Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Хочешь не хочешь, а придется отвечать на эти страшные вопросы…

Все, что происходит в любом pn-переходе, в том числе и в эмиттерном, прежде всего зависит от приложенного к этому переходу напряжение — именно об этом говорит характеристика диода (рис. 19). В схеме ОЭ, точно так же как и в схеме ОБ, управляющее напряжение Uэб полностью подводится только к эмиттерному переходу, так как и в той и в другой схеме один вывод источника сигнала подключен к эмиттеру, а второй вывод — к базе (через батарею смещения Бсм). Таким образом, в обеих схемах управляющее напряжение Uэб будет в равной степени влиять на величину эмиттерного, а значит, и коллекторного тока. А то, что, полностью сохранив влияние управляющего напряжения на эмиттерный ток, мы умудрились не пропускать этот ток по самой управляющей цепи, это просто наша заслуга. Именно в этом и заключается весь смысл «фокуса» с переброской источника сигнала в цепь базы.

Главное отличие схемы ОЭ от схемы ОБ может в какой-то степени пояснить их гидравлические аналогии, приведенные на рис. 40 и 67. В гидравлических системах ОБ и ОЭ (гидравлические системы названы так же, как и схемы транзисторных усилителей, только для того, чтобы их проще было сравнивать) роль источника управляющего напряжения Uэб играют два небольших насоса «Сигнал» и «Смещение». Эти насосы создают давление, под действием которого поршень двигает заслонку «Управляющее напряжение» на пути воды из бака «Эмиттер» в бак «База». Действие этой заслонки уподобляется напряжению Uэб, которое и управляет эмиттерным током, то есть током, идущим из эмиттера в базу.

В гидравлической схеме ОБ насосы «Сигнал» и «Смещение» не только поднимают или опускают заслонку «Управляющее напряжение», но еще и перемещают весь поток жидкости на небольшом участке «Точка 0» — «Эмиттер».

В гидравлической схеме ОЭ насосы «Сигнал» и «Смещение» освобождены от этой работы — они лишь двигают заслонку «Управляющее напряжение», а всю работу по перемещению жидкости на всем ее пути — от «Эмиттера» до «Эмиттера»— выполняет только насос «Коллекторная батарея».

Именно в том, что насосы «Сигнал» и «Смещение» освобождены от работы по перекачиванию всей воды в бак «Эмиттер» и заняты лишь своим главным делом — регулированием потока из «Эмиттера» в «Базу», именно в этом главное отличие гидравлической системы ОЭ от системы ОБ. Во всем же остальном эти системы очень похожи. Во всяком случае, принцип работы обеих гидравлических систем одинаков.

Насос «Сигнал», затрачивая небольшую мощность (в ОБ она немного больше, в ОЭ немного меньше, но в обеих системах эта мощность невелика), управляет мощным потоком воды «Коллекторный ток». Этот поток создается благодаря тому, что насос «Коллекторная батарея» поднимает воду на высокий уровень. Мощный, падающий с большой высоты «коллекторный ток» вращает турбину «Нагрузка».

Если насос «Сигнал» бездействует, турбину вращает поток неизменной силы — поток покоя, который зависит только от «смещения». Но если ввести в систему слабый гидравлический сигнал и с помощью насоса «Сигнал» периодически перемещать вверх-вниз заслонку «Управляющее напряжение», то интенсивность мощного потока тоже будет меняться. При этом будет меняться и скорость вращения турбины «Нагрузка», создавая своего рода мощную копию всех изменений интенсивности «Сигнала».

Вернемся, однако, к нашим транзисторным усилителям. О том, что принцип усиления слабого сигнала в схеме ОЭ остается таким же, как и в схеме ОБ, говорит сходство их входных и выходных характеристик. Входные характеристики схемы ОЭ (рис. 68) показывают, что ток эмиттера, ток базы и ток коллектора при изменении управляющего напряжения Uэб меняются примерно так же, как и в схеме ОБ. Следует, правда, подчеркнуть, что для ОЭ главной характеристикой нужно и можно считать зависимость от Uэб уже не эмиттерного тока, а тока базы Iб. Эту характеристику нужно считать главной потому, что именно ток базы проходит по входной цепи (по цепи источника сигнала) и определяет все происходящие в ней события.

Рис. 68. Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ относится уже не к току эмиттера, а к току базы, так как именно он протекает во входной цепи; выходная характеристика несколько круче, чем в схеме ОБ.

