В борьбе за транзистор победил германий
Американским ученым-материаловедам удалось создать двумерное (одноатомное) вещество на основе германия с включенными в него атомами водорода. Его назвали «германан». Опыты показали, что германан является отличным полупроводником, электричество через него проходит в разы быстрее, чем через кремний, и он весьма устойчив, не окисляется.
Сегодня уже многие забыли о том, что именно германий, а не кремний считался самым перспективным материалам для создания микроскопических транзисторов. Один из создателей знаменитой Кремниевой долины (у нас ее ошибочно называют Силиконовой), а также создатель современной полупроводниковой электроники физик Уильям Шокли получил Нобелевскую премию за биполярный транзистор, созданный именно из германия. Этому элементу пророчили большое будущее, но жизнь, как обычно, расставила все на свои места.
Когда инженеры начали активно экспериментировать с германиевыми транзисторами, выяснилось, что у данного элемента таблицы Менделеева под номером 32 имеется один существенный недостаток. Он достаточно быстро окисляется на воздухе, а получающийся оксид уже не обладает теми уникальными свойствами полупроводника, как чистый германий. Этот минус сразу же перекрыл все плюсы германиевых транзисторов — ведь полностью изолировать их от проникновения воздуха в условиях, по крайней мере, нашей планеты практически невозможно.
Запасы германия не редки в земной коре, его количество в пять раз превосходит серебро, однако германий очень сложно добывать, поскольку этот элемент почти не образует собственные минералы. Обычно он встречается в виде примеси к полиметаллическим, вольфрамовым или никелевым рудам, а также как добавка в силикатах. Оттуда германий выделяют в виде оксида, который после восстанавливают водородом при температуре в 600 градусов. А это, как вы понимаете, весьма дорогостоящий процесс — недаром сейчас цена за один килограмм германия равняется 1200 долларов США.
Именно поэтому ученые из Кремниевой долины решили отказаться от германиевых транзисторов и использовать в электронике его родственника — кремний. И хотя скорость электронов в кремниевых транзисторах была в пять раз ниже, чем в германиевых, устойчивость этого элемента на воздухе и его дешевизна оказались решающими — полупроводниковые приборы из кремния завоевали весь мир.
Впрочем, работы по использованию германия не прекратились, ведь кроме транзисторов этот элемент присутствует во многих приборах, например, в детекторных диодах. И все это время ученые пытались разными способами уменьшить способность материалов из данного элемента окислятся на воздухе, то есть повысить их устойчивость. И вот недавно группе материаловедов из Университета штата Огайо (США), которую возглавляет доктор Джошуа Голдбергер, удалось это сделать.
В результате серии экспериментов ученые создали значительный по размерам двумерный (то есть одноатомный в толщину) образец вещества на основе германия. Подобное уже создавалось на основе многих веществ, например, углерода — его двумерная модификация называется графан (гидрированный графен, в котором каждый атом углерода связан дополнительно с атомом водорода). Водород имеется и в похожем новом веществе на основе германия, поэтому разработчики назвали его германаном (по аналогии с графаном).
Для того, чтобы получить это вещество, исследователи применили нестандартную методику. Обычный германий состоит из многослойных кристаллов, в которых отдельные атомарные слои нестабильны, то есть они могут смещаться друг относительно друга. И для того, чтобы получить устойчивый слой из германия ученые группы Голдбергера вырастили кристаллы этого элемента с включениями из атомов кальция. Когда формирование кристаллов закончилось, кальций был растворен в воде, а на освободившиеся места ученые внедрили атомы водорода. Именно это и позволило без всяких проблем отделить от исходного кристалла одноатомные слои.
После того, как германан был получен, ученые-материаловеды изучили его физические и химические свойства. Выяснилось, что включенный в его состав водород придал материалу стабильность — германан совсем не окисляется на воздухе. Но самый большой сюрприз ожидал исследователей, когда они измерили электронную проводимость нового вещества — выяснилось, что скорость движения электронов в германане в пять раз выше, чем в чистом германии, и в десять раз — чем в кремнии!
Это, как вы понимаете, моментально сделало германан одним из самых перспективных материалов для полупроводниковой электроники будущего. Дело в том, что сейчас при тенденции миниатюризации транзисторов скорость перемещения электрона в полупроводнике играет значительную роль — ведь при малых размерах транзистора и медленном электроне эффективность работы устройства существенно снижается. Таким образом, у германия появился шанс взять реванш у кремния и вытеснить его из современной компьютерной сферы и других высокотехнологических отраслей.
Кроме того, ученые выяснили, что германан, в отличие от кремния, является прямопереходным полупроводником, то есть в нем электрон при переходе из зоны проводимости в валентную зону не теряет свой импульс. А это значит, что при этом может испускаться фотон (чего не происходит в кремнии). Подобное свойство делает перспективным использование германана в оптоэлектронике — приборах, где происходит преобразование электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно (фототранзисторы, фоторезисторы и т. п).
Итак, наука внесла свои коррективы — оказалось, что время владычества кремния в электронике не бесконечно, а полупроводники на основе германия рано было сбрасывать со счетов. Ученые в очередной раз подтвердили и тот факт, что старые разработки забывать не следует — они могут служить источниками новых идей. Это случилось и с германиевыми транзисторами, которые в новом качестве опять возвращаются на рынок электроники…
Читайте самое интересное в рубрике «Наука и техника»
Добавьте Pravda в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google
Также будем рады вам в наших сообществах в Дзене, ВКонтакте, Одноклассниках.
