Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Рис. 72. Оба коэффициента α и β по-разному характеризуют одно и то же: ответвление части эмиттерного тока в базу.

Схема с общим эмиттером имеет серьезные достоинства (усиление по току, большое усиление по мощности и сравнительно высокое входное сопротивление) и серьезные недостатки. Однако ничего плохого о схеме ОЭ мы сейчас говорить не будем. И совсем не потому, что собираемся замалчивать ее недостатки — о них еще будет особый разговор. Мы не будем говорить о недостатках схемы ОЭ, потому что в большинстве случаев с ними удается вести эффективную борьбу, и не стоит умалять поэтому важные достоинства схемы. Освобожденная от недостатков и не утратившая достоинств схема ОЭ является основной схемой транзисторных усилителей.

И все же схема с общим эмиттером — только основная практическая схема, но никак не единственная. В ряде случаев она уступает место уже хорошо знакомой нам схеме с общей базой или схеме с общим коллектором (схема ОК; рис. 73), с которой нам сейчас предстоит познакомиться. Кстати, эту схему иногда называют «эмиттерный повторитель».

Привыкнув к тому, что в схемах ОБ и ОЭ усиливается напряжение, следовало бы прежде всего назвать усилитель, работающий по схеме ОК, не усилителем, а ослабителем. Действительно, в схеме ОК управляющее напряжение подводится к своеобразному делителю, в который входит сопротивление нагрузки Rн и эмиттерный рn-переход транзистора. Для того чтобы возникновение этого делителя стало более наглядным, на одном из листов рис. 73 база транзистора несколько вытянута и изогнута. Это, разумеется, лишь графический трюк, который никакого отношения к устройству транзистора не имеет. Этот трюк нужен для того, чтобы на самом рисунке поставить в один ряд эмиттерный pn-переход и нагрузку Rн, а затем наглядно показать их подключение к источнику сигнала в виде делителя напряжения. Напряжение входного сигнала Uвх, подведенное к делителю, делится между его участками — между эмиттерным pn-переходом и нагрузкой Rн.

Рис. 73. Главная особенность схемы с общим коллектором (ОК) — высокое входное сопротивление.

Поэтому на долю нагрузки приходится переменное напряжение Uвых, которое никак не больше, чем Uвх, а напротив, даже меньше его. Именно так — часть напряжения сигнала остается на эмиттерном pn-переходе, выходное напряжение всегда меньше, чем входное напряжение, то есть схема ОК ослабляет напряжение. С этим как раз и связано название «эмиттерный повторитель» — схема не усиливает напряжение сигнала, а лишь повторяет его, оставляя неизменным (практически Uвых лишь незначительно меньше, чем Uвх).

Так же как эго было и при знакомстве со схемой ОЭ, сразу же возникает куча вопросов. Для чего нужен такой схемный фокус? Зачем подавать входной сигнал не на его законное место, не на эмиттерный переход, а туда, где входному сигналу вообще нечего делать, — на переход база-коллектор (всмотритесь в схему: именно между базой и коллектором включен источник сигнала). Как же в такой схеме входной сигнал может управлять коллекторным током, если этот сигнал лишен своего командного поста — эмиттерного рn-перехода? Для чего нужно превращать схемы, которые усиливают напряжение, в схему, которая его ослабляет? Если так уж хочется ослабить сигнал, зачем для этого транзистор — достаточно делителя, составленного из двух резисторов!

Ответив на эти вопросы, можно прийти к выводу, что схема ОК работоспособна, что она обладает некоторыми достоинствами и в ряде случаев просто незаменима.

Внимательно познакомившись со схемой ОК, убедимся, что «с ходу» мы приписали ей лишний недостаток — схема действительно не усиливает напряжения, но и почти не ослабляет его. Все дело в том, что сопротивления участков делителя, на который работает источник сигнала, сильно различаются по величине. Сопротивление эмиттерного pn-перехода мало, во много раз меньше, чем сопротивление нагрузки Rн. Поэтому нагрузке достается почти все напряжение сигнала Uсиг, а значит — входное и выходное напряжения усилителя примерно равны.

А что же делает оставшаяся часть сигнала, что делает напряжение Uэб? Оно, как и всякое напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, управляет эмиттерным, а значит, и коллекторным током. Таким образом, входной сигнал выполняет свои управляющие функции, хотя, конечно, направляет на это дело лишь небольшую часть своего напряжения.

