Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

Достигнув заветной цели, ни один путешественник не откажет себе в удовольствии вспомнить самые интересные, самые важные этапы пройденного пути. Давайте же и мы подведем итог своего трудного и долгого путешествия от диода до ода. А заодно уже коротко, буквально в двух словах, подытожим все, что успели узнать о транзисторе.

Слабый электрический сигнал, который нужно усилить, мы вводим в эмиттерную цепь транзистора. Она представляет собой pn -переход, который с помощью вспомогательного постоянного напряжения (смещения) всегда включен в прямом направлении. Сопротивление такого перехода невелико, и поэтому входной сигнал довольно легко изменяет эмиттерный ток. Заряды, образующие этот ток, в результате диффузии просачиваются сквозь базу и попадают во второй, в коллекторный pn -переход. Этот переход включен в обратном направлении, и сопротивление его очень велико. Попав из базы в коллекторный переход, свободные заряды уменьшают его сопротивление. Под действием усиливаемого сигнала число этих зарядов меняется, а значит, сопротивление коллекторного перехода тоже меняется, следуя по пятам за всеми изменениями сигнала.

Теперь батарея, в цепь которой включен коллекторный переход, уже отдает энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока — копии слабого сигнала. Если на пути этого меняющегося тока (то есть в коллекторную цепь транзистора) включить нагрузку R н и если сделать ее сопротивление достаточно большим, то на этой нагрузке можно получить большое по величине меняющееся напряжение. Во всяком случае, во много раз большее, чем напряжение сигнала, подведенного к эмиттеру. Так создается усиление по напряжению, а значит, и усиление по мощности. Эффект усиления получается за счет того, что входной ток, действующий в цепи с малым сопротивлением, создает такой же по величине изменяющийся ток в цепи с большим сопротивлением. Именно исходя из этого и назвали транзистор преобразователем (переносчиком) сопротивлений.

Глубокий смысл этого названия станет особенно хорошо понятным, если попытаться включить нагрузку не в коллекторную, а в эмиттерную цепь, а коллектор вместе с батареей для упрощения просто выбросить из схемы. В таком поступке есть даже какая-то логика: если коллекторный ток, проходя по сопротивлению нагрузки, создает на нем большое выходное напряжение, то, очевидно, и эмиттерный ток, который, как мы уже много раз подчеркивали, по величине равен коллекторному, создаст на нагрузке такое же большое напряжение, и мы извлечем необходимую мощность прямо из источника слабого сигнала, без всякого транзистора.

Но, конечно же, эти рассуждения ошибочны. Прежде всего они не учитывают неумолимый закон Ома. Включив в эмиттерную цепь свою нагрузку R н = 10 ком, мы примерно в тысячу раз уменьшим ток в этой цепи, так как сопротивление нагрузки в тысячу раз больше прямого сопротивления эмиттерного pn -перехода. Безболезненно (или почти безболезненно) большое сопротивление нагрузки можно включать лишь в коллекторную цепь: ее собственное сопротивление достаточно велико и на этом фоне включение нагрузки не очень-то заметно.

Как видите, наша попытка усилить сигнал без управляющего прибора, в данном случае без транзистора, кончилась крахом. Да иначе и быть не могло. Никакой сигнал не может отдать больше мощности, чем у него есть, и единственная возможность усилить слабый сигнал — это слепить его мощную копию из энергии, которую дает другой источник.

На рис. 39 коллекторный pn -переход показан в виде переменного сопротивления R вых . При этом, конечно, не отражены все теперь уже хорошо известные нам процессы — впрыскивание зарядов из эмиттера в базу, диффузия, ускорение зарядов в коллекторном переходе, — в результате которых слабый сигнал управляет мощным потоком энергии. Забыв обо всех подробностях, можно представить себе, как этот слабый сигнал, действующий в цепи входного сопротивления R вх , каким-то образом двигает ручку переменного сопротивления R вых , меняет ток коллекторной цепи, а вместе с ним и напряжение на нагрузке.

Рис. 39. Транзистор, по сути дела, представляет собой реостат, сопротивление которого (сопротивление коллекторной цепи) меняется под действием усиливаемого сигнала.

Можно найти немало аналогий, помогающих понять, как работает транзистор. Можно, например, представить себе, как охотник-индеец стреляет из лука, а товарищ помогает ему, подает стрелы. Этот помощник делает примерно то же, что источник сигнала, подключенный к эмиттерному переходу: он подает заряды-стрелы для стрельбы в цель-нагрузку. Как бы ни старался помощник, он не сможет запустить стрелу с такой силой, как это делает сильно натянутая тетива лука. Лук здесь играет примерно ту же роль, что и коллекторная батарея в усилителе.

А вот еще одна, уже знакомая нам аналогия (стр. 22): затрачивая сравнительно небольшие усилия, вы подталкиваете к краю высокой горы каменные глыбы, а затем сталкиваете их вниз. Разогнавшись при падении с большой высоты, камни совершают значительную механическую работу, подобно тому как заряды, ускоренные коллекторной батареей, работают на сопротивлении нагрузки.

Для того чтобы эта аналогия была больше похожа на усилительный каскад с транзистором, нужно добавить подъемник, который бы возвращал сброшенные камни на вершину горы: ведь коллекторная батарея возвращает поработавшие на нагрузке заряды обратно в эмиттерную цепь усилителя, точнее — к «плюсу» батареи смещения. Кроме того, камни нужно подталкивать к обрыву в соответствии с каким-либо условным кодом. Например, в соответствии с азбукой Морзе (три камня, сброшенных подряд, — «тире», одиночный камень — «точка»). При этом поток камней, летящих с вершины вниз, как и полагается мощной копии, будет повторять все наши условные сигналы. Подумав, вы наверняка найдете немало других подобных аналогий.

Работу усилительного каскада может иллюстрировать система резервуаров, насосов и соединительных труб (рис. 40).

Рис. 40. Транзисторный усилитель напоминает гидравлическую систему, где, легко перемещая заслонку, можно управлять мощным потоком воды.

Возле каждого элемента этого гидравлического усилителя написано, чью роль он исполняет, какому элементу транзисторного усилителя соответствует. Наибольшую работу в этой стеме выполняет насос, исполняющий роль коллекторной батареи Б к . Он-то и создает большой перепад уровней между резервуарами «база» и «коллектор», и вода, падая с большой высоты, вращает мощную турбину-«нагрузку». Во входной цепи гидравлической системы имеется еще два насоса — «смещение» и «сигнал». Главная задача этих насосов — регулировать поток жидкости из «эмиттера» в «базу». Для регулирования используется поршень с заслонкой, которая делает примерно то же самое, что и напряжение, приложенное к эмиттерному pn -переходу. Насос «смещение» создает постоянное давление, а насос «сигнал» — переменное. Поэтому в гидравлической системе интенсивность потока воды меняется так же, как под действием усиливаемого электрического сигнала меняется ток во всех цепях транзистора. Изменение интенсивности потока воды приводит к тому, что меняется и скорость вращения мощной турбины-нагрузки. Турбина при этом работает неравномерно, мощность ее меняется, и таким образом создается своеобразный механический сигнал, некоторое подобие выходного сигнала в транзисторном усилителе. Механический сигнал, созданный турбиной, намного мощнее механического сигнала, полученного от насоса «сигнал». И именно в этом заключается эффект усиления.