Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Мы в дальнейшем будем помечать лишь три такие статические характеристики: одну — соответствующую наибольшему напряжению на базе Uэб-макс, другую — соответствующую наименьшему напряжению на базе Uэб-мин и третью — соответствующую напряжению постоянного смещения Uсм. По этим трем характеристикам можно определить наибольший коллекторный ток Iк-макс, наименьший коллекторный ток Iк-мин и коллекторный ток покоя Iк-п — постоянный ток в коллекторной цепи, когда сигнала нет. Попутно отметим, что этот ток очень часто определяет и энергию, Потребляемую от источника питания, так как он говорит о том, что потребляется от этого источника не в самом трудном случае (Iк-макс, момент б), не в самом легком случае (Iк-мин, момент в), а в среднем за длительное время.

И еще одно попутное замечание: токи эмиттера Iэ-п и базы Iб-п при отсутствии сигнала также называют токами покоя. Подсчитав Iк для разных моментов времени, можно легко построить график изменения этого тока с течением времени (листок В). Для простоты построения график этот удобно расположить слева или справа от выходной характеристики, причем расположить так, чтобы оси Iк оказались совмещенными.

Отметив три статические характеристики, соответствующие наибольшему, наименьшему и среднему напряжению на входе транзистора, можно, пользуясь линией нагрузки, определить, как будет изменяться и напряжение Uбк на коллекторе (точнее — между коллектором и базой). Для этого достаточно опустить на горизонтальную ось вспомогательные линии от точек пересечения линии нагрузки с соответствующими статическими характеристиками. Определив границы изменения Uбк, можно очень просто построить график, показывающий, как меняется это напряжение с течением времени (листок Г).

Мы все время считаем, что продукция усилителя — это переменная составляющая напряжения на нагрузке Uн~. Но можно легко доказать, что переменное напряжение на нагрузке меняется в тех же пределах, что и напряжение на самом коллекторе. Действительно, нагрузка и коллекторная цепь самого транзистора образуют делитель, к которому приложено напряжение Ек коллекторной батареи. В динамическом режиме сопротивление коллекторной цепи меняется, а сопротивление нагрузки, естественно, остается неизменным. Поэтому подводимое напряжение Ек непрерывно перераспределяется между этими двумя участками делителя, причем сумма напряжений Uн + Uбк всегда остается неизменной и равной Ек. Это значит, что если напряжение на нагрузке увеличится, например, на 2 в, то на те же 2 в уменьшится напряжение на коллекторе, и наоборот: на сколько увеличится Uбк, на столько же уменьшится и Uн. Иными словами, в динамическом режиме напряжение на нагрузке меняется на ту же величину, что и напряжение на коллекторе, и можно с равным успехом называть выходным сигналом транзисторного усилителя и переменную составляющую Uн~, и переменную составляющую Uбк~. А поэтому по построенному нами графику изменения Uбк можно в полной мере судить о выходном напряжении усилителя. Для удобства построения этот график «положен набок» и его ось Uбк совпадает с такой же осью выходной характеристики.

Вот мы подготовились к тому, чтобы с помощью входной и выходной характеристик попытаться оценить влияние тех или иных факторов на режим транзисторного усилителя. Выводы, которые сейчас будут сделаны, мы пронумеруем, с тем чтобы в дальнейшем, при рассмотрении практических схем, проще было на них ссылаться. В соответствии с «порядковым номером» того или иного вывода пронумерован и поясняющий листок на рис. 64.

Рис. 64. Входные и выходные характеристики позволяют сделать ряд полезных практических выводов о работе транзисторного усилителя.

Вывод первый. На работу усилителя в сильнейшей степени влияет постоянное отрицательное смещение Uсм, проще говоря — «минус» на базе. При слишком малом смещении входное напряжение Uэб попадает в область загибов входной характеристики, а то и в область положительного напряжения на базе. А если на базе появляется «плюс», транзистор просто запирается, то есть работает с отсечкой.

