резервуара для принятия выделившейся энергии. Емкость нагрузки разряжается, и ток должен стечь на землю. Тем не менее, энергия не может быть мгновенно передана в источник питания, и блокировочный конденсатор будет временно хранить ее.
Локальный источник питания
Основной источник питания не может обеспечить микросхему достаточной мощностью из-за индуктивности проводников. Каждый провод обладает паразитной индуктивностью, которая препятствует изменению тока. Из определения индуктивности:
U = L · dI / dt ⇒ dI = U · dt / L
Из этого уравнения видно, что изменение тока обратно пропорционально индуктивности. Иными словами, если возрастает индуктивность, становится труднее изменить ток за заданный промежуток времени, при прочих равных параметрах. Кроме того, изменение тока вызывает падение напряжения на индуктивности. Чем длиннее провод (или дорожка на плате) тем более высокую индуктивность он имеет, тем сильнее он сопротивляется быстрому изменению тока, и тем больше будет падение напряжения.
Блокировочный конденсатор является локальным накопителем энергии. Он всегда должен быть установлен как можно ближе к выводам питания микросхемы, чтобы свести к минимуму индуктивность проводников от конденсатора до микросхемы. Такая схема развязывает общие и локальные цепи питания.
Увеличиваем нагрузку
Микросхема состоит из шести инверторов, поэтому схему можно изменить так, чтобы увеличить потребляемый ток:
Рисунок 7. Экспериментальная схема с дополнительной нагрузкой.
Рисунок 8. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал) для схемы с дополнительной нагрузкой.
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.
Обратите внимание на другой масштаб по оси Y для канала измерения тока, по сравнению с рисунками 5 и 6.
Ток через вывод GND теперь имеет выбросы около 70 мА при отсутствии блокировочного конденсатора. Если же последний установлен, снова наблюдаем симметричную форму выбросов амплитудой ±50 мА при восходящих и спадающих фронтах.
Обратите внимание, что фронт сигнала, как видно на рисунке 8 внизу слева, теперь гораздо более пологий. Микросхеме просто-напросто не хватает энергии для быстрого переключения. Установка блокировочного конденсатора (рисунок 8 справа) восстанавливает крутизну фронта до приемлемого уровня.
Рисунок 9. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).
Слева — задний (спадающий) фронт, справа — передний (восходящий) фронт.
Блокировочный конденсатор установлен.
Подробное рассмотрение фронтов сигнала выявляет увеличенный по продолжительности выброс тока, что вызвано большими потребностями в энергии. Нагрузка микросхемы примерно в шесть раз выше, чем раньше (первый инвертор нагружен на входные емкости остальных инверторов, которые составляют 5 раз по 5 пФ).
Это был лишь простой пример — микросхема из шести инверторов. А теперь экстраполируйте вышесказанное на сложную логическую схему, содержащую множество элементов и множество внутренних соединений. В ней очень много паразитных емкостей, которые должны перезаряжаться при каждом изменении входных сигналов. Наконец, представьте себе микроконтроллер, состоящий из многих тысяч вентилей.
Заземление
Изложенные выше объяснения и иллюстрации должны дать ясное понимание того, что блокировочный конденсатор — важный элемент, выполняющий свою специальную функцию. Он запасает энергию источника питания локально, выдает её при необходимости, а также принимает избытки энергии.
Локальное хранилище энергии постоянно пополняется из основного источника питания через проводник Vcc. В то же время, избыточная энергия должна быть сброшена в источник питания через проводник GND. Сброс энергии в блокировочный конденсатор повышает напряжение на нем, и, по сути, кратковременно создает на схеме локальную область с другим потенциалом. Устранение этого дисбаланса является очень важным и осуществляется при помощи заземления. (Здесь под заземлением понимается не подключение к массе нашей планеты, а соединение с общим проводом источника питания. — Прим. перев.)
Печатные платы часто имеют отдельные заземленные слои, которые очень эффективны для соединения элементов с общим проводником источника питания. Хорошо проработанная разводка земли имеет первостепенное значение для сброса избыточной энергии. Но будьте осторожны, в сплошном заземленном слое могут возникать вихревые токи, а многочисленные связи с общим проводом — образовывать т.н. земляные петли.
Всегда будет хорошей идеей обратиться к знакомому разработчику со стажем. Большинство ошибок уже было кем-либо допушено раньше, и нет никакой необходимости повторять их до бесконечности.