Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

То, что для подсчета входного напряжения U сиг мы пользуемся входным сопротивлением транзистора R вх , по-видимому, требует некоторых пояснений.

Разумеется, мы не можем менять сопротивление R вх так, как меняем по своему вкусу сопротивление нагрузки, да и напряжение U сиг получаем уже в готовом виде. Но ведь мы и не говорим: «напряжение U сиг зависит от сопротивления R вх . Мы просто отмечаем, что напряжение на каком-либо участке цепи (в данном случае это относится к напряжению U сиг во всех случаях равно произведению тока на сопротивление.

Умножив ток на сопротивление, можно подсчитать и выходное напряжение транзисторного усилителя, то есть переменное напряжение на нагрузке: U н~ = U вых = I к~· R н. Отсюда следует: чтобы увеличить переменное напряжение на нагрузке, есть два пути — увеличение I к~ и увеличение R н . На величину коллекторного тока мы как будто повлиять не можем: к коллектору не может двигаться больше зарядов, чем их приходит в базу из эмиттера. Значит, для увеличения U вых остается одно: нужно увеличить сопротивление нагрузки. Чем больше будет R н , тем больше будет и действующее на нем напряжение. А именно оно в данном случае и определяет возможности всего нашего усилительного каскада (каскадом называют блок электронной аппаратуры, способный решать какую-либо самостоятельную задачу, в частности — усиливать сигнал).

До каких же пор можно увеличивать сопротивление нагрузки R н в погоне за большим выходным напряжением? Здесь есть два ограничения, но нам пока достаточно познакомиться хотя бы с одним.

Вся коллекторная цепь нашего транзисторного усилителя, по сути дела, представляет собой делитель напряжения. Делитель этот состоит из двух основных участков — нагрузки и коллекторного перехода, и напряжение коллекторной батареи Б к делится между этими двумя участками. Поэтому, увеличивая R н можно дойти до того, что все напряжение достанется именно этому сопротивлению, а на коллекторе (точнее, на коллекторном переходе) вообще не останется никакого напряжения (рис. 38).

Рис. 38. При слишком большом сопротивлении нагрузки постоянное напряжение на коллекторе может упасть до нуля.

А это в свою очередь означает, что, увеличивая R н , нужно всегда учитывать и величину сопротивления коллекторного перехода. Если, например, окажется, что сопротивление коллекторного перехода имеет ту же величину, что и R н — его можно назвать выходным сопротивлением транзистора R вых ,— то каждому из этих участков достанется половина напряжения, а с этим еще вполне можно мириться.

Чуть позже мы подробно остановимся на том, что представляет собой выходное сопротивление транзистора. Мы узнаем, что оно может быть различным для постоянного и переменного тока, что величина его зависит и от режима входной цепи (это, собственно говоря, нам уже известно — входная цепь в основном тем и занимается, что меняет сопротивление коллекторного pn -перехода, — впрыскивая в него, разумеется через базу, свободные заряды). Пока же мы ограничимся некоторым общим высказыванием: выходное сопротивление транзистора весьма велико, коллекторный переход, по сути дела, представляет собой диод, включенный в обратном направлении. Во всяком случае, в коллекторную цепь транзистора малой мощности можно смело включить нагрузку с сопротивлением в несколько килоом, не опасаясь серьезных неприятностей, в том числе слишком сильного уменьшения напряжения на самом коллекторе. Для определенности примем, что в коллекторную цепь нашего транзистора включена нагрузка R н = 10 ком. Это вполне реальная цифра.

Мы ограничили сопротивление резистора R н из боязни потерять на нем слишком большую часть постоянного коллекторного напряжения и оставить слишком малое постоянное напряжение на самом коллекторе. Но можно ведь вместо резистора R н включить в коллекторную цепь такой элемент, который будет представлять очень большое сопротивление для переменного тока и очень малое — для постоянного. Примером такого элемента может служить уже знакомый нам дроссель или трансформатор. Из-за разного сопротивления для переменной и постоянной составляющих коллекторного тока (возможные величины этих сопротивлений 50 ком и 5 ом) на этом элементе будет создаваться большое переменное напряжение и почти не будет теряться постоянное (рис. 38).

Это, конечно, позволит безболезненно увеличить сопротивление нагрузки, но опять-таки не до бесконечности. Избавившись от опасности слишком уменьшить постоянное напряжение на коллекторе, мы столкнемся с другими ограничениями (о них будет рассказано на стр. 179) и все равно не сможем увеличить сопротивление нагрузки больше чем до нескольких десятков килоом.

Итак, в коллекторную цепь включена нагрузка с сопротивлением 10 ком. Теперь еще одна цифра: сопротивление эмиттерного pn -перехода R вх примем равным 10 ом. Это тоже вполне реальная величина: эмиттерный переход транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, а сопротивление такого диода как раз и составляет единицы или десятки ом.

Теперь мы наконец можем сравнить мощность входного и выходного сигналов и вынести окончательный приговор транзистору, можем определить, «усиливает» или «не усиливает».

Мощность входного сигнала выделяется на сопротивлении R вх , мощность выходного сигнала — на сопротивлении R н . На этих же сопротивлениях действуют соответственно входное и выходное напряжение U сиг и U вых . Токи I э~ и I к~ , протекающие по сопротивлениям R вх и R н , примерно равны, а значит, соотношение между напряжениями U сиг и U вых определяется только соотношением сопротивлений R вх и R н . В нашем примере сопротивление нагрузки R н в тысячу раз больше, чем сопротивление R вх , и поэтому напряжение U вых также в тысячу раз больше, чем U сиг . Иными словами, наш каскад дает усиление по напряжению в тысячу раз. А поскольку мощность сигнала — это произведение напряжения на ток ( P= U· I) и поскольку токи I э~ и I к~ , как мы уже говорили, равны, то усиление по мощности также равно тысяче. Это реальные цифры: примерно такое усиление можно получить в нашей схеме от среднего по своим параметрам транзистора.

Вот и конец долгого путешествия. Мы не ошиблись, воскликнув в свое время: «Земля!» Построенный нами из двух диодов трехслойный полупроводниковый прибор — транзистор — действительно может создавать мощную копию слабого электрического сигнала, используя для этой цели энергию источника постоянного тока.