Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Все это можно проиллюстрировать простой аналогией. Во время вечера аттракционов в школе вам предложили с завязанными глазами нарисовать на листе бумаги простенькую фигуру. Вы сразу же начали рисовать неправильно — неточно нашли середину листа бумаги, съехали в сторону. Рисунок получается хороший, но только половина его попадает не на бумагу, а на стол. Что же нужно сделать, чтобы помочь вам?

Нужно лишь сдвинуть, сместить руку на некоторое постоянное расстояние, подвести к ней «постоянное смещение». При этом карандаш будет делать все то, что он и делал, но уже не попадет на территорию стола.

Итак, напряжение Uсиг усиливаемого сигнала суммируется с постоянным напряжением Uсм. В некоторые моменты общее напряжение между эмиттером и базой Uэб растет, в некоторые моменты — уменьшается, но оно всегда остается прямым напряжением. И, следуя за всеми изменениями, меняется и прямой ток Iэ во входной цепи транзистора. Точно так же меняется и коллекторный ток Iк, который теперь уже проходит по резистору нагрузки Rн (рис. 37).

Рис. 37. В коллекторную цепь можно включить большое сопротивление нагрузки и получить на нем большое выходное напряжение.

Давайте пока не обращать внимания на сравнительно небольшой ток базы Iб. Будем считать, что в нашей схеме коэффициент α = 1, то есть эмиттерный ток Iэ на все сто процентов используется для создания коллекторного тока Iк. Иными словами, любое изменение тока в цепи эмиттер — база (входная цепь) вызывает точно такое же изменение тока в цепи база — коллектор (выходная цепь). Это значит, что если, например, эмиттерный ток уменьшится на 5 ма, то на 5 ма уменьшится и коллекторный ток; увеличится Iэ на 20 ма, и на те же 20 ма возрастет и Iк. Одним словом, в эмиттерной и коллекторной цепи будут согласованно меняющиеся, всегда одинаковые по величине токи.

Эта радостная весть может вызвать весьма грустные мысли. Действительно, после долгих поисков, после странствий по океанам многих наук мы наконец построили прибор, который из слабого переменного тока делает… точно такой же слабый переменный ток! А где же усиленный сигнал? Где обещанная мощная копия?

Для беспокойства пока нет никаких оснований. То, что на выходе транзистора ток такой же, как и на его входе, еще ни о чем плохом не говорит: чтобы судить об усилении, нужно сравнивать мощности входного и выходного сигналов. А мощность — это не только ток, это еще и напряжение: P = U·I.

Потребителем усиленного сигнала является резистор Rп и именно на нем выделяется мощность усиленного сигнала или иначе выходная мощность транзисторного усилителя Pвых. Выходная мощность может использоваться по-разному, да и сама нагрузка усилительного каскада может быть различной (вместо Rн, например, может быть включен громкоговоритель, и тогда Pвых расходуется на создание звука). Однако какой бы ни была реальная нагрузка и на что бы ни расходовалась выходная мощность, нагрузку эту почти всегда можно представить в виде резистора Rн, а выходную мощность — как произведение переменной составляющей коллекторного тока Iк~ на переменную составляющую Uн~ напряжения, действующего на сопротивление нагрузки:

Pвых = Uн~·Iк~

Обратите внимание на то, что выходная мощность определяется не током и напряжением «вообще», а именно переменными составляющими тока и напряжения. Дело в том, что в коллекторной цепи так же, как и в эмиттерной, протекает пульсирующий ток. Конечно, батареи Бcм и Бк создают только постоянные токи Iэ и Iк, но с появлением сигнала токи начинают изменяться по величине, становятся пульсирующими.