Кремний против германия в усилителях одинаковой ретро-структуры и новый германиевый кит в конце
Предлагаемый стереофонический усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) выполнен по схемотехнике более чем полувековой давности с одним каскадом усиления напряжения. Его отличительной чертой является применение «звуковых» кремниевых транзисторов.
Среди любителей высококачественного звуковоспроизведения до сих пор популярна подобная структура на германиевых транзисторах [1-4]. А высокое качество звуковоспроизведения этих усилителей объясняют «чудесными свойствами» германия.
Сравнив две конструкции с близкой принципиальной схемой, выполненные на разной элементной базе, можно на практике убедиться, так ли это.
Забегая вперёд, скажу, что в итоге получилось три достойных усилителя.
И кремний и германий хороши при верной схемотехнике. Приятного творчества!
Содержание статьи / Table Of Contents
↑ Играет германий!
В настоящее время германиевые транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми, имеющими лучшие параметры и самое главное, лучшую температурную стабильность. Решающей причиной смены германиевых транзисторов кремниевыми стала бОльшая стоимость и дефицит сырья.
Тем не менее, в арсеналах радиолюбителей осталось много германиевых транзисторов, поэтому не мешает еще раз оценить аудиосвойства германия с современных позиций.
Рассмотрим усилитель на германиевых транзисторах, построенный по схеме, изображенной на рис. 1. Усилитель реализован в «железе» Ж. Цихисели, опубликован в журнале AudioVideo [3]. Специалисты редакции дали высокую оценку звучанию усилителя.
Предложенная схема представляет собой усилитель постоянного тока с непосредственной связью. Предварительный каскад на транзисторе VT1 усиливает сигнал по напряжению и работает в классе А. Выходной каскад является усилителем мощности, работающим в классе АВ с небольшим током покоя. Он выполнен на мощных транзисторах VT4, VT5 одного типа проводимости. Каскад на комплементарных транзисторах VT2, VT3 играет роль фазоинвертора.
Выходной каскад с фазоинвертором можно представить как квазикомплементарную структуру.
Верхнее плечо (транзисторы VT2, VT4) представляют собой составной эмиттерный повторитель – схему Дарлингтона, а нижнее (транзисторы VT3, VT5) – усилитель со следящей обратной связью, называемый по – другому схемой Шиклаи.
Транзисторы VT2, VT4 усиливают отрицательную полуволну напряжения сигнала, а VT3, VT5 – положительную.
Недостатком квазикомплементарной структуры выходного каскада является отличие коэффициентов передачи для верхнего и нижнего плеч. Коэффициент передачи нижнего плеча чуть выше, чем верхнего, хотя их значения очень близки к единице.
Отличаются также и входные сопротивления плеч, примерно на 4 – 8%; у верхнего плеча входное сопротивление выше, чем у нижнего (см. табл. 1).
Отмеченные факторы, естественно определяют начальный уровень искажений усилителя, до охвата отрицательной обратной связью.
Чтобы получить максимально возможный размах выходного сигнала, применена положительная обратная связь (ПОС), вводимая конденсатором С2 с выхода усилителя в точку соединения нагрузочных резисторов R4 и R5, увеличивающая эквивалентное сопротивление нагрузки для переменной составляющей.
Коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе VT1 определяет усиление УМЗЧ без обратной связи:
||Rвх)/rбэ1=820 (58 дБ),
где h21э – коэффициент передачи тока базы транзистора VT1,
rбэ1 – сопротивление перехода база-эмиттер транзистора VT1,
Rн
–сопротивление нагрузки VT1 с учетом действия ПОС,
Rвх – входное сопротивление оконечного каскада.
Свой вклад в начальный уровень искажений усилителя вносит также нелинейный характер сопротивления база-эмиттер транзистора VT1. Его значимость может быть уменьшена использованием предварительного усилителя с высоким выходным сопротивлением или включением последовательно с конденсатором С1 резистора для стабилизации входного сопротивления каскада на транзисторе VT1.
Расчеты показывают, что с учетом вышеописанных факторов коэффициент гармоник усилителя будет находиться на уровне 0,1…0,2%.
Дополнительная температурная стабилизация рабочей точки транзистора VT1 достигается введением местной отрицательной обратной связи по постоянному току за счет включения резистора R6 в цепь эмиттера VT1. По переменному току ООС убирается шунтированием указанного резистора конденсатором С4.
Кроме того, повышение температурной стабильности достигается применением сопротивления R3 в цепи базы VT1, а также за счет резисторов R8 и R9 в цепях эмиттеров VT2, VT3, предназначенных для ограничения обратного неуправляемого тока их коллекторов. Общая параллельная ООС по постоянному току и регулировка потенциала средней точки обеспечивается подстроечным резистором R2.
Дополнительная параллельная ООС обеспечивается цепочкой R12, C5 вынесенной за переходной конденсатор С7, благодаря чему обеспечивается широкая полоса частот, малое выходное сопротивление и низкие искажения выходного сигнала.