То, что усилитель, работающий по схеме ОК, не усиливает напряжение, еще не дает оснований называть его ослабителем. Мы уже давно договорились (стр. 92), что об усилении можно судить, только сравнив входную и выходную мощность. А такое сравнение как раз говорит о том, что схема ОК имеет все права называться усилительной. Почти не уменьшая напряжения, схема ОК примерно в β раз усиливает ток, а значит, примерно в β раз усиливает мощность. Правда, нам еще остается доказать, что в схеме ОК ток действительно усиливается в β раз. Но это уже не сложно.

Источник сигнала в схеме ОК, так же, кстати, как и в схеме ОЭ, включен в цепь, по которой проходит ток базы Iб. А по нагрузке, как всегда, проходит ток коллектора Iк, который в β раз больше, чем Iб. Ток базы в схеме ОК проходит по довольно длинному пути (через источник сигнала, нагрузку и эмиттерный переход), но сути дела это не меняет — ток в выходной цепи больше, чем ток во входной цепи, а значит, происходит усиление по току.

Можно сказать, что «в общем плане» схема ОК, которая усиливает ток, но не усиливает напряжение, ничем не хуже схемы ОБ, которая усиливает напряжение, но не усиливает ток. Однако эта разница — ток вместо напряжения — приводит к резкому различию входного и выходного сопротивления схем ОБ и ОК. Схема ОБ обладает очень низким входным и очень высоким выходным сопротивлением (рис. 56, 58), а схема ОК — очень высоким входным сопротивлением и сравнительно низким выходным.

То, что схема ОК имеет высокое входное сопротивление в упрощенном виде, объясняется так: ток базы, как обычно, мал, входное напряжение стало довольно большим, а это значит, что входное сопротивление схемы ОК велико. Практически оно составляет сотни килоом.

Значительно меньше оказывается выходное сопротивление, — показывающее, как меняется в нагрузке сквозной ток при изменении напряжения между эмиттером и коллектором. Динамическое выходное сопротивление обычно составляет несколько сотен или десятков ом.

На этом, пожалуй, можно закончить рассказ о том, как в транзисторных усилителях решается проблема «2 + 2 = 3» и как три разных ее решения дают разные, со своими достоинствами и недостатками, результаты (рис. 74). Сравнение трех основных схем транзисторных усилителей ОБ, ОЭ и ОК говорит о том, что, хотя «по сумме многоборья» на первое место выходит схема с общим эмиттером, две остальные имеют свои собственные, никем из конкурентов не побитые рекорды.

Рис. 74. Каждая из трех схем включения транзистора имеет свои достоинства, но в большинстве случаев отдают предпочтение схеме ОЭ за сочетание многих ценных качеств.

Сейчас трудно определить, кто первый придумал этот заголовок — «Как читать радиосхемы», — но можно с уверенностью сказать, что ему уже не один десяток лет. Под таким заголовком вышло множество плакатов, статей и книжек, и, по-видимому, всякий, кто в итоге все же научился читать схемы, начинал именно с одного из таких пособий.

К сожалению, довольно часто попытка научить чтению радиосхем не идет дальше рассказов о самой азбуке — о тех условных обозначениях, с помощью которых на бумаге изображаются конденсатор, резистор или переключатель. Не зная азбуки, читать нельзя — это факт. Но знание азбуки, знание условных обозначений, представляется лишь ничтожно малой частью того, что нужно для чтения радиосхем.

Чтобы прочесть схему, чтобы по запутанному чертежу быстро представить себе сложное электронное устройство и все происходящие там процессы, нужно многое знать и уметь. И, конечно, прежде всего нужно знать законы электрических цепей и уметь применять их при разборе конкретных схем.

Прежде чем учиться читать конкретные, практические схемы, полезно познакомиться с некоторыми общими, абстрактными решениями, с некоторыми принципами построения схем. Один из таких принципов — это разделение цепей постоянного и переменного тока, которое осуществляется, например, для того, чтобы элементы этих цепей не оказывали вредного влияния друг на друга. Сейчас на примере входных и выходных цепей транзисторного усилителя мы попытаемся выяснить, чем вызвано, что дает и как осуществляется такое разделение. Но еще перед этим придется попутно решить небольшую задачу, связанную с питанием самого транзистора.