Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы

При напряжениях меньших чем 150 мв зависимость эта носит сложный характер, и, уж во всяком случае, она не похожа на прямую пропорциональную зависимость. Участок от 0 до U* эб = 150 же называется нелинейным участком или, проще, загибом. О причинах появления этого загиба уже шла речь, когда мы знакомились с диодом. Во многих случаях режим транзистора нужно выбирать так, чтобы входное напряжение всегда было больше U* эб , то есть не попадало бы в район загиба характеристики. Подробно об этом ограничении будет рассказано чуть позже (стр. 184), а сейчас лишь отметим, что работа в области загиба приводит к искажениям формы сигнала (рис. 55).

Рис. 55. Если сигнал попадает в область загиба входной характеристики, то искажается форма этого сигнала.

В качестве следующего шага определим входное сопротивление транзистора, то есть сопротивление, которое встречает со стороны транзистора ток, идущий от источника слабого сигнала.

Поскольку входная цепь транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то можно сразу сказать, что его входное сопротивление R вх будет небольшим. Определить величину этого сопротивления можно следующим образом: нужно на время вообще забыть о существовании транзистора и предположить, что источник слабого сигнала подключен к некоторому условному резистору R вх (рис. 56).

Рис. 56. Соотношение между управляющим напряжением и входным током можно характеризовать величиной входного сопротивления. Нужно различать входное сопротивление для постоянного и переменного(меняющегося) тока.

Если известны ток и напряжение в цепи резистора, то его сопротивление нетрудно подсчитать по одной из формул все того же закона Ома, а именно R= U: I. Казалось бы, что для подсчета величины R вх нужно подставить в эту расчетную формулу любое из возможных значений напряжения U эб и соответствующий этому напряжению ток I э . Однако подобным образом можно найти лишь входное сопротивление для постоянного тока R вх= . Да и то для разных напряжений U эб это сопротивление будет различным.

Пользуясь характеристикой (рис. 54), примерно определим, что при U эб = 50 мв эмиттерный ток равен I э = 0,2 ма, а значит, R вх= = 50 мв: 0,2 ма = 250 ом. Тем же способом найдем, что при U эб = 150 мв входное сопротивление R вх= = 75 ом, а для U эб = 250 мв найдем R вх = 25 ом. Разными входные сопротивления получаются все из-за того же загиба на характеристике, так как в районе загиба ток растет намного медленней, чем на прямолинейном участке.

Научившись определять входное сопротивление для постоянного тока, мы отнюдь не решили поставленной задачи: ведь нам нужно определить сопротивление, с которым встретится источник сигнала, а он, конечно, дает переменный ток. Каким же образом можно найти входное сопротивление R вх для переменного тока? Для этого нужно посмотреть, как меняется ток I э при изменении напряжения U эб . Давайте вытащим на свет уже знакомые нам «дельты» (стр. 87) и будем учитывать не статические, не мертвые токи и напряжения, а их изменения.

Поскольку чаще всего используется прямолинейный участок входной характеристики, то определим величину R вх именно для этого участка. Зададимся каким-либо определенным изменением входного напряжения ΔU эб , найдем соответствующее ему изменение тока ΔI э , а затем, пустив в ход все тот же закон Ома, получим R вх = ΔU эб: ΔI э . Это R вх как раз и есть то самое входное сопротивление, которое оказывает входная цепь транзистора изменяющемуся току, и называется оно динамическим входным сопротивлением.

На рис. 56 показан пример определения величины R вх . Определив ток I э при напряжениях U эб , равных 200 мв и 250 мв, подсчитав ΔU эб = 250 мв — 200 мв = 50 мв и соответствующее ему ΔI э = 10 ма — 6 ма = 4 ма, находим, что входное сопротивление транзистора в нашей схеме равно 12,5 ом. Это очень небольшая величина, но ничего иного мы, собственно говоря, и не ожидали от открытого диода. Несколько забегая вперед, заметим, что малое входное сопротивление доставит нам немало хлопот и явится одной из причин, ограничивающих применение схемы, которую мы сейчас исследуем.

Следующее, что нам нужно было бы сделать, это определить коэффициенты усиления по току к I , по напряжению к u и по мощности к P .

Коэффициент усиления во всех случаях показывает, во сколько раз та или иная величина — ток, напряжение или мощность — на выходе усилителя больше, чем на входе.

С коэффициентом усиления по току мы уже встречались. В свое время (рис. 35) мы обозначали его греческой буквой α . Разница между коэффициентами α и к I лишь в том, что первый относится к самому транзистору, а второй — к транзистору, включенному в определенный усилительный каскад с определенной нагрузкой. В нашей схеме нагрузка очень слабо влияет на изменение токов I э и I к , а поэтому можно считать, что α и к I — это одно и то же. Попутно еще раз заметим, что коэффициент а назван коэффициентом усиления незаконно, так как в нашей схеме усиления по току не происходит — коллекторный ток I к всегда несколько меньше эмиттерного I э , и поэтому α < 1.

Для того чтобы определить а, можно воспользоваться одновременно двумя приведенными на нашем графике характеристиками (рис. 54— А и Б ), одна из которых показывает зависимость I э от U эб , а другая — зависимость I к от U эб . У нашего подопытного транзистора при увеличении U эб на 50 мв эмиттерный ток возрастает на 4 ма, коллекторный — лишь на 3,6 ма, так как одновременно на 400 мка (то есть на 0,4 ма) увеличивается ток базы. Отсюда легко найти, что α = 0,9. Это довольно низкая величина: как правило, у транзисторов α лежит в пределах 0,96—0,99.

Коэффициент усиления по напряжению к u зависит от того, какое сопротивление нагрузки R н включено в коллекторную цепь. Поэтому сам коэффициент к u , в отличие от α , не является параметром транзистора и характеризует усилительный каскад в целом. В нашем примере в коллекторную цепь включен резистор R н = 1 ком, и при изменении коллекторного тока от 6 до 10 ма, то есть всего на 4 на, напряжение на этом резисторе меняется от 6 до 10 в, то есть всего на 4 в ( ΔU н = ΔI к · R н ). Иными словами, при изменении входного напряжения U эб на 50 мв (и именно при таком изменении ток I к меняется примерно на 4 ма) выходное напряжение U н меняется на 4 в. А это значит, что напряжение усиливается в восемьдесят раз. Такая величина вполне реальна для нашей схемы, хотя эта схема позволяет получить значительно более высокое усиление по напряжению, вплоть до нескольких сотен раз.