Особо следует упомянуть о конденсаторе С5, предотвращающем возможную неустойчивую работу усилителя. Дело в том, что при выбранном способе регулировки уровня сигнала на входе УМЗЧ в зависимости от положения движка переменного резистора R1 изменяется глубина ООС и соответственно, коэффициент передачи c обратной связью:
где R1 – сопротивление между движком переменного резистора и входом УМЗЧ.
Здесь не учитывается емкостное сопротивление корректирующего конденсатора С5.
В результате мы можем столкнуться с неустойчивой работой (генерацией) усилителя при увеличении глубины обратной связи, т.е. уменьшении усиления с помощью переменного резистора R1. Вероятность возбуждения повышается при отключении нагрузки (акустической системы).
Для пояснения сказанного рассмотрим эквивалентную схему усилителя (рис. 2).
Если Ku велико, каскад является преобразователем тока в напряжение: Uвых=–iвхRос.
Для управления схемой от источника напряжения Uвх на рис. 2 показаны разделительный конденсатор Свх и резистор Ri, определяющий входное сопротивление усилителя.
За счет наличия трудно учитываемой входной паразитной емкости Сп, на высоких частотах схема является звеном второго порядка с декрементом затухания, зависящим от Сп и других факторов.
Результирующая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет подъем на частоте 1/(2ΠTo) (рис. 3).
В результате схема легко теряет устойчивость и переходит в состояние автоколебаний, причем не постоянных, а непредсказуемых, зависящих от многих факторов. Незначительные быстрые воздействия, например помехи в цепях питания, скачкообразные изменения амплитуды на определенной частоте, вызывают длительные, медленно затухающие колебания на частоте 1/(2ΠTo).
Для получения ровной АЧХ в полосе пропускания достаточно обеспечить взаимный наклон частотной характеристики усилителя с обратной связью и частотной характеристики разомкнутого усилителя не превышающий 20 дБ на декаду.
Получить ровную АЧХ можно включением конденсатора Сос, его емкость выбираем из отношения
СосRос=RiCп,
при этом коэффициент передачи с обратной связью становится частотно-независимым и равным Ri/(Rос+Ri), а полоса пропускания на верхних частотах определяется указанными выше постоянными времени Tп= СосRос=RiCп.
Одним из удобных и наглядных способов контроля АЧХ усилителей является проверка с помощью прямоугольных импульсов, рис. 4. Можно сразу увидеть наличие резонансных частот и оценить полосу пропускания усилителя.
Длительность фронта τ ф по уровню 0,9 характеризует верхнюю частоту:
fв=2,3/2πτ ф=0,366/τ ф,
а спад вершины импульса ∆ Uсп – нижнюю частоту:
fн=ln (Uвых/(Uвых-∆ Uсп))/2π tи=∆ Uсп/2π tи Uвых,
где tи – длительность импульса, Uвых – амплитуда импульса.
Кривая 1 на рис 4 показывает переходной процесс, вызванный неустойчивостью усилителя.
Наблюдая реакцию усилителя на осциллографе, постепенно увеличиваем Сос до тех пор, пока колебания не исчезнут, а переходной процесс не будет иметь вид кривой 2.
Обращу внимание, что время установления импульса устойчивой схемы оказывается во много раз меньше переходного процесса кривой 1.
Итак, конденсатор Сос (С5 в схеме рис. 1) служит для обеспечения «гладкости» переходных процессов и устойчивости схемы.
Чтобы гарантированно сформировать частотную характеристику каскадов, охваченных отрицательной обратной связью как характеристику апериодического (инерционного) звена первого порядка, в схему введен еще один конденсатор – С3.
Его задача получить такую характеристику петлевого усиления, чтобы она имела апериодический характер.
Теперь при скачкообразных изменениях входного напряжения с любой частотой напряжение на выходе плавно меняется по экспоненциальному закону, без выбросов и колебаний.
Полоса пропускания с обратной связью примерно равна
где Rvt1эфф – эффективная нагрузка в цепи коллектора транзистора VT1, с учетом действия ПОС.
При этом полюсы транзисторов VT2-VT5 усилителя должны лежать ниже линии Kuос. Учитывая, что fгроэ примененных транзисторов VT2, VT3 составляет всего 1 МГц, а транзисторов VT4, VT5 выходного каскада еще меньше – 0,2 МГц, в схеме с трудом удается получить fос порядка 70…100 кГц.
Чтобы обеспечить устойчивую работу усилителя на любую нагрузку, в том числе и без нее, можно рекомендовать включить на выходе цепь Зобеля, подгружающую схему в широком диапазоне частот. Представляется, ее отсутствие является следствием незнания этого схемотехнического приема на момент разработки схемы.
Для исключения искажений типа «ступенька» на базы транзисторов выходного каскада VT2, VT4 и VT3, VT5 подается небольшое смещение, создаваемое за счет протекания коллекторного тока VT1 через германиевые диоды VD1, VD2.
Требуемый ток выходного каскада (40 – 50 мА) устанавливается подбором величины резистора R13, шунтирующего диод VD2.
Для надежной работы усилителя в диапазоне температур 0…+50°С диоды VD1, VD2 должны иметь тепловой контакт с радиатором одного из выходных транзисторов VT4, VT5. Площадь охлаждения теплоотводов не менее 200 кв. см.
Цепь R7, C6 представляет собой фильтр по питанию каскада усиления напряжения.
