Текст книги "Транзистор?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 10 страниц)

Л. – Можешь ли ты определить этот коэффициент по кривой U_к = 2 В?

Н. – Это очень просто. Когда мы повышаем ток базы, например, с 0,5 до 1 мА (точки А и Б), ток коллектора увеличивается с 70 до 97,5 мА. Следовательно, изменению тока базы на 0,5 мА соответствует изменение тока коллектора на 27,5 мА. Значит, усиление по току β = 27,5:0,5 = 55 раз.

Л. – Браво! А в более общей форме можно сказать, что

где ΔI_к и ΔI_б – соответственно малые изменения тока коллектора и тока базы.

Сопротивление, которое не является на перекличку

Н. – Скажите, пожалуйста! Все эти малые изменения токов и напряжений напоминают мне что-то знакомое, как мотив песенки моего далекого детства. После крутизны и коэффициента усиления нам не хватает только внутреннего сопротивления… и мы вновь встретим ту же семью основных параметров, что и у ламп.

Л. – Осторожнее, мой друг! Еще раз говорю тебе: остерегайся поспешных выводов. У ламп коэффициент усиления представляет собой отношение двух напряжений, у транзисторов – это отношение двух токов. Точно так же, говоря о внутреннем сопротивлении ламп, имеют в виду часто выходное сопротивление, тогда как у транзисторов, как мы уже видели, говорят о входном сопротивлении или сопротивлении эмиттер – база. И, как всякое сопротивление, оно представляет собой отношение напряжения к величине тока, как сказал бы покойный физик Ом.

Н. – Или, строго говоря, это – отношение малого изменения напряжения базы к вызываемому им малому изменению тока базы. А применяя для обозначения этих малых изменений милые твоему сердцу «дельты», я бы написал следующую формулу входного сопротивления:

Л. – Незнайкин, не съел ли ты гигантскую камбалу, фосфор которой заставляет твою голову так интенсивно работать? Коль скоро ты продемонстрировал свои способности, попробуй-ка рассчитать по одной из своих кривых входное сопротивление твоего транзистора?

Н. – Нет ничего проще. Для этого нужно вернуться к кривой на рис. 44, показывающей, как изменяется I_б в зависимости от U_б. Мы видим, что при переходе от 0,5 к 0,6 В ток изменяется примерно на 1 мА, a R_вх, как известно, можно рассчитать, разделив 0,1 на 1, что даст нам 0,1 Ом.

Л. – Не стыдно ли тебе, Незнайкин, в твои годы путать миллиамперы с амперами?

Н. – О, прости! Я должен был разделить 0,1 В на 0,001 А, что даст мне R_вх = 100 Ом.

Очень полезное соотношение

Л. – Вот это лучше, А чтобы наказать тебя за эту ужасную ошибку, я дам тебе решить небольшую задачу: помножь крутизну на внутреннее сопротивление, используя определения этих величин.

Н. – Ну, это просто:

Раньше я сомневался, что когда-нибудь справлюсь с подобными задачами. Итак, усиление по току^[11] равно произведению крутизны на входное сопротивление. Это напоминает мне соотношение, выведенное ранее для ламп: μ = SR_i, где R_i, однако, обозначает внутреннее сопротивление.

Л. – Можешь ли ты проверить, соответствует ли это равенство параметрам, которые ты рассчитал для своего транзистора?

Н. – По кривой на рис. 45 в районе 0,5 В крутизна составляет 500 или 600 мА/В, или в среднем 0,55 А/В. Если умножить крутизну на входное сопротивление в той же точке (а там оно равно 100 Ом), то получим 55, что как раз соответствует найденному нами усилению по току.

Л. – Все к лучшему в этом лучшем из миров! Заметь попутно, Незнайкин, что обычно коэффициент усиления почти не изменяется от увеличения тока коллектора. Что же касается крутизны, то, как мы видели, она возрастает при повышении тока I_к.

Н. – Отсюда я делаю вывод, что если наше равенство SR_в = β остается в силе, то при увеличении тока коллектора входное сопротивление должно снижаться.

