Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

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.

Законный вопрос: если коллекторное напряжение так уж не влияет на коллекторный ток и, следовательно, на выходной сигнал, то, может быть, стоит понизить это напряжение? Зачем в карманном приемнике батарея с напряжением 9 в, если можно ограничиться 1,5 в или еще меньшим напряжением? Разумеется, вопросы эти возникают только потому, что о роли питающего напряжения было рассказано далеко не все. Увеличение Ек если само и не повышает выходную мощность, то дает возможность ее повысить — для этого нужно увеличить входной сигнал или сопротивление нагрузки или сделать и то и другое одновременно. Проще говоря, повышение Ек поднимает «потолок» выходной мощности.

Вывод шестой. Чем выше питающее напряжение, тем большим может быть «размах» управляющего напряжения Uэб и тем, следовательно, больше будут меняться коллекторный ток и коллекторное напряжение.

Вывод седьмой. Чем выше питающее напряжение Ек, тем большую нагрузку можно включить в коллекторную цепь, не опасаясь ни попадания в область искажений, ни того, что Uбк в какие-то моменты окажется слишком близким нулю. А это значит, чем больше Ек, тем большее усиление можно «выжать» из одного транзистора, увеличивая Rн. Здесь, правда, существует новая опасность — при чрезмерном усилении усилитель может превратиться в генератор (см. стр. 303), и поэтому всегда существует некоторый предел усиления, дальше которого продвинуться просто не удается.

Вывод восьмой. Чудес не бывает. Нужно отдать себе отчет в том, что, пытаясь поднять усиление, увеличить переменную составляющую коллекторного тока, переменную составляющую коллекторного напряжения, а значит, выходную мощность и повышая для достижения всех этих целей питающее напряжение, мы одновременно увеличиваем мощность потребляемую от источника питания.

Вывод девятый. Если, несмотря на все эти предостережения, вы все же захотите подвести к транзистору как можно большее питающее напряжение, то не забывайте, что существует граница — допустимая мощность — и что переходить эту границу можно только в том случае, если вы хотите избавиться от своего транзистора и не можете найти для этого более простой способ. Специалисты рекомендуют всегда иметь некоторый запас и считают, что разумный потолок коллекторного напряжения на 10–20 % меньше допустимой величины.

Вывод десятый. Увеличивая сопротивление нагрузки в погоне за большим усилением сигнала, можно попасть в другую запретную зону — в область выходной характеристики, где происходит искажение формы сигнала. Это объясняется просто: чем больше сопротивление Rн, тем большая часть Ек достается этому сопротивлению и тем, следовательно, меньшее напряжение остается на самом коллекторе. Увеличивая Rн, можно до того «доувеличить» Uн, что на коллекторе в некоторые моменты вообще ничего не останется и из-за этого сильно исказится форма выходного сигнала.

Вывод одиннадцатый. Чем меньше сопротивление нагрузки Rн, тем круче идет нагрузочная прямая. И это вполне понятно: с уменьшением Rн уменьшается теряемое на нем напряжение Uн и, следовательно, растет напряжение на коллекторе. При отсутствии нагрузки, то есть когда Rн = 0, нагрузочная прямая представляет собой вертикальную линию и говорит о том, что ток в коллекторной цепи меняется, а напряжение на коллекторе остается неизменным. (А с чего бы ему меняться, если теперь питающее напряжение Ек не делится ни на какие части и целиком подводится к коллектору?) При коротком замыкании нагрузки (Rн = 0) транзистор легче чем когда бы то ни было может перейти предельно допустимую мощность.

Вывод двенадцатый. Дать рецепт подбора правильного режима транзистора на все случаи жизни невозможно. Напряжение смещения Uсм, напряжение питания Ек сопротивление нагрузки Rн, напряжение сигнала Uсиг сложным образом связаны между собой и все вместе еще более сложным образом влияют на условия работы усилителя, на такие его показатели, как усиление, мощность усиленного сигнала, надежность и др. Поэтому, изменяя один из показателей (Uсиг, Uсм, Ек или Rн), подумайте, как при этом нужно и как можно изменить другие показатели и как в итоге изменится весь режим в целом.

Какими бы интересными и полезными ни показались все эти выводы о работе транзисторного усилителя, мы обязаны сделать еще один, по смыслу неприятный, а по счету тринадцатый вывод. Все характеристики мы строили и все выводы по ним делали только для одной главной схемы транзисторного усилителя, а таких главных схем существует три. Чем отличаются две другие схемы от той, с которой мы уже знакомы? Как выглядят для этих двух новых, неизвестных пока схем входные и выходные характеристики? Действительны ли для них сделанные нами двенадцать практических выводов?

Ответ на эти вопросы сможет быть дан лишь после того, как мы детально познакомимся со всеми тремя главными схемами транзисторных усилителей.

«2 + 2 = 3»

Предметом нашего дальнейшего разговора будет именно это странное равенство. Конечно, если бы мы занимались арифметикой, то здесь не о чем было бы говорить — ошибка слишком очевидна. Но в данном случае «2 + 2 = 3» относится к схемам электронных усилителей и является попыткой в шутливой форме отобразить такой факт: два провода, по которым слабый сигнал вводится в усилитель, и два провода, по которым усиленный сигнал выводится из усилителя, нужно подключить к трем выводам транзистора. То есть четыре провода нужно подключить к трем, «2 + 2 = 3».

Чтобы осуществить такое подключение, есть только один путь. Нужно к одному из выводов транзистора — к базе, эмиттеру или коллектору — подключить сразу два провода: один входной и один выходной. (Подключить к одному и тому же выводу транзистора два входных провода или два выходных бессмысленно — это равносильно короткому замыканию цепи.) Та зона транзистора, к которой подключаются сразу два провода, называется общей — она действительно является общей для входной и выходной цепи.

В принципе любой из трех электродов (эмиттер, коллектор и базу иногда называют электродами транзистора, а иногда его зонами) может быть общим, и поэтому существуют три основные схемы транзисторных усилителей: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором.

Прежде чем разбирать достоинства и недостатки каждой из них, рассмотрим ситуацию «2 + 2 = 3» применительно к обычному трансформатору (рис. 65, листки 1, 2, 3, 4).

Рис. 65. Два вывода источника сигнала и два вывода нагрузки нужно подключить к трем выводам транзистора, и отсюда появляются три основные схемы включения транзисторного усилителя: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Предположим, что у нас есть трансформатор, ко входу которого (первичная обмотка) подключен генератор, дающий переменное напряжение, а к выходу (вторичная обмотка) подключена нагрузка Rн. Нормальное подключение генератора и нагрузки к трансформатору («2 + 2 = 4») показано на листке 1.

Теперь предположим, что один из выводов первичной обмотки соединен в самом трансформаторе с одним из выводов вторичной обмотки, и таким образом у трансформатора оказывается всего три вывода вместо четырех.

Самая простая и естественная схема подключения генератора и нагрузки к такому трансформатору с тремя выводами показана на листке 2. Мы называем эту схему естественной, потому что она очень напоминает схему 1 — между обмотками, по сути дела, нет непосредственной связи. Во всяком случае, входное и выходное напряжения друг от друга изолированы.