- Автор материала для радиолюбителя
- Гаврилов С. А.
Книга является путеводителем для радиолюбителя и начинающего разработчика в мир создания электронных схем на полупроводниковых элементах. Глубина рассмотрения сочетается с предельной доступностью, использованием наиболее простых и «прозрачных» методов синтеза схем и их анализа. Выдержан принцип пошагового рассмотрения — от простого к сложному.
Радиолюбителям эта уникальная книга поможет перейти от слепого копирования схем к созданию собственных конструкций. Создаются и сравниваются аналогичные конструкции на различной элементной базе.
Содержится интересный разбор частых заблуждений и ошибок, много полезного материала из практики разработчиков электронных схем.
Книга предназначена для радиолюбителей и начинающих разработчиков. В ряде случаев книга будет полезна профессиональным разработчикам и студентам радиотехнических специальностей: изложение ведется на достаточно серьезном уровне.
ВВЕДЕНИЕ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ
Эта книга посвящена схемотехнике. В ней рассказывается о том, что такое полупроводниковые электронные схемы, как они действуют, и как их придумывают.
Книга адресована разным категориям читателей: от радиолюбителей до студентов и профессионалов. Любителям она должна помочь перейти от копирования готовых (и часто непонятно, как работающих) схем к разработке собственных конструкций, да еще и не требующих кропотливого «налаживания». Разработчикам-профи — помочь
в решении неизменно волнующих проблем: повторяемость при серийном производстве, взаимозаменяемость элементов, технологичность, надежность.
Автор будет удовлетворен, если его труд пригодится и студентам радиотехнических специальностей, которые испытывают нужду в пособиях по схемотехнике полупроводников.
По указанной причине книга многослойна, и прежде излагаются базовые сведения. Вопросы количественного анализа схем, а также дополнительные, необязательные материалы вынесены в отдельные параграфы. Чтобы те, для кого они поначалу трудны или неинтересны, могли их пропустить.
Каждый «Шаг» сопровождается разбором практических вопросов. Сюжеты вопросов ни в коей мере не надуманные: отбирались типичные ошибки (а иногда, наоборот, остроумные решения), взятые из популярных книт, журналов, брошюр, технической документации, наконец, из опыта. Впрочем, и вся книга базируется на разборе характерных ошибок и заблуждений.
Не стоит рассчитывать найти здесь подобие рецептурного справочника с набором «типовых схем». Между прочим, не одно стандартное блюдо бывало безнадежно испорчено из-за опечатки в кулинарной книге...
Разработчики-профессионалы никогда не пользуются готовыми методиками расчетов, если не убеждены в адекватности исходной модели. А такое убеждение всегда основывается на глубоком понимании процессов, происходящих в схеме. В этом духе и написана книга.
Неплохо, если читатель имеет определенный опыт практической работы: эта книга поможет по-новому взглянуть на известное.
Кстати, чтобы не было скучно, в повествование вкраплены диалоги с воображаемым радиолюбителем.
Предполагаю, что вам знакомы основы электро- и радиотехники, теории полупроводников?
Радиолюбитель: Да, я изучал эти вещи. Конечно, позабылось кое-что...
Потому-то я привожу некоторые минимально необходимые сведения из числа тех, что трудно усваиваются, но легко забываются.
Радиолюбитель: Но уж, зато закон Ома я знаю твердо!
И это самое главное.
Вы заметите, что различного рода выкладки кое-где сокращены в тексте до минимума, порой не даются итоговые формулы или результаты. Это значит, что приведенного материала достаточно для их получения.
Радиолюбитель: Что же выходит: читать придется с карандашом в руках?
Вообще-то крайне желательно.
Автор не счел нужным предварять текст изложением системы обозначений. Всякий легко поймет, что, например, 0, — это напряжение между базой и эмиттером, а под 1», подразумевается ток коллектора транзистора, второго по схеме. Подобные обозначения общеприняты и в целом соответствуют стандартам.
Тот, кто имеет опыт работы с электронными схемами, привыкает отсчитывать напряжения в различных точках от нулевой шины. Это и понятно: вольтметр и осциллограф на его рабочем столе одним полюсом постоянно заземлены, Здесь при анализе схем мы тоже, как правило, будем пользоваться потенциалами относительно «земли», то есть одной из общих шин, условно принятой за нулевую для всех напряжений, и (для упрощения) обозначаемой соответствующим значком. Никакого другого смысла «земляная шина» в себе не заключаёт, и вообще-то назначается достаточно произвольно. Все, что еще можно добавить по этому поводу (а добавить можно немало), содержит «Шаг9».
ПРЕДИСЛОВИЕ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ
Вы взялись за разработку полупроводниковых схемных структур. Любое проектирование — это выбор оптимального варианта достижения цели (из многих возможных). Между прочим, осознание этого явилось огромным шагом от начальных лет развития радио, когда построение работоспособного устройства казалось уже успехом.
Впрочем, понятие об оптимальном варианте кажется очевидным, пока не взялся за дело. Всегда важные для заказчика показатели качества (к примеру, чувствительность, точность, быстродействие, стоимость, надежность, масса, технологичность) — чаще всего противоречат друг друту.
Оптимизация означает не только нахождение технических решений, кардинально улучшающих все или большинство показателей, но еще и неизбежный компромисс. Основанием для такого компромисса является если не четкое выдвижение, то, по крайней мере, интуитивное осознание некоторого обобщенного критерия оптимальности,
включающего частные показатели качества с определенными «весами» (или коэффициентами значимости), с учетом ряда ограничений (скажем, заданное напряжение питания; электронные компоненты, разрешенные к применению в отрасли ит. д.).