Все кривые на одном графике

Л. – Устами младенца глаголет истина… А теперь надо сказать, дорогой друг, что различными данными, распыленными по снятым тобой кривым, будет значительно легче пользоваться, если ты возьмешь на себя труд составить по результатам своих измерений график, показывающий, как изменяется ток коллектора при изменении напряжения на нем.

Н. – Если я правильно понял, речь идет о кривых, аналогичных кривым, характеризующим анодный ток в зависимости от анодного напряжения.

Л. – Совершенно верно.

Н. – А при каком напряжении на базе я должен снимать такие кривые?

Л. – Вычерти серию кривых для ряда значений U_б. Установи, например, для начала 0,2 В. Затем начиная от нуля повышай постепенно напряжение на коллекторе и записывай соответствующие значения тока I_к (рис. 47).

Рис. 47. Зависимость тока коллектора I_к от напряжения коллектора U_к при различных значениях базы U_б и тока базы I_б (для того же транзистора средней мощности, что и на рис. 44–46).

Н. – Это очень любопытно. Начиная от нуля ток достигает 20 мА при напряжении менее 2 В и затем совершенно перестает возрастать, даже если напряжение на коллекторе довести до 24 В. Чем это объяснить?

Л. – Ты столкнулся с явлением насыщения. Когда все носители зарядов, вызванные к жизни приложенным между базой и эмиттером напряжением, участвуют в образовании тока коллектора, ты можешь сколько угодно повышать напряжение коллектора…

Н. – …Самая красивая девушка в мире не может дать больше, чем она имеет.

Л. – Теперь, когда ты снял кривую при U_б = 0,2 В, можешь снять другие кривые, например, при U_б = 0,3 В и т. д. Впрочем, ты можешь устанавливать не то или иное значение напряжения базы, а ряд значений тока базы I_б. Кривые для такого случая показаны на рис. 47 пунктиром. Как видишь, мы можем получить два семейства кривых, показывающих зависимость тока коллектора от напряжения коллектора при различных значениях либо напряжения базы, либо тока базы. Говорят, что эти последние значения, которые устанавливаются для каждой из кривых, являются параметрами семейства характеристик.

Сходства и различия

Н. – Эти почтенные семейства во многом похожи на семейства характеристик вакуумных ламп, у которых анодный ток изменяется в зависимости от анодного напряжения, а в качестве параметра принято сеточное напряжение. Особенно поразительное сходство наблюдается с пентодами (рис. 48).

Рис. 48. Зависимость анодного тока I_а пентода от анодного напряжения U_а при различных значениях смещения на управляющей сетке.

Л. – Правильно, но тем не менее следует отметить два серьезных различия: во-первых, характеристики пентода как бы выходят их одной точки и затем расходятся…

Н. – …наподобие фейерверка.

Л. – Да, если такое сравнение тебе нравится. А у транзисторов кривые очень быстро поднимаются, а затем после изгиба идут почти горизонтально. Ты лучше убедишься в этом, рассматривая характеристики транзистора малой мощности (рис. 49).

Во-вторых, кривые пентода расположены плотно одна к другой при больших отрицательных значениях сеточного напряжения, а затем расстояние между соседними кривыми увеличивается. А у транзистора при различных значениях тока базы расстояние между характеристиками (на рис. 49 проведены пунктиром) на всем протяжении примерно одинаковое. И в этом проявляется одно из преимуществ транзистора.

Н. – Почему?

Л. – А разве ты не видишь, что он будет с меньшими искажениями, чем пентод, усиливать сигналы с большой амплитудой? Одинаковое изменение тока базы в положительную и отрицательную стороны вызовет одинаковые изменения тока коллектора. У пентода же положительные и отрицательные полупериоды сеточного напряжения вызывают неодинаковые изменения анодного тока.

Н. – И это проявляется в тех ужасных искажениях, которые называются нелинейными. Следовательно, транзистор превосходит пентод лучшим показателем линейности. Да здравствует транзистор!^[12]

Использование характеристик

Л. – Я хотел бы вернуться к семейству характеристик, изображенному на рис. 47, чтобы ты лучше понял, какие полезные сведения содержатся в них о важнейших свойствах транзисторов. Пользуясь этими кривыми, ты можешь, например, определить крутизну для любого напряжения базы.