Слишком большое смещение может привести к другой крайности — к чрезмерному эмиттерному току и, значит, к перегреву транзистора и выходу его из строя. Не думайте только, что этот перегрев из тех, которые можно обнаружить на ощупь, а если надо, то и перетерпеть. Даже ненадолго превысив допустимый эмиттерный (или коллекторный) ток, вы выведете транзистор из строя настолько быстро и аккуратно, что даже заметить этого не успеете.

По характеристике можно определить режим, при котором на базе действует одно только смещение. Сама точка на характеристике, соответствующая этому режиму, получила название рабочей точки. Так, например, на характеристике рис. 54 можно выбрать рабочую точку, соответствующую Uсм = 200 мв, и при этом эмиттерный ток покоя Iэ-п будет равен 6 ма. А можно сместить рабочую точку вправо, выбрав смещение Uсм = 250 мв, и получить при этом Iэ-п = 10 ма. Если вы допускаете шутки в серьезном деле, то можете считать, что само название «рабочая точка», очевидно, происходит от того, что на входной характеристике в том ее месте, которое соответствует выбранному смещению Uсм, действительно ставят довольно жирную точку.

На входной характеристике можно выделить две крайние точки, соответствующие наибольшему допустимому току Iэ-доп и напряжению, при котором заканчивается загиб (у нас это 150 мв). Участок характеристики, который лежит между этими крайними точками, называется прямолинейным участком. Для того чтобы полностью использовать этот участок, нужно подобрать смещение («рабочую точку»), соответствующее его середине.

Вывод второй. Увеличение смещения влечет за собой повышение токов покоя Iэ-п и Iк-п, а значит, увеличение мощности, потребляемой от источников питания. Поэтому не стоит увеличивать смещение без надобности, и наоборот, если это возможно, смещение следует уменьшать, повышая таким образом экономичность усилителя.

Вывод третий. Напряжение смещения Uсм следует устанавливать с учетом того, какой входной сигнал будет подводиться к усилителю. Если напряжение сигнала невелико, то незачем пользоваться всем прямолинейным участком входной характеристики и добиваться, чтобы ток покоя попадал на середину этого участка. В случае малого сигнала смещение может быть небольшим. При этом и токи покоя Iэ-п и Iк-п будут небольшими.

Вывод четвертый. Выбор рабочей точки в середине прямолинейного участка позволяет подвести к усилителю входной сигнал, самый большой из всех возможных. Если же почему-либо окажется, что входной сигнал все равно выходит за пределы дозволенного, то в этом случае можно уменьшить его с помощью обычного потенциометра (например, регулятора громкости).

Здесь могут возникнуть серьезные опасения. С помощью потенциометра действительно можно менять входное напряжение и при достаточно большом Uсиг выходить из прямолинейного участка или входить в него. Но не опасно ли пользоваться усилителем, который работает в подобном режиме? Ведь достаточно слегка повернуть ручку регулятора, чтобы напряжение на базе превысило допустимую величину.

Скажем прямо, такие опасения не лишены оснований — слишком большим напряжением сигнала действительно можно вывести из строя эмиттерный переход. Однако в усилителях, собранных по уже рассчитанным и проверенным схемам, до этого дело обычно не доходит. Напряжение на базе приходится ограничивать еще задолго до того, как наступает опасность «теплового разрушения» эмиттерного перехода. Как правило, увеличение входного сигнала становится невозможным из-за искажений, возникающих в выходной цепи. Но это уже, как говорится, совсем другая история.

Вывод пятый. В коллекторной цепи имеются два главных героя, определяющих степень искажения сигнала, усиление и режим транзистора: это нагрузка и питающая батарея. Повышение напряжения питания Ек, как это ни странно, само по себе ничего не дает. Может оказаться так, что, повысив постоянное напряжение на коллекторе, вы ничего не выиграете и переменное выходное напряжение (а значит, и выходная мощность) каким было, таким и останется. Происходит это потому, что само повышение коллекторного напряжения практически не влияет на коллекторный ток — выходные характеристики идут очень полого. А поскольку повышение Ек не увеличивает Iк, то оно не увеличивает и напряжение Uн, которое, как известно, пропорционально коллекторному току.