↑ Пути улучшения известной схемы
Учитывая вышесказанное, обращу внимание на три момента, которые позволяют улучшить качество звучания, надежность и повторяемость схемы, показанной на рис. 1:
1. Выбрать постоянный коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению, включив последовательно с конденсатором С1 резистор, а сам усилитель подключить к низкоомному источнику сигнала. Для чувствительности УМЗЧ с входа Uвх=0,775 В следует взять резистор сопротивлением 620 Ом.
2. Обеспечить гарантированную устойчивость усилителя включением параллельно выходу стабилизирующей последовательной RC – цепочки: резистора 20 Ом и пленочного полипропиленового, полистирольного или полиэтилентерефталатного конденсатора 0,047 мкФ (цепь Зобеля).
3. Снизить напряжение питания до 30 В и менее, поскольку выбранная элементная база не обеспечивает надежную работу усилителя при напряжении питания Uп=40 В.
↑ Принципиальная схема доработанного УМЗЧ на германиевых транзисторах
Для устранения радиочастотных наводок на входе установлена индуктивность L1 в виде ферритовой бусинки с пропущенным через нее проводником.
Цепи параллельной отрицательной обратной связи по постоянному и переменному токам (R2, R3) и по переменному току (R14, C6), разнесены. Тем самым устранено влияние подключения нагрузки (акустической системы) на режим работы УМЗЧ по постоянному току.
Подстроечным резистором R2 «Баланс» устанавливается половина напряжения источника питания в точке симметрии, а подстроечным резистором R9 «Ток покоя» — начальный ток транзисторов выходного каскада VT4, VT5. Контроль величины тока удобно осуществить по падению напряжения на одном из резисторов R12 или R13 в цепи эмиттеров транзисторов VT4, VT5.
Оксидные конденсаторы на выходе усилителя С7 и по цепи питания С10 зашунтированы пленочными С8 и С11 соответственно.
На выходе УМЗЧ включена цепь Зобеля C9, R15.
Транзисторы для усилителя отбираются попарно не только для верхнего и нижнего плеч выходного каскада, но и для обоих каналов. Весьма желателен коэффициент передачи h21э транзисторов не менее 100. Транзисторы с самым высоким h21э ставятся на место VT1.
↑ Характеристики доработанного усилителя
Характеристики УМЗЧ на германиевых транзисторах с выполненными доработками:
Напряжение питания: 30 В;
Максимальная мощность при сопротивлении нагрузки 4 Ом: 20 Вт;
Ток потребления при максимальной мощности, не более: 1,0 А;
Частотный диапазон: 20 Гц…20 кГц (–1,5 дБ);
Коэффициент гармоник при выходной мощности 18 Вт: 0,12%;
Коэффициент усиления по напряжению: 12,4 (21,8 дБ);
Чувствительность: 775 мВ;
Выходное сопротивление, не более: 0,5 Ом.
↑ Рекомендуемый БП
22,5 В и током 2,2 А.
Диодный мост KBPC1001 (100V/10A) может быть заменен на BR1001. Конденсаторы С1…С4 типа К73-17 на рабочее напряжение 630 В, С5 – импортный на напряжение 50 В и более. Конденсатор С6 пленочный К73-17 на напряжение 63 В. Резистор R1 любого типа мощностью 0,5 Вт. Светодиод HL1 – любой зеленого цвета свечения, например, АЛ307ВМ, АЛ307ГМ.
Блок питания, разработанный для усилителя, изображенного на рис. 1, отличается элементной базой. Вместо диодного моста VD1 установлены четыре германиевых диода Д305; вместо пленочных конденсаторов (С1 – С4, С6) – слюдяные КСО, а оксидный С5 состоит из восьми включенных параллельно конденсаторов типа К50-29 или Philips емкостью 1000 мкФ на рабочее напряжение 63 В.
↑ А теперь поет кремний!
↑ Схема усилителя аналогичной структуры, но на кремнии
Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор C1, ферритовую бусинку L1 и резистор R1.
Коэффициент передачи усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), определяется делителем R1, R7, R9, R10:
Ku= – [(R7+R10)||R9]/R1=– 11,5 (21,2 дБ).
Постоянный резистор R7 и подстроечный R10 определяют режим работы схемы по постоянному току (напряжение в средней точке), а резистор R9 вынесен за переходной конденсатор С5, что линеаризует его характеристику. В результате правый (по принципиальной схеме рис. 7) вывод резистора R9 подключен непосредственно к акустической системе.
Чтобы при отсоединении громкоговорителя режим работы схемы по постоянному току не изменяется, введен резистор R13. Он выполняет еще одну функцию в схеме – предотвращает щелчки при подключении акустической системы.
Разделительный конденсатор на выходе дает снижение выходной мощности на низких частотах, а также ухудшение фактора демпфирования.
При емкости разделительного конденсатора С6=4700 мкФ, сопротивлении нагрузки Rн=4 (8) Ом и нижней частоте fн=20 Гц выходная мощность уменьшится в
На частоте 20 Гц при Rн=4 Ом выходная мощность снизится на 15%, а при Rн=8 Ом – на 4%.
Повышение фактора демпфирования и выходной мощности на низких частотах достигается с помощью дополнительной цепи обратной связи через резистор R9.
Выбор достаточно низкоомных значений сопротивлений резисторов способствует стабильности цепи ООС во всем звуковом диапазоне.