Н. – Действительно, если я, например, перехожу от напряжения базы 0,4 к 0,5 В (из точки А в точку Б), то ток повышается от 75 до 125 мА, т. е. на 50 мА. Следовательно, крутизна S = 50:0,1 = 500 мА/В.

Л. – Так же легко ты можешь определить по нашему графику и усиление по току.

Н. – Я думаю, что для этого нужно перейти с одной кривой I_б на другую. Возьмем, например, точки Г и Д, для которых разница тока базы составляет 1 мА; ток коллектора возрастает с 220 до 275 мА, т. е. на 55 мА. Следовательно, усиление по току β = 55:1 = 55. Это достаточно просто… но что за странная кривая спускается слева направо, которую ты пометил надписью 350 мВт (рис. 47)?

Л. – Она показывает предельную мощность транзистора. Для каждой из точек этой линии произведение напряжения коллектора на его ток равно 350.

Н. – И правда, 10 В соответствует ток 35 мА, а напряжению в 5 В – ток 70 мА. Так, значит, это граница, которую не следует переходить?

Возвращение к «дельтам»

Л. – Да, эта кривая – гипербола, но нам еще представится случай к ней вернуться. А пока я хотел бы познакомить тебя еще с одной в высшей степени полезной характеристикой транзистора – с его выходным сопротивлением. Догадываешься ли ты, о чем идет речь?

Н. – Некоторое количество фосфора в моей голове еще осталось, и я попытаюсь. Я предполагаю, что речь идет о сопротивлении, которое определяет поведение тока коллектора, когда его заставляют изменяться, изменяя напряжение коллектора. Не так ли?

Л. – Очень хорошо, Незнайкин. Добавь к этому, что во время этих изменений потенциал базы остается постоянным. И продолжай свои рассуждения, думая о нашем святом Оме.

Н. – Я догадался! Выходное сопротивление представляет собой отношение напряжения коллектора к его току.

Л. – Это еще не исчерпывающее объяснение. В нем не хватает небольших значков – дельт…

Н. – При так любезно брошенной спасательной веревке я просто не могу ошибиться. Вот определение, которое способно заставить побледнеть от зависти моего старого преподавателя математики.

Выходным сопротивлением транзистора называется отношение небольшого изменения напряжения коллектора к вызываемому им изменению тока коллектора, что можно записать следующим образом:

(что соответствует ΔU_а/ΔI_а = R_i для электронных ламп).

Л. – Твой торжественный вид говорит сам за себя. Съеденная тобой гигантская рыбина продолжает оказывать благотворное влияние на твои умственные способности… Не мог бы ты, основываясь, как и раньше, на графике, изображенном на рис. 47, определить выходное сопротивление нашего транзистора, ну, скажем, при U_б = 0,6 В.

Н. – Очень просто… Возьмем точки В и Е, соответствующие напряжениям 10 и 20 В на коллекторе, т. е. различающиеся между собой на 10 В (ΔU_к = 10 В). Из графика мы видим, что на этих точках ток коллектора повышается со 180 примерно до 182 мА, т. е. ΔI_к = 2 мА, или 0,002 А. Следовательно, выходное сопротивление R_вых = 10:0,002 = 5000 Ом.

Л. – Прекрасно! Если бы ты рассчитал выходное сопротивление для больших значений тока, то обнаружил бы, что оно еще меньше. Но не забывай, что мы имеем дело с транзистором средней мощности. Если бы мы взяли маломощный транзистор с такими характеристиками, какие показаны, например, на рис. 49, то выходное сопротивление оказалось бы намного больше. Действительно, эти кривые почти горизонтальны, и даже большое увеличение U_к вызывает лишь незначительный прирост тока I_к и их частное выражается величиной в несколько миллионов ом.

