Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Рис. 54. Входная характеристика транзистора показывает, как меняется входной ток (ток эмиттера) при изменении управляющего напряжения (напряжение между базой и эмиттером).

Прежде всего отметим прямолинейный участок на входной характеристике: он начинается от напряжения U*э = 150 мв. Именно начиная с этого напряжения практически соблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением Uэб и током Iэ (увеличим напряжение в два раза, и ток вырастет в те же два раза), и поэтому входная характеристика начиная с U*эб = 150 мв представляет собой почти прямую линию.

При напряжениях меньших чем 150 мв зависимость эта носит сложный характер, и, уж во всяком случае, она не похожа на прямую пропорциональную зависимость. Участок от 0 до U*эб  = 150 же называется нелинейным участком или, проще, загибом. О причинах появления этого загиба уже шла речь, когда мы знакомились с диодом. Во многих случаях режим транзистора нужно выбирать так, чтобы входное напряжение всегда было больше U*эб, то есть не попадало бы в район загиба характеристики. Подробно об этом ограничении будет рассказано чуть позже (стр. 184), а сейчас лишь отметим, что работа в области загиба приводит к искажениям формы сигнала (рис. 55).

Рис. 55. Если сигнал попадает в область загиба входной характеристики, то искажается форма этого сигнала.

В качестве следующего шага определим входное сопротивление транзистора, то есть сопротивление, которое встречает со стороны транзистора ток, идущий от источника слабого сигнала.

Поскольку входная цепь транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то можно сразу сказать, что его входное сопротивление Rвх будет небольшим. Определить величину этого сопротивления можно следующим образом: нужно на время вообще забыть о существовании транзистора и предположить, что источник слабого сигнала подключен к некоторому условному резистору Rвх (рис. 56).

Рис. 56. Соотношение между управляющим напряжением и входным током можно характеризовать величиной входного сопротивления. Нужно различать входное сопротивление для постоянного и переменного(меняющегося) тока.

Если известны ток и напряжение в цепи резистора, то его сопротивление нетрудно подсчитать по одной из формул все того же закона Ома, а именно R = U: I. Казалось бы, что для подсчета величины Rвх нужно подставить в эту расчетную формулу любое из возможных значений напряжения Uэб и соответствующий этому напряжению ток Iэ. Однако подобным образом можно найти лишь входное сопротивление для постоянного тока Rвх=. Да и то для разных напряжений Uэб это сопротивление будет различным.

Пользуясь характеристикой (рис. 54), примерно определим, что при Uэб = 50 мв эмиттерный ток равен Iэ = 0,2 ма, а значит, Rвх= = 50 мв: 0,2 ма = 250 ом. Тем же способом найдем, что при Uэб = 150 мв входное сопротивление Rвх= = 75 ом, а для Uэб = 250 мв найдем Rвх = 25 ом. Разными входные сопротивления получаются все из-за того же загиба на характеристике, так как в районе загиба ток растет намного медленней, чем на прямолинейном участке.

Научившись определять входное сопротивление для постоянного тока, мы отнюдь не решили поставленной задачи: ведь нам нужно определить сопротивление, с которым встретится источник сигнала, а он, конечно, дает переменный ток. Каким же образом можно найти входное сопротивление Rвх для переменного тока? Для этого нужно посмотреть, как меняется ток Iэ при изменении напряжения Uэб. Давайте вытащим на свет уже знакомые нам «дельты» (стр. 87) и будем учитывать не статические, не мертвые токи и напряжения, а их изменения.

Поскольку чаще всего используется прямолинейный участок входной характеристики, то определим величину Rвх именно для этого участка. Зададимся каким-либо определенным изменением входного напряжения ΔUэб, найдем соответствующее ему изменение тока ΔIэ, а затем, пустив в ход все тот же закон Ома, получим Rвх  = ΔUэб: ΔIэ. Это Rвх как раз и есть то самое входное сопротивление, которое оказывает входная цепь транзистора изменяющемуся току, и называется оно динамическим входным сопротивлением.

На рис. 56 показан пример определения величины Rвх. Определив ток Iэ при напряжениях Uэб, равных 200 мв и 250 мв, подсчитав ΔUэб = 250 мв — 200 мв = 50 мв и соответствующее ему ΔIэ = 10 ма — 6 ма = 4 ма, находим, что входное сопротивление транзистора в нашей схеме равно 12,5 ом. Это очень небольшая величина, но ничего иного мы, собственно говоря, и не ожидали от открытого диода. Несколько забегая вперед, заметим, что малое входное сопротивление доставит нам немало хлопот и явится одной из причин, ограничивающих применение схемы, которую мы сейчас исследуем.

Следующее, что нам нужно было бы сделать, это определить коэффициенты усиления по току кI, по напряжению кu и по мощности кP.

Коэффициент усиления во всех случаях показывает, во сколько раз та или иная величина — ток, напряжение или мощность — на выходе усилителя больше, чем на входе.

С коэффициентом усиления по току мы уже встречались. В свое время (рис. 35) мы обозначали его греческой буквой α. Разница между коэффициентами α и кI лишь в том, что первый относится к самому транзистору, а второй — к транзистору, включенному в определенный усилительный каскад с определенной нагрузкой. В нашей схеме нагрузка очень слабо влияет на изменение токов Iэ и Iк, а поэтому можно считать, что α и кI — это одно и то же. Попутно еще раз заметим, что коэффициент а назван коэффициентом усиления незаконно, так как в нашей схеме усиления по току не происходит — коллекторный ток Iк всегда несколько меньше эмиттерного Iэ, и поэтому α < 1.

Для того чтобы определить а, можно воспользоваться одновременно двумя приведенными на нашем графике характеристиками (рис. 54—А и Б), одна из которых показывает зависимость Iэ от Uэб, а другая — зависимость Iк от Uэб. У нашего подопытного транзистора при увеличении Uэб на 50 мв эмиттерный ток возрастает на 4 ма, коллекторный — лишь на 3,6 ма, так как одновременно на 400 мка (то есть на 0,4 ма) увеличивается ток базы. Отсюда легко найти, что α = 0,9. Это довольно низкая величина: как правило, у транзисторов α лежит в пределах 0,96—0,99.

Коэффициент усиления по напряжению кu зависит от того, какое сопротивление нагрузки Rн включено в коллекторную цепь. Поэтому сам коэффициент кu, в отличие от α, не является параметром транзистора и характеризует усилительный каскад в целом. В нашем примере в коллекторную цепь включен резистор Rн = 1 ком, и при изменении коллекторного тока от 6 до 10 ма, то есть всего на 4 на, напряжение на этом резисторе меняется от 6 до 10 в, то есть всего на 4 в (ΔUн = ΔIк·Rн). Иными словами, при изменении входного напряжения Uэб на 50 мв (и именно при таком изменении ток Iк меняется примерно на 4 ма) выходное напряжение Uн меняется на 4 в. А это значит, что напряжение усиливается в восемьдесят раз. Такая величина вполне реальна для нашей схемы, хотя эта схема позволяет получить значительно более высокое усиление по напряжению, вплоть до нескольких сотен раз.

Коэффициент усиления по мощности кP равен произведению коэффициентов усиления по току α и по напряжению кu.

И это вполне понятно: мощность в равной степени зависит от тока и напряжения, и, увеличив, например, в два раза ток и в два раза напряжение, мы увеличиваем мощность в четыре раза. Поскольку коэффициент усиления по току α очень близок к единице, можно считать, что усиление по мощности примерно такое же, как и усиление по напряжению (кu ~= кP).