Резисторы R6, R8 в цепях баз Дарлингтонов VT2, VT3 служат для предотвращения самовозбуждения эмиттерных повторителей на высоких частотах.
Элементы R3, R4 и C4 образуют схему «вольтодобавки», цепь ПОС для обеспечения требуемого тока базы VT2 и VT3 на пиках сигнала и улучшения качества отрицательной полуволны выходного напряжения.
Глубина ПОС через конденсатор С4 определяется отношением R4 к R3, а также величиной сопротивления резисторов R11, R12 в цепях эмиттеров транзисторов VT2, VT3.
Элементы R2, VD1 – VD3 служат для обеспечения начального смещения в цепях баз повторителей VT2, VT3. Для обеспечения температурной устойчивости усилителя необходим хороший тепловой контакт диодов VD1 – VD3 с радиаторами выходных транзисторов VT2, VT3.
Подстроечным резистором R2 устанавливают ток покоя выходного каскада в диапазоне 40 – 70 мА, рекомендуемое значение 60 мА. Его выставляют по падению напряжения на резисторах R11, R12 (12 мВ).
↑ Детали усилителя на кремнии
Транзистор VT1 типа 2N5551 может быть заменен на MPSA42, MPSA43. Желательно отобрать транзисторы с коэффициентом передачи h21э=150…250.
Комплементарные транзисторы 2SD2390/2SB1560 (Uкэ=150 В, Рк=100 Вт, Iк=10 А, fT=55 МГц, h21э=5000) в корпусе ТО-3Р, могут быть сменены на 2SD2438/2SB1587, 2SD2439/2SB1588 в таком же корпусе, а также на 2SD2589/2SB1659 в корпусе МТ-200.
Мощные транзисторы VT2, VT3 устанавливаются через теплопроводные подложки на общем радиаторе с площадью охлаждающей поверхности не менее 300 кв. см.
Конденсатор С3 — керамический на рабочее напряжение не ниже 50 В; допустима высоковольтная керамика. Индуктивность L1 в виде ферритовой бусинки выпаяна из неисправных компьютерных звуковых плат.
↑ Детали усилителя на два канала
Детали каждого канала УМЗЧ размещены на отдельной печатной плате, рис. 8.
Внешний вид собранной печатной платы одного канала УМЗЧ показан в аннотации статьи.
Соединение УМЗЧ в устройстве выполняют проводом сечением 0,75 – 1 кв. мм. Ответной частью на провода служат ножевые клеммы 6,3 мм (лучше изолированные), рассчитанные на указанное сечение провода. Обжим ножевых клемм выполняется специальным инструментом (рис. 9). Пассатижи или молоток не дадут качества соединения, достигаемого с помощью специнструмента.
↑ Налаживание усилителя
начинают после тщательной проверки правильности монтажа. Особое внимание уделяют правильности установки транзисторов, оксидных конденсаторов и диодов, а также качеству пайки. Для упрощения налаживания движок подстроечного резистора R2 выставляют в положение минимального сопротивления, а движок резистора R10 – равного половине номинала.
При первом включении входные гнезда X1, X2 надо закоротить, к выходу подключить эквивалент нагрузки. Режимы работы не должны отличаться от указанных на принципиальной схеме более чем на 10%.
После двадцатиминутного прогрева резистором R10 выставляют напряжение в точке симметрии равным половине напряжения питания, а резистором R2 устанавливают ток выходного каскада 60 мА, по падению напряжения на резисторах R11, R12, равному 12 мВ.
↑ Характеристики кремниевого собрата
При включении усилителя в звуковоспроизводящий тракт следует учесть, что он инвертирующий. Необходимо принять меры, чтобы тракт в целом сохранял фазу сигнала, т.е. был неинвертирующим. Например, учесть данный факт сменой полярности подключения проводов акустической системы.
Впрочем, ЦАПы некоторых проигрывателей (например, Pioneer BDP-170) инвертируют фазу входного сигнала, что, однако, никак не отражено в руководстве пользователя.
↑ Итоги
С точки зрения требований к аудиоусилителю мы имеем дело с идеальной структурой. Всего один каскад усиления напряжения и усилитель мощности на комплементарных эмиттерных повторителях обладают однополюсной АЧХ с минимальным затягиванием переходного процесса.
Достоинства усилителя (один каскад усиления напряжения) являются и его недостатками. Чтобы получить малые нелинейные искажения нужно большое усиление в петле отрицательной обратной связи, которое затруднительно получить на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.
Отвечая на вопрос, заданный на форуме [4], скажу, что УМЗЧ на основе однокаскадной структуры приближены к ламповому звуку в том плане, что что как и ламповый усилитель без отрицательной обратной связи в классе А, субъективно звучат громче, чем «навороченные» транзисторные усилители. Объяснить этот факт не могу ничем, кроме лучшей переходной характеристикой рассматриваемых усилителей.
Независимо от примененной элементной базы (кремний или германий) схема достойна повторения, поскольку однокаскадная структура дает фору массе схем, представляющих из себя операционный усилитель (дифференциальный каскад, усилитель напряжения, усилитель мощности).
Классическая структура и в прошествии полувека способна радовать любителей чистым, прозрачным звучанием при неплохих технических характеристиках и предельной простоте схемы.
Известным недостатком схемы является низкое входное сопротивление, что нужно учесть при подключении источников сигнала, чтобы не допустить перегрузки.