Эту характеристику можно считать главной потому, что ток базы — это часть тока эмиттера, который в итоге определяет события во всем транзисторе. И самое главное то, что ток базы Iб — это не просто часть тока эмиттера Iэ, а строго определенная его часть. Так, например, при α = 0,99 ток базы составляет один процент тока эмиттера. Иными словами, ток эмиттера примерно в сто раз (точнее, в девяносто девять раз) больше тока базы. Если, например, Iб увеличился на 5 мка, то можно смело сказать, что при этом Iэ увеличился примерно на 500 мка. А все это означает, что главная входная характеристика схемы ОЭ — зависимость тока базы Iб от управляющего напряжения Uэб — одновременно рассказывает, как при изменении Uэб меняется ток эмиттера Iэ, ток коллектора Iк, и в итоге — напряжение на нагрузке Uн.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ и ОЭ также очень похожи, если не считать некоторых, как правило, второстепенных отличий. Одно из таких отличий — более резкий подъем выходных характеристик, который говорит о том, что Iк несколько сильнее зависит от коллекторного напряжения, чем в схеме ОБ. Поэтому-то с увеличением Uэк (теперь выходные характеристики уже показывают зависимость Iк от напряжения между эмиттером и коллектором) коллекторный ток растет сильнее, чем в схеме ОБ он рос с увеличением Uбк.

И все же общее, результирующее влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток остается очень небольшим, а выходные характеристики схемы ОЭ идут достаточно полого. А поэтому и выходное сопротивление транзисторов в схеме ОЭ хотя и меньше, чем в схеме ОБ, но также остается очень большим, достигая десятков и сотен килоом (рис. 68).

Вот другое отличие выходных характеристик схем ОЭ и ОБ. В схеме ОЭ коллекторный ток прекращается при нулевом напряжении на коллекторе, а чтобы прекратить коллекторный ток в схеме ОБ, нужно было подать на коллектор очень небольшой «плюс». Из-за того, что выходные характеристики в схеме ОЭ начинают загибаться при более высоком напряжении на коллекторе, запрещенная зона «Искажения» для этой схемы оказывается несколько больше.

И, наконец, третье отличие. При нулевом управляющем напряжении Uэб коллекторный ток в схеме ОБ — он называется сквозным или начальным током коллектора и обозначается Iк-н — значительно больше, чем неуправляемый ток Iк0 в схеме ОБ. Это опять-таки связано с тем, что некоторая часть коллекторного напряжения приложена к эмиттерному переходу и отпирает его, даже если внешнее управляющее напряжение равно нулю.

Все перечисленные отличия в принципе не меняют «взаимоотношений» между коллекторным током Iк, напряжением на нагрузке Uн и на коллекторе Uэк, эмиттерным током Iэ, напряжением сигнала Uсиг, смещением Uсм и сопротивлением нагрузки Rн. А поэтому выводы, сделанные нами на основании анализа входных и выходных характеристик схемы ОБ (рис. 64), в основном остаются в силе и для схемы ОЭ.

Итак, наш «фокус» удался — перевод источника сигнала в цепь базы в принципе не изменяет работы транзистора. Теперь остается доказать, что игра стоит свеч, что включение транзистора по схеме ОЭ каким-то образом улучшает параметры усилительного каскада.

По сравнению со схемой ОБ у схемы ОЭ есть три основных достоинства. Все они связаны с тем, что по входной цепи схемы ОЭ (то есть через источник усиливаемого сигнала) протекает ток базы, который во много раз меньше эмиттерного тока во входной цепи схемы ОБ (рис. 69).

Рис. 69. Коэффициент усиления тока в схеме ОЭ—β, по сути дела, показывает, во сколько раз мы разгрузили входную цепь при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ.

Благодаря резкому уменьшению тока во входной цепи, во-первых, уменьшается потребляемая в ней мощность, то есть мощность, которую должен отдать усилителю не кто иной, как слабый усиливаемый сигнал. Во-вторых, благодаря уменьшению тока возрастает входное сопротивление, а это, как мы вскоре увидим, резко облегчает согласование усилителя с источником сигнала. И, наконец, третье: поскольку ток базы, который теперь должен создать источник сигнала во много раз меньше эмиттерного, а значит, и коллекторного тока, то схема ОЭ дает не только усиление по напряжению, как схема ОБ, но еще и усиление по току. А в итоге усиление по мощности у схемы ОЭ оказывается значительно больше, чем у схемы ОБ.