Рис. 49. Выходные характеристики транзистора малой мощности. На левом графике масштаб напряжений коллектора U_к растянут, чтобы лучше показать, что происходит в области малых напряжений.

Н. – Какое странное создание этот транзистор, у которого входное сопротивление низкое, а выходное – высокое. Можно подумать, это сделано нарочно, чтобы утереть нос электронным лампам… А, я догадался! Входное сопротивление мало потому, что по переходу эмиттер – база ток проходит в прямом направлении, а через переход база – коллектор току приходится идти в обратном направлении, преодолевая переход с трудом, поэтому выходное сопротивление получается высоким.

Л. – Это совершенно законное рассуждение, но я опасаюсь, что твои сегодняшние запасы фосфора подходят к концу и твое входное сопротивление становится колоссальным.

Беседа седьмая

ПРЯМЫЕ И КРИВЫЕ

В предыдущей беседе Любознайкин и Незнайкин рассмотрели основные характеристики транзисторов. Последние могут выражаться численными значениями различных отношений – малосигнальных параметров или, что лучше, в виде семейств кривых, показывающих, как одни величины изменяются под воздействием других. Графический метод дает более полное представление о свойствах транзистора, чем малосигнальные параметры, которые справедливы только для строго определенных условий. Однако у транзисторов, как мы без сомнений можем сказать, все зависит от всего…

В этой беседе двое наших друзей сумеют извлечь из семейства характеристик ценные сведения о действительной работе транзистора в усилителе с определенным нагрузочным сопротивлением. Попутно они также изучат способы подачи смещения.

_{Содержание: Статические и динамические характеристики. Вычерчивание нагрузочной прямой. Рабочая точка. Усиление по току, напряжению и мощности. Максимальные значения переменной составляющей. Область насыщения. Выбор сопротивления нагрузки. Динамическая крутизна. Подача смещения.}

Транзистор в мире не одинок

Незнайкин. – Со времени нашей последней встречи меня преследуют чудовищные кошмары. Мне снится, что я муха, попавшая в гигантскую паутину, состоящую из характеристик транзистора. Я отчаянно бьюсь, но не могу вырваться… Не правда ли, ужасно?

Любознайкин. – Я чрезвычайно огорчен, что нарушил твой ночной покой… Не лучше ли мне отныне отказаться говорить об этих несчастных кривых?

Н. – Напротив, я хотел бы, чтобы ты объяснил мне, как нужно ими пользоваться в различных условиях эксплуатации транзисторов.

Л. – Что ты подразумеваешь под этим?

Н. – Мы снимали эти характеристики, изменяя напряжение U_к, приложенное между коллектором и эмиттером. И мы делали это при различных значениях тока базы I_б (или, что в принципе одно и то же, при различных значениях напряжения базы U_б). В действительности же наш транзистор не живет как эгоист, изменяя свои– напряжения и токи лишь ради собственного удовольствия… Он должен подавать напряжения или токи на другой транзистор, установленный в следующем каскаде. Или же, если он стоит последним в цепочке усилителя, он должен «выдавать ватты» громкоговорителю. В любом случае транзистор должен иметь в цепи коллектора сопротивление нагрузки R_н (рис. 50).

Л. – Совершенно верно, но что же тебе непонятно?

Рис. 50. Для снятия динамических характеристик транзистора достаточно дополнить схему, показанную на рис. 43, нагрузочным резистором R_н, включенным в цепь коллектора. Начиная с этого рисунка транзистор на схемах будет изображаться общепринятым условным обозначением.

Еще раз о кухонной батарее

Н. – То, что теперь мои напряжения на коллекторе будут зависеть от величины тока коллектора. Ведь фактическое напряжение U_к, между коллектором и эмиттером меньше напряжения батареи Е_к-э, так как из последнего нужно вычесть падение напряжения, вызываемое током I_к, на нагрузочном сопротивлении R_н. Следовательно, если, увеличив ток базы, вызвать приращение тока коллектора, то падение напряжения на сопротивлении R_н возрастет и напряжение на коллекторе снизится.

Л. – Ты правильно рассудил, Незнайкин! И я понимаю, что тебя беспокоит: сеть наших кривых совершенно не учитывает этих явлений.

