Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Эта книга посвящена схемам, в которых работают полупроводниковые триоды. Но здесь будет рассказано не только о схемах-чертежах, а о том, как их составлять, как читать, как по схемам оценивать возможности, достоинства и недостатки того или иного электронного прибора. Речь пойдет о транзисторных схемах в широком смысле слова, и о самих схемах, начерченных на бумаге, и о схемах, собранных, налаженных и работающих. Об этом как раз и хотелось предупредить, «придравшись» к двойственному значению самого слова «схема».

И, наконец, еще об одном слове — о слове «барьер».

Прямое его значение, конечно, ни у кого не вызывает сомнений. Но очень часто мы говорим о барьере в переносном смысле. Например, говорим, что только реактивная авиация сумела преодолеть звуковой барьер, сумела превысить скорость звука. Или говорим, что при операциях по пересадке органов самое сложное — преодолеть барьер несовместимости: преодолеть сопротивление, которое организм оказывает всякой чужой ткани. Подобных примеров много. Вы наверняка слышали о барьерах тепловом, экономическом, технологическом и других.

С преодолением многих препятствий, многих барьеров связана судьба транзисторов. И об одном из них — о психологическом барьере — хочется сказать несколько слов.

Первые сообщения об изобретении транзистора появились летом 1948 года. Уже через два-три года стало ясно, что полупроводниковый триод — это не уникальный лабораторный прибор, что его можно выпускать в промышленных масштабах, и что транзистор наверняка заменит электронную лампу во многих областях электроники.

А нужно сказать, что электронная лампа в те времена находилась в зените своей славы. Мировая электронная промышленность ежегодно выпускала много миллионов самых различных ламп, от миниатюрных «пальчиков» до сверхмощных генераторных гигантов. Ламповые схемы были той основой, на которой строились автоматика, телевидение, локации — словом, вся радиоэлектроника, Радисты обучили лампу десяткам разнообразных профессий, создали для нее тысячи схем, разработали методы их расчета и налаживания. И все это создавалось десятилетиями, создавалось упорным трудом ученых и инженеров.

Но что поделаешь, преимущества транзистора перед лампой были бесспорны, по крайней мере в некоторых областях. В частности, в конструировании экономичной переносной аппаратуры за транзисторной электроникой было будущее. А значит, надо было создавать эту новую электронику, надо было привыкать к ней. Вот здесь-то и встал на пути радиоспециалистов трудный психологический барьер. Отказаться от привычного не так-то просто. Многим специалистам понадобились годы, чтобы убедиться в окончании ламповой монополии и выбраться на транзисторный путь.

Психологический барьер на пути транзисторов сказывался еще и в том, что молодое поколение радистов свое знакомство с транзисторами по инерции начинало с лампы. «Лампа работает так… а теперь посмотрим, чем похож на нее транзистор…»— такой была типичная последовательность при знакомстве с электронными схемами. В наши дни это знакомство сплошь и рядом выглядит совсем по-другому: «Транзистор работает так… А теперь посмотрим, чем на него похожа лампа…»

Наш рассказ — о транзисторах, и мы не будем поэтому вспоминать о лампах. Даже этого слова вы почти не встретите дальше. И совсем не потому, что во многих областях радиоэлектроники транзистор стал главным действующим лицом. (У лампы еще остается и, по-видимому, навсегда останется немало своих областей, куда транзисторам «вход воспрещен»).

Мы начнем этот рассказ о транзисторах с самих транзисторов только потому, что к ним уже все привыкли и на пути транзисторной электроники давно нет никакого психологического барьера.

Вот и закончилось наше короткое лингвистическое путешествие. Начав с разговора о словах «транзистор», «схема», «барьер», мы поговорили и о своих будущих делах. А начав деловой разговор, не будем от него отклоняться. Сейчас нам предстоит выяснить, для чего вообще нужен транзистор, какая роль ему отводится в электронной аппаратуре.

Рис. 1. Тому, кто привык к ламповой электронике, переход к транзисторным схемам зачастую казался трудным делом.