↑ Развитие представленной схемы
Можно ли улучшить характеристики усилителя? Можно, если увеличить коэффициент усиления без обратной связи.
Я выполнил в системе моделирования следующие усовершенствования усилителя (рис. 7):
— поставил тройку выходных транзисторов вместо используемой двойки;
— заменил резистор R4 источником тока;
— установил дополнительный эмиттерный повторитель между усилителем напряжения и выходным каскадом.
Результаты весьма обнадеживают, позволяют проверить в работе несколько схем, но это будут совсем другие усилители.
↑ Хорошая новость — кит Datagor Project 008 «GeAmp1970»
Мы с другом Владимиром впервые собрали подобный усилитель в восьмом классе средней школы. Он замечательно отыграл на одной из вечеринок, которая до сих пор помнится.
В дальнейшем довольно часто эта конструкция служила «разрушителем легенд» высокого качества звучания многих схем УМЗЧ, опубликованных в радиолюбительской литературе. Собираешь сложный усилитель с прекрасными характеристиками, слушаешь, а спустя некоторое время под руку попадается эта схема на пяти транзисторах, начинаются сомнения, приводящие к дальнейшему поиску…
↑ Список использованных источников
1. Иванов В. Бестрансформаторный УНЧ // Радио, 1970, №2, с. 29, 30, 3-я страница обложки.
2. Левинзон Г.Л., Логинов А.В. Высококачественный усилитель низкой частоты. – М.: Энергия, 1977. – 120 с.
3. Цихисели Ж. Германий превыше всего (Практика AV) // AudioVideo, 2003, №6 (//www.salonav.com/Praktika/6.2003/HTM/tranz.htm).
4. Классическая схема усилителя на Ge германиевых транзисторах — Форум на Датагоре.
5. Пугачев И. Украдет ли усилитель «виртуальную глубину»? // Радиолюбитель, 2000, №9, с. 3, 4.
6. Пугачев И.С. 50 лет в строю УМЗЧ // Радиомир, 2004, №8, с. 9 – 11.
7. Пугачев И. УМЗЧ с «виртуальной глубиной» на трех транзисторах // Радиомир, 2008, №10, с. 3 – 5.
↑ Файлы
Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».
Почему кремний для электроники оказался лучше германия?
Помимо всего сказанного о германии и кремнии, следует учитывать, что германиевые полупроводники при повышенных температурах начинают барахлить. Это наглядно продемонстрировал в инженер Гордон Тил в 1954 году на конференции, посвященной перспективам полупроводников. Высказывалось мнение о том, что создание транзисторов на кремнии вряд ли возможно. Он подключил простенький проигрыватель с германиевым транзистором к динамикам, включил его и опустил в горячее минеральное масло. Прибор сразу же перегрелся и звук исчез. Тогда Тил вытащил прибор, охладил его, вытащил при всех германиевый транзистор и заменил его своим собственным, кремниевым. После чего повторил "эксперимент" с нагревом. Прибор работал: музыка не прерывалась! Тем не менее, Нобелевская премия по физике за 1956 год досталась Джону Бардину именно за работы с германиевыми полупроводниками (вместе с ним премию получили Браттейн и Шокли). Точная формулировка нобелевского комитета:
Важно и то, что кремния в земной коре значительно больше германия. Кремния в земной коре около 28%, а германия — меньше одной миллиардной процента! Причем германий — очень рассеянный элемент.
4000 раз больше, чем золота, а его хватило и на технические нужды и в качестве валюты. — 2 года назад
Вы забыли один очень важный для потребителя параметр — долговечность. Германиевые транзисторы уступают по этому параметру кремниевым и арсенид-галлиевым, как минимум, вдвое. Из-за влияния радиационного фона, космического излучения и естественной диффузии легирующих примесей (что собственно и создают p-n переход) с течением времени происходит ухудшение параметров германиевого транзистора, а в итоге всё заканчивается рассасыванием p-n перехода и германиевый транзистор полностью выходит из строя. Уже через 20 лет просто хранения у германиевого транзистора резко увеличивается обратный ток коллектора и коэфф-т усиления транзистора по току β падает примерно вдвое.
И как сказано выше, уже через какие-то 30-35 лет германиевый транзистор обычно полностью выходит из строя. Но ещё раньше из-за изменения свойств транзистора уплывут режимы, из-за роста обр.тока изменятся паразитные ёмкости, расстроятся контура и свойства аппарата ухудшатся или он вообще перестанет функционировать. Т.о. германиевый транзистор вовсе не вечный (а вот долговечности кремниевого транзистора на век одного человека может хватить). Однако в старой, т.е. 30. 50-ти летней давности радиоаппаратуре вовсе не германиевый транзистор самое слабое звено по долговечности, а электролитические конденсаторы.
Tранзисторы (Всё что Вы хотели знать, но боялись спросить)
Полупроводниковые транзисторы делятся на биполярные и полевые. Первые гораздо более распространены в электронике. Поэтому начнем разбираться с работой биполярного транзистора именно с него.
Работа транзистора — устройство и обозначение.
Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод. В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно.
А если взять и прикрыть одну любую часть транзистора, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод. Отсюда напрашивается вывод, что биполярный транзистор условно можно представить в виде двух полупроводников с одной общей зоной, соединенных встречно друг к другу.