Н. – Я все больше и больше думаю о своей кухонной батарее, которую я некогда создал, связав между собой все кастрюли…

Из-за наличия этого сопротивления нагрузки все наши напряжения и токи связаны. И достаточно повернуть ручку потенциометра R₁, чтобы стрелки всех наших четырех приборов двинулись в едином порыве подобно солдатам, маневрирующим по команде офицера…

Одна прямая среди кривых

Л. – Попытаемся навести в этом порядок. Возьмем транзистор малой мощности, скажем, на 75 мВт. Посмотри на его кривые (рис. 51), где проведена и прерывистая линия, обозначающая предельную мощность, которую не следует превышать. Предположим, что батарея Е_к-э, питающая коллектор, имеет напряжение 9 В. Скажи, при каких условиях такое же напряжение мы обнаружим на коллекторе?

Рис. 51. Характеристики транзистора малой мощности и линия нагрузки.

Н. – Если не происходит никакого падения напряжения на сопротивлении R_н, т. е. если ток I_к равен нулю.

Л. – Ну вот, это условие мы и обозначим на нашем графике первой точкой А, где U_к = 9 В и I_к = 0. Теперь допустим, что сопротивление R_н = 275 Ом. Можешь ли ты рассчитать, при каком значении коллекторного тока на этом резисторе упадет все напряжение, так что на самом коллекторе не будет никакого напряжения?

Н. – Разумеется, применяя закон Ома, я могу найти ток I_к, который на резисторе R_н = 275 Ом создаст падение напряжения в 9 В и полностью погасит напряжение батареи Е_к-э:

Л. – Прекрасно! Это позволяет нам поставить вторую точку Б, где U_к = 0 и I_к = 32,5 мА. Нам остается теперь только взять линейку и соединить наши точки А и Б прямой линией, которая будет называться нагрузочной прямой для сопротивления нагрузки в 275 Ом.

Н. – Изрядно же мы продвинулись вперед! Я совершенно не вижу, что дает нам эта нагрузочная прямая. Начать хотя бы с того, например, как ток коллектора может достичь 32,5 мА, если в этот момент на коллекторе нет никакого напряжения.

Л. – Твое смущение вызвано тем, что ты не делаешь различия между статическими и динамическими характеристиками. Первые показывают, как изменяются интересующие нас напряжения и токи при отсутствии в цепи коллектора сопротивления нагрузки. Такие характеристики мы рассматривали во время предшествующей беседы. Сегодня же мы выясним, что происходит, когда в цепь коллектора включено нагрузочное сопротивление и, кроме того, ко входу, т. е. между базой и эмиттером, приложено переменное напряжение u_б (рис. 52). Теперь следует говорить о динамических характеристиках, и проведенная нами нагрузочная прямая позволяет их определить.

Рис. 52. Схема применения транзистора в качестве усилителя. Переменное напряжение u_б приложено между базой и эмиттером. На выходе на нагрузочном резисторе R_н получают переменное напряжение u_к.

Две составляющие

Н. – По твоей схеме входное переменное напряжение u_б порождает выходное переменное напряжение u_к, и я начинаю догадываться почему. Здесь в цепи коллектора происходит то же самое, что и в анодной цепи электронной лампы: мирное сосуществование двух токов. Во-первых, мы имеем постоянную составляющую – средний ток, определяемый рабочей точкой (у лампы – смещением сетки). И, во-вторых, имеется переменная составляющая, определяемая изменением потенциала сетки по отношению к катоду. Полупериоды переменной составляющей входного напряжения то складываются с постоянной составляющей (когда обе составляющие имеют один знак), то вычитаются из нее.

Л. – Действительно, у транзистора происходит аналогичное явление. Батареи Е_к-э и Е_б-э определяют рабочую точку. Целесообразно установить ее так, чтобы и положительные, и отрицательные полупериоды входного переменного напряжения могли создать максимальные отклонения напряжения коллектора от его среднего значения.