Пульсирующий коллекторный ток можно довольно просто разделить на постоянную и переменную составляющие. Например, с помощью фильтров, которые применялись нами в выпрямителе и детекторе для разделения постоянных и переменных составляющих (рис. 27—6, 19). Совершенно ясно, что постоянные составляющие коллекторного тока Iк= и напряжения на нагрузке Uн= нам совсем не нужны: выходной сигнал — это переменный ток и переменное напряжение, в нашем примере Iк~ и Uн~. И, не задумываясь пока о конкретных способах выделения этих переменных составляющих, мы только их и учитываем при подсчете выходной мощности, делая вид, что постоянных составляющих Iк= и Uн= просто не существует.

Поскольку мы договорились, что коллекторный ток равен эмиттерному, то, значит, равны и их переменные составляющие. Одна из них Iэ~ определяет мощность входного сигнала, другая Iк~ — мощность выходного сигнала. Теперь вопрос об усилительных способностях транзистора можно решить только одним способом: сравнить переменное напряжение Uсиг входного сигнала и выходное переменное напряжение Uвых (так мы будем в дальнейшем называть переменную составляющую Uн~). Если окажется, что Uвых  больше, чем Uсиг, то, значит, выходная мощность больше входной и, следовательно, транзистор усиливает. Чем большее значение Uвых нам удастся получить, тем большим будет и усиление сигнала.

К эмиттерному переходу приложено напряжение усиливаемого сигнала. Если мы захотим подсчитать это напряжение, то нужно будет воспользоваться уже знакомой формулой закона Ома — Uсиг = Iэ~·Rвх. Здесь Rвх— это так называемое входное сопротивление транзистора, сопротивление, которое входной сигнал встречает со стороны эмиттерного перехода.

Вскоре мы подробно выясним, от чего зависит и чему равно входное сопротивление. А пока ограничимся лишь общим выводом: входное сопротивление Rвх очень мало. В общих чертах, по-видимому, ясно, что это должно быть именно так потому, что входное сопротивление — это, по сути дела, сопротивление эмиттерного рn-перехода, а этот переход благодаря смещению всегда включен в прямом, проводящем направлении. И, как всякий диод, он обладает небольшим прямым сопротивлением.

То, что для подсчета входного напряжения Uсиг мы пользуемся входным сопротивлением транзистора Rвх, по-видимому, требует некоторых пояснений.

Разумеется, мы не можем менять сопротивление Rвх так, как меняем по своему вкусу сопротивление нагрузки, да и напряжение Uсиг получаем уже в готовом виде. Но ведь мы и не говорим: «напряжение Uсиг зависит от сопротивления Rвх. Мы просто отмечаем, что напряжение на каком-либо участке цепи (в данном случае это относится к напряжению Uсиг  во всех случаях равно произведению тока на сопротивление.

Умножив ток на сопротивление, можно подсчитать и выходное напряжение транзисторного усилителя, то есть переменное напряжение на нагрузке: Uн~= Uвых = Iк~·Rн. Отсюда следует: чтобы увеличить переменное напряжение на нагрузке, есть два пути — увеличение Iк~ и увеличение Rн. На величину коллекторного тока мы как будто повлиять не можем: к коллектору не может двигаться больше зарядов, чем их приходит в базу из эмиттера. Значит, для увеличения Uвых остается одно: нужно увеличить сопротивление нагрузки. Чем больше будет Rн, тем больше будет и действующее на нем напряжение. А именно оно в данном случае и определяет возможности всего нашего усилительного каскада (каскадом называют блок электронной аппаратуры, способный решать какую-либо самостоятельную задачу, в частности — усиливать сигнал).

До каких же пор можно увеличивать сопротивление нагрузки Rн в погоне за большим выходным напряжением? Здесь есть два ограничения, но нам пока достаточно познакомиться хотя бы с одним.

Вся коллекторная цепь нашего транзисторного усилителя, по сути дела, представляет собой делитель напряжения. Делитель этот состоит из двух основных участков — нагрузки и коллекторного перехода, и напряжение коллекторной батареи Бк делится между этими двумя участками. Поэтому, увеличивая Rн можно дойти до того, что все напряжение достанется именно этому сопротивлению, а на коллекторе (точнее, на коллекторном переходе) вообще не останется никакого напряжения (рис. 38).