Шаг за шагом. Транзисторы
Шрифт:
Если бы напряжение Uбк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Ек было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток Iк) был бы по закону Ома равен Iк = Ек·Rн. На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике — поставим на ней точку Б. Она как раз и соответствует напряжению Uбк = 0 и току Iк = 12 ма, который под действием напряжения Ек = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки Rн = 1
Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни Iк, ни Uбк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.
Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке Rн и выбранном напряжении питания Ек связаны между собой входное напряжение Uэб, напряжение на коллекторе Uбк и коллекторный ток Iк. Так, например, точка М говорит о том, что при Uэб = 250 мв режим коллекторной цепи будет Uбк = 2 в и Iк = 10 ма; при Uэб = 150 мв режим уже совсем иной: Uбк = 10 в, Iк = 2 ма (точка N). Разумеется, эти данные относятся лишь к Rн = 1 ком и Ек = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки Rн, то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ), а если уменьшить Rн — более круто (АГ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Ек и уменьшается напряжение на коллекторе Uбк. Так при одном и том же входном напряжении Uэб = 150 мв получаем Uбк = 10 в при Rн = 1 ком (точка N); и Uбк = 8 в при Rн = 2 ком (точка А').
Уменьшение питающего напряжения Ек одновременно уменьшает и ток Iк, и напряжение Uбк и таким образом смещает всю линию нагрузки в сторону нуля (линия А'В при Ек = 6 в).
Задавшись пределами изменения входного сигнала, можно найти пределы изменения коллекторного тока и напряжения на коллекторе. Так, если входное напряжение меняется от 150 мв до 250 мв (наша входная характеристика говорит о том, что такие пределы изменений вполне допустимы), то все события в транзисторе будут происходить в пределах участка MN нагрузочной прямой. При этом коллекторный ток будет меняться от 2 ма до 10 ма, а напряжение на коллекторе — от 2 в до 10 в. Отсюда легко найти и амплитудные значения напряжения и тока выходного (усиленного) сигнала Iампл = Iк(MN):2 = 8 ма: 2 = 4 ма. Мы делим Iк(MN) на два потому, что в этом интервале должны «поместиться» две амплитуды («положительная» и «отрицательная»), а значит, на каждую из них придется только половина Iк(MN). Аналогично находим и амплитуду переменного напряжения: Uампл = Uбк(MN):2 = 8 в:2 = 4 в.
Прежде чем двигаться дальше, нам нужно покаяться в грехах, рассказать о некоторых неточностях, которые мы допустили, пытаясь отделить суть дела от второстепенных подробностей, и, по возможности, избежать лишних названий, терминов и объяснений.
Так, например, мы назвали входными характеристиками все графики, приведенные на рис. 54, в то время как входной характеристикой официально называется лишь зависимость Iэ от Uэб. Более того, зависимость напряжения на нагрузке Uн от напряжения Uэб на входе транзистора попала в число входных характеристик совсем уже незаконно: все эти характеристики снимаются без нагрузки, при постоянном напряжении на коллекторе и поэтому называются статическими. Статическими, кстати, называются и все наши выходные характеристики. Они тоже снимаются без нагрузки, а влияние Rн учитывается путем несложных вычислений и построений.
Мы не отметили на входной характеристике очень небольшой эмиттерный ток, возникающий при отсутствии входного напряжения, то есть при Uэб = 0, если при этом есть хотя бы небольшое напряжение на коллекторе. Этот начальный ток появляется благодаря тому, что коллекторный ток создает в самой базовой области на ее собственном, внутреннем сопротивлении некоторое внутреннее напряжение, отпирающее эмиттерный переход даже тогда, когда нет внешнего отпирающего напряжения.
Другой «странный ток» — довольно большой коллекторный ток Iк, который существует даже при отсутствии коллекторного напряжения, то есть при Uбк = 0. Он появляется из-за диффузии через базу зарядов, впрыснутых в нее из эмиттера.
Мы не будем продолжать перечисление подобных второстепенных, но несомненно интересных подробностей. Во-первых, с некоторыми из них нам еще предстоит встретиться. Во-вторых, уже пора сделать какие-нибудь полезные выводы из долгого и трудного разбора входных и выходных характеристик транзистора.
Первые несколько выводов мы, как говорится, можем «взять голыми руками», бегло взглянув на рис. 56 и 58. Выводы эти касаются параметров самого транзистора — он обладает очень небольшим входным сопротивлением, очень большим выходным сопротивлением и не дает усиления по току.
Другие выводы — они касаются режима транзисторного усилителя — будут сделаны на основании анализа входной и выходной характеристик, причем мы будем наблюдать за усилителем в динамическом режиме, то есть когда на его вход подан усиливаемый сигнал, а в коллекторную цепь включена нагрузка.
Чтобы легче представить себе то, что происходит в этом случае с транзистором, мы воспользуемся совмещенными графиками, пример построения которых понятен из рис. 62.
Рис. 62. Если известно, как меняется входное напряжение, то, пользуясь входной характеристикой, можно построить график входного (эмиттерного) тока.
В левой части рис. 62 помещена входная характеристика транзистора, которая показывает, как меняется ток Iэ при изменении управляющего напряжения Uэб. Само же напряжение Uэб непрерывно меняется, так как ко входу усилителя подведен сигнал Uсиг. Кроме того, на входе действует еще и напряжение смещения Uсм. Суммируясь, Uсм и сигнал дают меняющееся напряжение Uэб. График этого напряжения (рис. 62—Б) мы «положили набок» и совместили его с входной характеристикой. «Совместили» — это значит, что деления на оси напряжения Uэб графика Б совпадают с делениями на оси напряжения Uэб графика А. Иными словами, одинаковые значения напряжений —100 мв, 200 мв, 300 мв и т. д. — лежат строго друг против друга, то есть совмещены.
Обратите внимание, что ось времени, на графике Б размечена не в «законных» единицах времени — не в сек, мсек, мксек и т. д. На этой оси маленькими буквами а, б, в отмечены лишь три наиболее интересных момента. Так, например, от момента 0 до момента а входного сигнала нет, и на базе действует только одно смещение. Моменты б и в соответствуют положительной и отрицательной амплитудам усиливаемого сигнала. Суммируясь с Uсм или вычитаясь из него, эти амплитуды дают наибольшее Uэб-макс или наименьшее Uэб-мин напряжение на базе.