Часть транзистора, назначением которой является инжекция носителей зарядов в базу называется эмиттером, и соответствующий p-n переход эмиттерным, а та часть элемента, назначение которой заключается в выводе или экстракции носителей заряда из базы, получила название коллектор, и p-n переход коллекторный. Общую зону назвали базой. Различие в обозначениях разных структур состоит лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p она направлена в сторону базы, а в n-p-n наоборот, от базы.
Работа транзистора — коротко об технологии изготовления.
В начальный период развития полупроводниковой электроники их изготавливали только из германия по технологии вплавления примесей, поэтому их назвали сплавными. Например, в основе кристалл германия и в него вплавляю маленькие кусочки индия. Атомы индия проникаю в тело германиевого кристалла, создают в нем две области – коллектор и эмиттер. Между ними остается очень тонкая в несколько микрон прослойка полупроводника противоположного типа — база. А чтобы спрятать кристалл от света его прячут в корпус. На рисунке показано, что к металлическому диску приварен кристаллодержатель, являющийся выводом базы, а снизу диска имеется ее наружный проволочный вывод.
Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам внешних электродов. С развитием электроники приступили к обработке кристаллов кремния, и изобрели кремниевые приборы, практически полностью отправившие на пенсию германиевые транзисторы. Они способны работать с более высокими температурах, в них ниже значение обратного тока и более высокое напряжение пробоя. Основным методом изготовления является планарная технологи. У таких транзисторов p-n переходы располагаются в одной плоскости. Принцип метода основывается на диффузии или вплавлении в пластину кремния примеси, которая может быть в газообразной, жидкой или твердой составляющей. При нагрева до строго фиксированной температуры осуществляется диффузия примесных элементов в кремний.
В данном случае один из шариков создает тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в кремнии образуются два p-n перехода. По этой технологии производят в заводских условиях наиболее распространенные типы кремниевых транзисторов. Кроме того для изготовления транзисторных структур широко применяются комбинированные методы: сплавление и диффузия или различные варианты диффузии, например, двусторонняя или двойная односторонняя.
Работа транзистора в режиме диода при прямом подключении.
Проведем практический эксперимент, для этого нам потребуется любой транзистор и лампочка накаливания из старого фонарика и чуть-чуть монтажного провода для того, чтоб мы могли собрать эту схему.
Работа транзистора практический опыт для начинающих.
Лампочка светится потому, что на коллекторный переход поступает прямое напряжение смещения, которое отпирает коллекторный переход и через него течет коллекторный ток Iк. Номинал его зависит от сопротивления нити лампы и внутреннего сопротивления батарейки или блока питания. А теперь представим эту схему в структурном виде:
Так как в области N основными носителями заряда являются электроны, они проходя потенциальный барьер p-n переход, попадают в дырочную область p-типа и становятся неосновными носителями заряда, где начинают поглощаться основными носителями дырками. Таким же и дырки из коллектора, стремятся попасть в область базы и поглощаются основными носителями заряда электронами. Так как база к минусу источника питания, то на нее будет поступать множество электронов, компенсируя потери из области базы. А коллектора, соединенный с плюсом через нить лампы, способен принять такое же число, поэтому будет восстанавливаться концентрация дырок. Проводимость p-n перехода существенно возрастет и через коллекторный переход начнет идти ток коллектора Iк. И чем он будет выше, тем сильнее будет гореть лампочка накаливания. Аналогичные процесс протекают и в цепь эмиттерного перехода. На рисунке показан вариант подключения схемы для второго опыта.
Работа транзистора при обратном включении p-n перехода Проведем очередной практический опыт и подключим базу транзистора к плюсу БП. Лампочка не загорается, так как p-n переход транзистора мы подсоединили в обратном направлении и сопротивление перехода резко возросло и через него следует лишь очень маленький обратный ток коллектора Iкбо не способный зажечь нить лампочки.
Работа транзистора в режиме переключения Осуществим, еще один интересный эксперимент подключим лампочку в соответствии с рисунком. Лампочка не светится, давайте разберемся почему.
Если приложено напряжение к эмиттеру и коллектору, то при любой полярности источника питания один из переходов будет в прямом, а другой в обратном включении и поэтому ток течь не будет и лампочка не горит.
Из структурной схемы очень хорошо видно, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и открыт и ожидает прием свободных электронов. Коллекторный переход, наоборот, подсоединен в обратном направлении и мешает попадать электронам в базу. Между коллектором и базой образуется потенциальный барьер, который будет оказывать току большое сопротивление и лампа гореть не будет. Добавим к нашей схеме всего одну перемычку, которой соединим эмиттер и базу, но лампочка все равно не горит.
Тут, в принципе, все понятно при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход превращается в диод, на который поступает обратное напряжение смещение. Установим вместо перемычки сопротивление Rб номиналом 200 – 300 Ом, и еще один источник питания на 1,5 вольта. Минус его соединим через Rб с базой, а плюс с эмиттером. И свершилось чудо, лампочка засветилась.