Разработка схемы предполагает, следовательно, умение выдвинуть различные варианты, а также умение произвести отбор, в этом состоит техника дела. Разработчик должен знать основные конфигурации электронных каскадов, принципы синтеза таких конфигураций — во-первых. Во-вторых, он должен владеть методами анализа, дающими возможность рассчитать электрические параметры схемных структур за разумное время. Во всем этом, возможно, и поможет читателю книга.
Речь в ней пойдет о методах, которые позволяют, избегая применения многоэтажных формул и головоломных графических построений, произвести легкий анализ полупроводниковых схем с обоснованной точностью. Такой анализ должен быть в максимальной степени «прозрачным»: требуется не только убедиться, что конкретная конфигурация выполняет заданные функции, но также и увидеть, какие имеются запасы, какие параметры схемы наиболее критичны.
Кстати, о точности. Нелепо всерьез учитывать при расчете факторы, дающие, скажем, 1-процентную поправку к вычислениям, в то время как даже пассивные элементы схемы будут иметь разброс действительных значений величин до 20% относительно номиналов. Еще хуже, если разработчик выписывает полученный результат с четырьмя-пятью значащими цифрами: этим он вводит в заблуждение других.
Расчет вообще не исчерпывается получением некоторых численных результатов: необходима еще и их интерпретация. Достаточно напомнить, что расчеты могут предназначаться для следующего.
Во-первых, для оценки порядка величин. Это — грубые расчеты, итогам которых нельзя доверять ни в одной значащей цифре, и, тем не менее, без них не обойтись: они нужны при ориентировочной прикидке пригодности предлагаемых решений.
Во-вторых, для получения более или менее достоверных значений искомых электрических величин. Такой расчет обязательно должен сопровождаться оценкой точности получаемого результата (на худой конец — прикидочной, «на глаз»). И уж, во всяком случае, необходимо помнить, что его точность не может быть выше точности исходных
данных!
В-третьих, для нахождения гарантированных верхних или нижних границ величин. Расчеты такого рода очень распространены. Ведь относительно многих исходных данных (скажем, параметров полупроводниковых элементов) мы имеем информацию лишь об их предельных значениях. Да и технические требования на проектируемую аппаратуру тоже бывают заданы по типу «не более..» или «не менее... Любые формулы, описывающие устройства, процессы и т. д. — относятся к принятой математической модели, в большей или меньшей степени отражающей реальные взаимосвязи. В частности, на таких моделях базируются и системы проектирования в виде популярных компьютерных программ.
Разработчик не должен опасаться использования грубых, но простых моделей там, где это кажется допустимым. С другой стороны, следует помнить о приближенном характере даже весьма точной модели, всегда оценивая границы применимости предлагаемых формул и методов.
На пути использования моделей, шокирующих примитивностью, специалиста воодушевляет одно соображение: он вовсе не требует от расчетной модели результатов, близких к действительности. Достаточно лишь уверенности, что даваемые ей результаты наверняка не лучше действительности! Если вам показалось, что в последней фразе опечатка, — не страшно; по ходу изложения вы поймете, о чем речь. Важно, — и нам придется далее много раз в этом убеждаться, — что характер используемой модели обычно диктуется не мыслью теоретика, не произволом разработчика, а наличием достоверных исходных данных.
Утверждение, что разработка электронных схем не может основываться на реальных характеристиках и величинах параметров применяемых полупроводниковых приборов, покажется очередным парадоксом. Однако это так. Знакомые по вузовским учебникам у- или В-параметры эквивалентного четырехполюсника, параметры физических эквивалентных схем, кривые вольтамперных характеристик — играют свою роль как удобные средства теоретического анализа. Но они вовсе не имеют того значения необходимых данных для разработки, какое можно из этих учебников вывести.
А поскольку все же нередки жалобы на то, что в справочниках не найти нужных сведений, то не будет здесь излишним еще и разъяснение смысла числовых величин, которые фигурируют в технической документации на комплектующие изделия.
Первичный документ, откуда данные на радиокомпонент определенного типа переходят в паспорт, справочники, каталоги, — это технические условия. В согласии с ними производится приемка полупроводниковых приборов на заводе-изготовителе. И значения числовых характеристик транзистора или диода (тех, которые там записаны) вовсе не являются справочными; это — приемочные нормы. Они играют важную роль при отбраковке дефектных приборов в испытаниях, а также при отладке технологического процесса.
Таким путем в «справочных» данных оказываются не действительные значения, а лишь гарантированные границы, да и то только некоторых «параметров» дискретного транзистора. Смысл иных нередко даже непонятен начинающему, который и остается в недоумении: что могут дать для целей расчета столь скудные, как кажется, сведения?
Но проводить при выпуске с завода контроль полного набора возможных параметров, гарантировать статические характеристики изготовитель не в состоянии... Да это и не требуется. Почему?
Во-первых, параметры и характеристики полупроводниковых приборов подвержены сильному температурному дрейфу и вдобавок имеют большой разброс от экземпляра к экземпляру; о каких-либо «точных» их значениях для данного типа не может идти речи.
Во-вторых, если в работе схемы играют существенную роль нестабильные и малодостоверные параметры и характеристики, такую схему просто не следует использовать.
Современные технические требования к устройствам, понятия о культуре разработки диктуют выбор эффективных и стабильных схемных конфигураций, свойства которых, конечно, не должны зависеть от разброса и дрейфа параметров полупроводников (в границах технических норм). Как правило, исключается и какой-либо отбор
активных элементов. В еще большей степени это справедливо при разработке интегральных схем, когда ориентироваться приходится только на физику процессов и границы технологических допусков.
Значит, необходим особый подход к разработке, не дублирующий методику теоретического анализа. Такой подход и будет проведен в книге.
