Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

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.

Однако эта схема не единственно возможная — на листках 3 и 4 показаны еще две схемы, позволяющие решить проблему «2 + 2 = 3». Эти схемы уже нельзя назвать ни простейшими, ни естественными. Каждая из них — это своего рода фокус, попытка вместо простого решения задачи выбрать сложное.

Действительно, в этих двух последних схемах «смешались в кучу» токи и напряжения входных и выходных цепей. Так, в схеме 3, где общим является вывод «э» (мы обозначили три вывода трансформатора буквами «э», «б» и «к» лишь потому, что схемы 2, 3, 4 чем-то напоминают три основные схемы включения транзистора), во входной цепи циркулирует не только ток, создаваемый самим генератором, но еще и ток, протекающий через нагрузку. Это происходит потому, что в схеме 3 нагрузка оказывается включенной последовательно с генератором и участком эб, в котором находятся генератор и первичная обмотка трансформатора.

(Это особенно хорошо видно на схеме 3', которая является «двойником» схемы 3. На схеме 3' лишь несколько по-иному расположены детали на рисунке, сама же схема осталась без изменений. Благодаря такому «перемещению» элементов схемы их взаимное влияние стало более наглядным.)

При определенном включении обмоток в схеме 3 оба тока — входной и выходной — противофазны (во всех цепях протекает, разумеется, переменный ток, а стрелки показаны лишь для одного из полупериодов; см. стр. 77), и поэтому можно сказать, что схема отличается небольшим входным током, разностью двух встречных токов. Кроме того, напряжение, развиваемое на вторичной обмотке, теперь делится между нагрузкой и участком эб. Это хорошо видно на схеме 3', которая является «двойником» схемы 3. В схеме 3(3') нагрузке достается большая часть выходного напряжения лишь в том случае, если ее сопротивление значительно больше, чем у конкурента— участка эб (Воспоминание № 7),

В схеме 4(4'), где общим является вывод к, напряжение, развиваемое генератором, делится между первичной обмоткой и участком бк, куда входит вторичная обмотка, поэтому выходное напряжение никак не может быть больше, чем дает генератор.

Мы не будем подробно разбирать, что происходит в двух последних схемах, и ограничимся лишь общим выводом. Ситуация там оказывается достаточно сложной и запутанной. Но подобная путаница, приводящая к искусственному увеличению или уменьшению некоторых токов или напряжений, в ряде случаев оказывается весьма выгодной. И мы в этом сейчас убедимся на примере трех основных схем транзисторных усилителей (рис. 65, листки 5, 6, 7).

Первая схема, с которой мы, собственно говоря, начали знакомство с транзисторным усилителем, — это схема с общей базой, сокращенно ОБ (рис. 66).

Рис. 66. Схема транзисторного усилителя, о которой до сих пор шла речь, — это схема с общей базой (ОБ).

Главная особенность схемы ОБ в том, что источник усиливаемого сигнала и источник смещения включены в цепь, по которой проходит эмиттерный ток. («А разве бывает иначе?» — удивляетесь вы. Да, бывает — очень скоро будет показано, что в двух других схемах через источник сигнала и источник смещения может проходить ток базы Iб, который во много раз меньше эмиттерного.) То, что источники напряжений Uсиг и Uсм, которые вместе создают управляющее напряжение Uэб, находятся в цепи эмиттерного тока, приводит к нескольким очень неприятным последствиям.

Во-первых, эмиттерный ток (в схеме ОБ — это ток входной цепи) является «потолком» для коллекторного тока, а значит, схема ОБ в принципе не может давать усиление по току. Именно к этой схеме (и, кстати, только к этой схеме) относится уже давно сделанный вывод: коэффициент усиления по току α всегда меньше единицы.