Лампа засветилась потому, что мы подсоединили дополнительный источник питания между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое напряжение, что привело к его открытию и через него потек прямой ток, который отпирает коллекторный переход транзистора. Транзистор открывается и через него течет коллекторный ток Iк, во много раз превышающий ток эмиттер-база. И поэтому этому току лампочка засветилась. Если же мы изменим полярность дополнительного источника питания и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а за ним и коллекторный. Через транзистор потечет обратный Iкбо и лампочка перестанет гореть. Основная функция резистора Rб ограничивать ток в базовой цепи. Если на базу поступит все 1,5 вольта, то через переход пойдет слишком большой ток, в результате которого произойдет тепловой пробой перехода и транзистор может сгореть. Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение должно быть около 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта. Обратимся к структурной схеме: При подаче дополнительного напряжения на базу открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера взаимопоглощаются с электронами базы, создавая прямой базовый ток Iб.
Но не все дырки, попадая в базу, рекомбинируются с электронами. Так как, область базы достаточно узкая, поэтому лишь незначительная часть дырок поглощается электронами базы. Основной объем дырок эмиттера проскакивает базу и попадает под более высокий уровень отрицательного напряжения в коллекторе, и вместе с дырками коллектора текут к его отрицательному выводу, где и взаимопоглощается электронами от основного источника питания GB. Сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор резко падает и в ней начинает течь прямой ток коллектора Iк во много раз превышающий ток базы Iб цепи эмиттер-база. Чем выше уровень отпирающего напряжения на базе, тем выше количество дырок попадает из эмиттера в базу, тем выше значение тока в коллекторе. И, наоборот, чем ниже отпирающее напряжение на базе, тем ниже ток в коллекторной цепи. В этих экспериментах начинающего радиолюбителя по принципам работы транзистора, он находится в одном из двух состояний: открыт или закрыт. Переключение его из одного состояния в другое осуществляется под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Этот режим работы транзистора в электроники получил название ключевым. Он используют в приборах и устройствах автоматики.
Кодовая и цветовая маркировка транзисторов
Отечественные транзисторы с корпусами малых размеров маркируются цветовой или кодовой маркировкой и лишь в редких случаях марка транзистора наносится полностью, как есть. При ремонте бытовой аппаратуры можно столкнуться с цветовой или кодовой маркировкой и для замены транзистора необходимо определить марку транзистора, сделать это можно и с помощью программы кодовой и цветовой маркировки транзисторов, сейчас мы рассмотрим как это сделать с помощью справочника.
Кодово-цветовая маркировка транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126)
Далее смотрим в таблицу ниже и находим строку которая соответствует кодово-цветовой маркеровке вашего транзистора.
Таблица определения марки транзистора по кодо-цветовой маркировке.
Когда нашли значок который изображен на корпусе определяемся с маркой транзистора, его марка должна быть одной из этих — КТ814(А-Г), КТ815(А-Г),КТ816(А-Г), КТ817(А-Г), КТ638(А,Б), КТ9115(А,Б), КУ112, КТ940(А-В), КТ646А, КТ646Б, КТ972А, КТ972Б, КТ973А, КТ973Б. Обратите внимание, что среди марок транзисторов есть и тиристор КУ112.
Таблица определения года выпуска транзистора по кодовой маркировке.
Таблица определения месяца выпуска транзистора по кодовой маркировке.
Цветовая маркировка транзисторов в корпусе КТ-26
Цветовой маркировкой, как показано на рисунке ниже, обазначаются транзисторы КТ326, КТ337, КТ345, КТ349, КТ350, КТ351, КТ352, КТ363, КТ645, КТ3107. Кроме марки данных транзисторов на корпусе указываются год и месяц выпуска транзистора.
Ниже приведена цветовая маркировка транзисторов КТ203, КТ209, КТ313, КТ336, КТ339, КТ342, КТ502, КТ503, КТ3102. Маркируются транзисторы данных марок всего двумя точками. В данном обозначении месяц и год выпуска отсутствуют.
Нестандартная цветовая маркировка транзисторов.
Иногда транзисторы выпускались с нестандартной цветовой маркировкой, некоторые примеры приведены ниже:
Кодовая маркировка транзисторов в корпусе КТ-26.
Кодовая маркировка применяется к транзисторам в корпусе КТ-26 следующих марок — КТ203, КТ208, КТ209, КТ313, КТ326, КТ339, КТ342, КТ502, КТ503, КТ3102, КТ3107, КТ3157, КТ3166, КТ6127, КТ680, КТ681, КТ698, КП103. Как видите марки транзисторов с кодовой маркировкой включают все марки с цветовой, но не наоборот. Связано это с тем, что кодовая появилась позже и к тому времени некоторые транзисторы уже не выпускались. Маркировка на транзисторы может наносится как с годом и месяцем выпуска так и без них.
Некоторые примеры кодовой маркировки.
Нестандартная кодовая кодировка транзисторов.
Маркировка SMD транзистора BC847A.
Возможны ситуации, когда в один и тот же корпус фирмы-производители под одной и той же маркировкой помещают разные приборы, например, фирма PHILIPS помещает в корпус типа SOT323 NPN-транзистор типа BC818W и маркирует его кодом 6H, а фирма MOTOROLA в такой же корпус с маркировкой 6H помещает PNP-транзистор типа MUN5131T1. Такая же ситуация встречается и внутри одной фирмы. Например, в корпусе типа SOT23 у фирмы SIEMENS под маркировкой 1А выпускаются транзисторы BC846A и SMBT3904, обладающие разными параметрами.
Различить такие приборы установленные на плате можно только по окружающим их компонентам и соответственно – схеме включения.