Н. – В этом случае мы должны условиться, что среднее напряжение U_к на коллекторе должно быть равно половине напряжения питания Е_к-э. В нашем случае это половина от 9 В, т. е. 4,5 В.

Л. – Я ставлю точку на нашей нагрузочной прямой в месте, соответствующем U_к = 5 В, это почти середина нашей прямой. Ты сейчас увидишь, что можно выбрать величину, несколько большую половины Е_к-э. Теперь, если изменение напряжения база – эмиттер (или, что то же самое, изменение тока базы) определяет изменение тока I_к и напряжения U_к коллектора, то эти две последние величины всегда оказываются связанными отношением, которое выражает наша прямая.

Н. – Это чересчур философски, и я предпочел бы конкретный пример.

Качели

Л. – Хорошо, допустим, что ты прикладываешь между базой и эмиттером переменное напряжение с амплитудой примерно в 20 мВ, которое создаст изменения тока базы с амплитудой в 0,1 мА по одну и по другую сторону от среднего тока, величина которого в точке Р составляет 0,2 мА.

Н. – В результате ток базы изменяется, принимая следующие крайние значения:

0,2 + 0,1 = 0,3 мА и 0,2–0,1 = 0,1 мА.

Л. – Совершенно верно, при первом значении мы достигнем на нашей прямой точки В (где нагрузочная прямая пересекает кривую I_б = 0,3 мА), а при втором значении мы дойдем до точки Г (место пересечения с кривой I_б = 0,1 мА).

Н. – Значит, мгновенные значения u_к и i_к колеблются между точками В и Г вдоль нагрузочной прямой, как если бы они качались вокруг точки равновесия Р.

Л. – Правильно, ты видишь, что напряжение коллектора колеблется в обе стороны от точки Р между 3,2 и 6,8 В.

Н. – Следовательно, амплитуда составляет 1,8 В, так как средняя точка Р соответствует напряжению 5 В. И если это происходит при амплитуде напряжения на базе 20 мВ = 0,02 В, то можно ли сделать вывод, что усиление по напряжению составляет 1,8:0,02 = 90 раз?

Л. – Пожалуйста. А каково усиление по току?

Н. – Его рассчитать нетрудно. Между точками В и Р, с одной стороны, и Г и Р – с другой, изменения тока коллектора достигают 7 мА. Происходят же они вследствие изменения тока базы на 0,1 мА. Следовательно, усиление по току составляет 7:0,1 =70 раз.

Л. – Я начинаю думать, что ты, совершая набеги на рыбный магазин, изрядно зарядил свой мозг фосфором… Теперь ты понимаешь, что мощность, которая выражается произведением напряжения на ток, подвергалась усилению в…

Н. – …90 х 70 = 6300 раз. Просто колоссально!

Берегись искажений

Л. – Совершенно нормально, но я хотел, чтобы ты понял, что амплитуда переменного напряжения на коллекторе не должна превышать 4,5 В. При такой амплитуде значения u_к и i_к будут перемещаться вдоль всей нагрузочной прямой от точки А до точки Б. Действительно, допустив, что рабочая точка находится строго посередине линии АБ, мы увидим, что один полупериод достигает одного конца этой линии, а другой – противоположной точки.

Н. – Одним словом, это предельные мгновенные значения напряжения коллектора u_к?

Л. – Да, но не следует допускать его падения до нуля (точки Б), так как характеристики там перестают быть прямыми. Ты видел на рис. 47 и еще более ясно на рис. 49, как резко они изгибаются при малых значениях U_к. Вот почему остается зона в несколько долей вольта, именуемая областью насыщен и я, вхождение в которую запрещено из-за искажений.

Н. – А не полезно ли в связи с этим немного сдвинуть точку Р с середины прямой АБ в сторону большего напряжения?

Л. – Конечно, если хотят быть требовательными. Вот почему мы выбрали для этой точки напряжение 5 В^[13].

Н. – У меня сложилось впечатление, что 275 Ом в качестве нагрузочного резистора R_н ты взял тоже не случайно. Что было бы при ином сопротивлении?