Всякое электронное устройство — это своеобразный мир электрических сигналов. Здесь они зарождаются и умирают, сюда сигналы приходят, чтобы, пробежав по многочисленным электрическим цепям, претерпев множество самых удивительных превращений, обернуться прекрасной мелодией, картинкой на телевизионном экране или включением тормозного двигателя на космическом корабле.

Среди многих интересных преобразований электрического сигнала — с ними нам так или иначе предстоит познакомиться — одним из наиболее важных является усиление. Вот лишь один пример, один случай, когда без усиления обойтись просто невозможно.

Мощность радиосигнала, который, проделав долгий путь, попадает наконец в антенну приемника, довольно редко достигает нескольких миллиардных долей ватта. Обычно же эта мощность еще в миллионы раз меньше. В то же время мощность, которую нужно подвести к динамику (так сокращенно называют динамические громкоговорители), чтобы он создавал достаточно громкий звук, должна составлять несколько ватт или по крайней мере несколько десятых долей ватта.

Отсюда и следует, что во время путешествия с входа радиоприемника к его выходу, электрический сигнал должен увеличить свою мощность в миллиарды раз. А увеличение мощности как раз и называется усилением сигнала.

Похожие результаты мы получим, если сравним мощность, которую дает фотоэлемент, с мощностью, которая нужна, чтобы двинуть стальную руку контролера-автомата в метро. Или если сравним входную и выходную мощность электронного регулятора температуры, прибора для записи биотоков мозга, установки для регистрации землетрясений, электронных блоков радиоуправляемой модели или, наконец, обычного магнитофона.

Рис. 2. Любой электронный прибор — это целый мир электрических сигналов.

Итак, в электронной аппаратуре необходимо усиливать слабые электрические сигналы, увеличивать их мощность. Но как в принципе можно осуществить такое усиление? И что вообще нужно понимать под этим словом? Прежде чем отвечать на эти вопросы по существу, позвольте вспомнить рассказанную уже однажды историю из другой области.

Некоторое время назад известная футбольная команда «Шайба» неожиданно для всей спортивной общественности начала вписывать в турнирную таблицу один ноль за другим. И ее болельщики только о том и говорят — как усилить свою любимую команду, как улучшить ее игру.

Из всех высказанных предложений остановимся на двух.

Первое предложение. Ввести регулярные круглогодичные тренировки и занятия по тактике футбола, улучшить физическую подготовку, условия отдыха и питание игроков. Результат — усиление команды.

Второе предложение. Тренера сменить, команду расформировать, пригласить новых, более сильных игроков. Результат — усиление команды. Правда, в этом случае фактически произойдет не усиление, а замена команды. Но это уже деталь, которая в данном случае никого не интересует. Болельщикам важен только результат — футбольная команда «Шайба» стала играть лучше. А разве это не усиление команды «Шайба»?

Примерно в таком же смысле применяется слово «усиление» и в радиоэлектронике. Если у нас был слабый электрический сигнал, а затем был создан такой же, но более мощный сигнал, то мы говорим, что произошло усиление сигнала, хотя правильнее было бы говорить о замене. Самым сложным здесь, так же как и при усилении футбольной команды путем замены игроков, является сам процесс создания «мощной копии» усиливаемого сигнала. Об этом процессе мы сейчас и поговорим.

Итак, при усилении слабого электрического сигнала создается такой же, но только более мощный сигнал. Но что означает в данном случае понятие «такой же»? Какие черты слабого, усиливаемого сигнала должны сохраниться в мощном, в усиленном? Если эти сигналы — слабый и усиленный — различаются по мощности, то в чем же они тогда должны быть похожи?

При усилении нужно сохранить форму сигнала, характер его изменения. Дело в том, что электрический сигнал — это изменяющийся ток. И именно в характере его изменения — в скорости, в «резкости» или «плавности» нарастания (или убывания) тока — и записана та информация, те сведения, которые этот сигнал переносит. Только характером изменения отличается ток, который возникает в микрофонной цепи, когда вы произносите «а», от тока, который возникает при произнесении звука «о». Только характером изменения отличается ток, создающий на экране телевизора изображение лошади, от тока, создающего на том же экране портрет осла. Отсюда вывод: при усилении нужно сохранить сам характер усиливаемого сигнала, характер изменения электрического тока.