Во-вторых, в схеме ОБ источникам, создающим Uэб, достается не слишком, легкая работа — они должны перемещать по входной цепи все заряды, которые создают довольно большой (по величине такой же, как и Iк) эмиттерный ток. И хотя сопротивление эмиттерного pn-перехода, включенного в прямом направлении, невелико, но все же от источника смещения и, что особенно неприятно, от источника сигнала требуется сравнительно большая мощность, чтобы продвинуть по своему участку довольно большое количество зарядов, образующих эмиттерный ток.

И, наконец, третье. Как мы уже видели, входное сопротивление транзистора в схеме ОБ (а мы до сих пор знакомились только с этой схемой и входное сопротивление определяли — рис. 56 — именно для нее) оказывается очень небольшим, всего несколько омов или в лучшем случае несколько десятков омов. Такое малое входное сопротивление как раз и получается потому, что в схеме ОБ по входной цепи идет сравнительно большой ток Iэ. А, как известно из закона Ома (Воспоминание № 3), большой ток как раз и говорит о малом сопротивлении.

Схема ОБ имеет, разумеется, и немало приятных, положительных особенностей. Но сейчас речь не о них. Сейчас нам нужно, не теряя темпа, пока свежи в памяти все недостатки схемы ОБ, найти способ их устранения. Тем более, что сделать это довольно просто. Нужно перенести источники сигнала и смещения в цепь базы и получить таким образом схему с общим эмиттером, или сокращенно ОЭ (рис. 67).

Рис. 67. Основное отличие схемы ОЭ от схемы ОБ в том, что источник сигнала переведен из цепи сравнительно большого эмиттерного тока в цепь небольшого тока базы.

Главная особенность схемы ОЭ в том, что источник сигнала (для краткости в дальнейшем мы будем говорить только об источнике сигнала, полагая, что вместе с ним включен и источник смещения) включен не в эмиттерную, а в базовую цепь и благодаря этому по входной цепи протекает уже не ток эмиттера, а во много раз меньший ток базы.

Прежде чем отмечать достоинства такого включения, поясним, что ничего принципиально нового для самого транзистора оно не дает. Включение транзистора по схеме ОЭ — просто схемный фокус. И хотя это очень интересный фокус, позволяющий улучшить важные показатели транзисторного усилителя, однако же самого принципа работы транзистора схема ОЭ не меняет.

Действительно, поставщиком зарядов для коллекторного тока в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, служит эмиттер — в коллектор может попасть не больше зарядов, чем их вышло из эмиттера. В схеме ОЭ заряды проходят по коллекторной цепи, так же как и в схеме ОБ под действием коллекторного напряжения, и создают мощную копию усиленного сигнала на сопротивлении нагрузки Rн. Правда, в схеме ОЭ напряжение делится уже не между двумя потребителями, как в схеме ОБ, а между тремя. Кроме самой нагрузки и коллекторного pn-перехода, часть напряжения Ек отбирает еще и эмиттерный pn-переход — ведь в схеме ОЭ коллекторная батарея действует не между коллектором и базой, а между коллектором и эмиттером. Однако появление у коллекторной батареи лишнего «едока» не должно нас смущать — сопротивление эмиттерного перехода очень мало и, как это было бы и в другом подобном делителе (Воспоминание № 7), на малом сопротивлении остается малая часть приложенного напряжения. Одним словом, можно смело считать, что коллекторная батарея в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, тратит свои основные силы только на то, чтобы двигать заряды через коллекторный pn-переход и сопротивление нагрузки.

Теперь вернемся к главной особенности схемы ОЭ — к включению источника сигнала в цепь базы.

Подобный «фокус» на первый взгляд кажется очень подозрительным и вызывает целый ряд сомнений. Не прекратится ли в связи с таким переселением входного сигнала его влияние на эмиттерный pn-переход? А если не прекратится, то будет ли управляющее напряжение в такой же степени, как и в схеме ОБ, управлять эмиттерным, а значит, и коллекторным током? Не окажется ли эмиттерный ток брошенным на произвол? И, наконец, если даже переброска источника сигнала в цепь базы не нарушит работы транзистора, то что даст такая переброска усилителю, как она повлияет на его режим и улучшит ли его основные параметры?