Букет из прямых

Л. – Вот несколько нагрузочных прямых для больших или меньших нагрузок (рис. 53). На нагрузке 1000 Ом мощность выделяется меньшая, так как мы располагаем меньшими амплитудами изменений токов как на входе (тока базы), так и на выходе (тока коллектора). Нагрузки с сопротивлением, меньшим 275 Ом, увеличивают амплитуды и мощности, но, используя такие нагрузки, мы попадаем в запрещенную область мощностей выше 75 мВт.

Рис. 53. Нагрузочные прямые для различных сопротивлений резистора R_н. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше наклон линии нагрузки. При R_н = 0 линия нагрузки поднимается вертикально.

Н. – Так вот почему ты, великий хитрец, избрал эту величину 275 Ом, которая позволяет получить нагрузочную кривую в виде касательной к гиперболе, обозначающей предельную допустимую мощность… Минутку, я вижу, что ты даже провел нагрузочную кривую для R_н = 0.

Л. – Да, Незнайкин, эта строго вертикальная прямая линия – единственная среди наших нагрузочных прямых, описывающая статический режим транзистора. Разве при отсутствии сопротивления нагрузки напряжение на коллекторе не остается постоянным и неизменным?

Н. – Это очевидно. Но разве раньше не изучали мы с тобой другие сопротивления нагрузки, кроме банального омического сопротивления? Я помню симпатичное семейство реактивных сопротивлений, с которыми мы тогда познакомились: индуктивности, колебательные контуры (рис. 54)…

Рис. 54. В качестве нагрузки может использоваться не только омическое сопротивление. На этом рисунке нагрузкой служит колебательный контур LC, настроенный на частоту сигнала.

Л. – Ты хорошо сделал, что напомнил мне о них. Разумеется, что при расчете такого рода цепей часто не учитывают омическое сопротивление катушек постоянному току. В этих условиях рабочая точка коллектора совпадает с напряжением источника питания Е_к-э. Тогда без риска изменить полярность коллектора можно допуская на реактивных сопротивлениях напряжения, амплитуда которых достигает величины Е_к-э. При этом точка А (где обычная нагрузочная прямая пересекает горизонтальную ось U_к) может соответствовать удвоенной величине напряжения батареи Е_к-э. Так, если оно равно 9 В, то точка А находится при напряжении 18 В.

Н. – Подводя итоги, следует сказать, что для проведения нагрузочной прямой я ставлю точку А, откладывая на горизонтальной оси величину Е_к-э, если в цепь коллектора непосредственно включена омическая нагрузка (R_н), или 2Е_к-э, если в качестве нагрузки выступает эквивалентное сопротивление R_э, цепей, содержащих реактивности и обладающих малым сопротивлением постоянному току (колебательный контур, трансформатор). Соответственно точку Б я ставлю на вертикальной оси, откладывая Е_к-э/R_н и Е_к-э/R_э(где R_э – эквивалентные сопротивления нагрузки) в зависимости от характера сопротивления нагрузки (рис. 55).

Рис. 55. Общее правило для определения нагрузочных прямых. В скобках указаны значения для случаев, когда сопротивление резистора R_н, цепи нагрузки постоянному току значительно меньше ее эквивалентного сопротивления R_э для переменного тока.

Л. – Ты исключительно точно сформулировал правило, и я надеюсь, что ты сам без малейшего труда сумеешь провести нагрузочные прямые и, пользуясь ими, сможешь получить кучу интересных данных. Например, нет ничего проще, исходя из имеющихся сведений, вычертить кривую, показывающую, как изменяется ток коллектора I_к в зависимости от напряжения на базе U_б. Для этого достаточно снять по нагрузочной прямой значения I_к для всех точек, где она пересекает характеристики, соответствующие различным значениям U_б и перенести их на график. Ты увидишь, что в этом случае мы получим прямую (рис. 56). Это показывает, что изменения крутизны невелики, когда мы имеем дело с большими значениями коллекторного тока, т. е. усиление транзистора имеет достаточно линейный характер.

Рис. 56. Эта характеристика, повышающая зависимость тока коллектора I_к от напряжения U_б при наличии сопротивления нагрузки, построена на основании выходных характеристик и нагрузочной прямой, изображенных на рис. 51.

Н. – Я отмечаю, что в данном случае полная проводимость прямой передачи (крутизна) равна 300 мА/В.

Л. – Да, это динамическая крутизна. С такой же легкостью ты можешь вычертить график, показывающий изменения I_к в зависимости от I_б.

Одна батарея – все напряжения

Н. – Конечно. Но, как попавшая в паутину муха, я спешу вырваться из паутины характеристик, которая наяву заставляет меня вновь переживать приснившиеся мне кошмары… Уже давно с языка у меня готов сорваться вопрос. На всех твоих схемах ты изображал две батареи: Е_к-э, дающую напряжение на коллектор, и Е_б-э, служащую источником соответствующего смещения базы. Однако я вскрыл все транзисторные приемники у своих друзей и убедился, что все они имеют только по одной батарее. Это, очевидно, батарея, питающая коллектор. Откуда же поступает напряжение смещения на базу?

Л. – От этой же батареи. Впрочем, разве в ламповых схемах ты не сталкивался с таким же положением?

Н. – Действительно, напряжение сеточного смещения создается источником анодного напряжения: анодный ток вызывает падение напряжения на резисторе R (рис. 57), включенном в цепь катода, в результате чего последний становится положительным по отношению к сетке или, иначе говоря, сетка становится отрицательной по отношению к катоду… Поступают ли так же в схемах с транзисторами, создавая падение напряжения на резисторе, установленном на пути коллекторного тока?

Рис. 57. Так в ламповой схеме создается сеточное смещение за счет падения напряжения на резисторе R, введенном в цепь катода.

Л. – Нет, Незнайкин. На этот раз с транзисторами дело обстоит проще, чем с лампами. У лампы анод должен быть положительным, а сетка отрицательной по отношению к катоду. А у транзистора типа р-n-р и коллектор, и база должны быть отрицательными по отношению к эмиттеру.

Н. – Точно так же у транзистора типа n-р-n и коллектор, и база должны быть положительными по отношению к эмиттеру. Я понял: для того чтобы база имела нужное напряжение, достаточно воспользоваться делителем напряжения из двух резисторов, присоединенным к той же батарее, от которой питается цепь коллектор – эмиттер (рис. 58).

Рис. 58. Подача напряжения смещения на базу при помощи делителя напряжения.

Л. – Правильно, мой друг. А чтобы подать на базу переменное входное напряжение, преградив ответвление постоянного тока базы в предшествующие цепи, применяют разделительный конденсатор С. Однако подать на базу необходимое ей смещение можно еще проще с помощью только одного резистора R (рис. 59), присоединив его к тому же полюсу батареи с которым соединен коллектор.

Рис. 59. Довольно часто напряжение смещения создается с помощью резистора R, включенного последовательно с переходом база – эмиттер.

Н. – Я вижу, что происходит. Ты пропускаешь через резистор R ток, идущий от базы к эмиттеру.

Л. – Этот ток, Незнайкин, называется током смещения. Именно он определяет положение рабочей точки на нагрузочной прямой. Так, для точки Р на рис. 51 необходим ток 0,2 мА, или 0,0002 А. Пусть напряжение батареи 9 В, а небольшим сопротивлением эмиттерного р-n перехода можно пренебречь (ты помнишь, что в проводящем направлении сопротивление р-n перехода весьма мало?). Можешь ли ты рассчитать необходимое сопротивление резистора R?

Н. – Если верить закону Ома, то R получим, разделив 9 на 0,0002, что даст нам 45 000 Ом, или 45 кОм.

Беседа восьмая

КЛИН КЛИНОМ

В схемах на электронных лампах охотно прибегают к обратной связи с целью уменьшить искажения и ослабить влияние колебаний напряжения питания. В схемах на транзисторах обратная связь может принести такую же пользу, а кроме того, она в известной мере может нейтрализовать воздействие изменений температуры, к которым полупроводниковые приборы, как известно, очень чувствительны.