Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

В то же время отрицательная обратная связь, которая неизбежно снижает усиление и от которой, казалось бы, ничего хорошего и ждать нечего, пользуется большой популярностью, потому что с помощью отрицательной ОС можно сделать много полезных дел, например — повысить входное сопротивление усилительного каскада и тем самым облегчить его согласование с предыдущим каскадом.

Увеличение входного сопротивления в этом случае объясняется довольно просто. Из-за отрицательной ОС переменная составляющая тока во входной цепи уменьшается, хотя источник сигнала какое давал напряжение Uсиг, такое и дает. А то, что при неизменном напряжении уменьшается ток, равносильно повышению входного сопротивления (рис. 56).

Вооружившись этой простой истиной, мы можем теперь совсем по-другому взглянуть на схему с общим коллектором (рис. 73). В этой схеме выходное напряжение полностью попадает во входную цепь — между базой и эмиттером действуют два напряжения Uвх и Uвых. Иными словами, усилитель с общим коллектором охвачен очень глубокой обратной связью. Эта обратная связь оказывается отрицательной: когда сигнал Uсиг увеличивает на базе «минус», выходное напряжение Uвых увеличивает «минус» на эмиттере. В результате такого противодействия со стороны Uвых уменьшается переменная составляющая тока во входной цепи (при неизменном Uсиг), поэтому схема ОК обладает очень высоким входным сопротивлением. По этой же причине она не дает никакого усиления по напряжению.

Здесь, на самом интересном месте, мы прервем рассказ о достоинствах и недостатках обратной связи, о том, как сложно формируются понятия «хорошо» и «плохо», когда дело касается электронных схем. Мы прервем свой рассказ потому, что с некоторыми особенностями обратной связи удобней будет познакомиться в следующих главах, на примерах ее практического использования. А сейчас наступила очередь «последнего сказанья» об абстрактном усилителе, после чего мы сможем наконец перейти к конкретным усилительным схемам.

Даже не совершая длительных многодневных путешествий, можно почувствовать, как велики просторы нашей страны. Можно, например, подсчитать, что на ее территории разместится пятьдесят тысяч таких гигантов, как Москва, и население получившегося при этом «супергорода» составит примерно триста миллиардов человек — в сто раз больше, чем на всем земном шаре. А еще можно представить себе, как жители Бреста, прогуливаясь после трудового дня по улицам своего тихого зеленого города, любуются яркими красками заката и как в то же самое время солнце уже выплывает из-за горизонта с другой стороны земного шара и начинает новый день во Владивостоке. Можно, наконец, просто послушать по радио сводку погоды и убедиться, что в начале марта, когда официально начинается весна, в Норильске еще стоят двадцатиградусные морозы, а в Сухуми уже двадцатиградусная жара.

Если в такое время года вам понадобится пересечь страну с севера на юг, то наверняка придется положить в чемодан и теплую зимнюю шапку, и летние сандалии. А если захотите взять с собой в дорогу самодельный транзисторный приемник, то обязательно нужно будет принять меры, чтобы он без осложнений перенес столь резкое изменение климата. Потому что сами транзисторы очень чувствительны к изменению температуры, и если не принять мер, то приемник, сделанный и налаженный при средней комнатной температуре, может совсем не работать под жаркими лучами южного солнца.

Мы уже несколько раз говорили, что в полупроводнике при изменении температуры резко — примерно в два раза на каждые десять градусов — меняется число собственных (неосновных) зарядов. В диоде эти неосновные заряды создают обратный ток Iобр (рис. 17, 21), а в транзисторе из них образуется обратный ток коллектора Iко (рис. 60).

При нагревании диода из-за увеличения Iобр pn-переход достигает границы допустимой мощности при более низком напряжении, и поэтому столь важная характеристика, как допустимое обратное напряжение диода, заметно понижается. Эта же неприятность происходит и при нагреве транзисторов. Так, например, если при температуре 20 °C коллекторный переход транзистора спокойно выдерживает напряжение 50 в, то при температуре 60 °C он может оказаться пробитым уже при напряжении 20 в. Но это еще не все.

Нагрев транзистора может привести к еще одной и притом очень серьезной неприятности — к резкому изменению режима и параметров транзисторного усилителя. И это опять-таки связано с ростом начального тока коллектора Iко из-за увеличения числа собственных (неосновных) зарядов.

Разные схемы усилителей по-разному меняют свой режим под влиянием температуры, даже если в этих схемах работают одинаковые транзисторы, с одним и тем же начальным током. Так, в частности, схема ОБ свой режим меняет в очень малой степени. Обратный ток коллектора Iко в этой схеме только и делает, что прибавляется к основному коллекторному току Iк. А поскольку Iк, как правило, значительно больше, чем Iко, то, как бы ни менялся этот последний, он не может заметно повлиять на общий коллекторный ток.

Подтвердим это числовым примером. В реальном случае в усилительном каскаде с маломощным транзистором Iк составляет 2 ма, а обратный ток Iко при комнатной температуре 20 °C у средних транзисторов равен 10 мка. Допустим, что транзистор нагреется до 70 °C и его обратный ток, увеличившись в 32 раза (при нагревании на 10 °C ток Iко растет в два раза, а значит, при нагревании на 50° он увеличивается в 25 = 32 раза), возрастет до 320 мка. При этом коллекторный ток увеличится до 2,32 ма (2 ма + 320 мка), то есть примерно на 16 %. Таким сравнительно небольшим изменением коллекторного тока, как правило, можно пренебречь. Но, повторяем, вся эта картина относится только к схеме ОБ, где Iко только увеличивает коллекторный ток, и ничего больше.

Совсем по-другому развиваются события в схемах ОЭ и ОК, где коллекторный ток проходит по эмиттерному рn-переходу и поэтому оказывает влияние на режим транзистора через главный командный пункт — через входную цепь. В итоге получается, что всякое изменение неуправляемого тока Iко усиливается в β раз, то есть при нагревании изменение коллекторного тока оказывается в β раз больше, чем изменение самого Iко.

Давайте прикинем, к чему приводит «усиление нестабильности» — усиление тока Iко. Так же как и в предыдущем примере, предположим, что при комнатной температуре 20 °C ток Iко = 10 мка, а при температуре 70 °C этот ток увеличивается до 320 мка. Кроме того, предположим, что коэффициент усиления по току у выбранного транзистора равен β = 50. Теперь подсчитаем: в схеме ОЭ начальный ток Iк-н (строго говоря, этот ток нужно называть сквозным током в цепи эмиттер-коллектор) будет равен при комнатной температуре Iк-н(20) = β·Iко = 50·10 = 500 мка. При нагревании транзистора до 70° коллекторный ток Iк-н, как и в предыдущем примере, увеличится в 32 раза (потому что в 32 раза возрастет Iко) и станет равным 16 ма.

Это большая, очень большая величина. Ведь нормальный, управляемый ток коллектора, возникающий за счет впрыскивания зарядов из базы у маломощного транзистора обычно составляет 2–5 ма. Иными словами, в схеме ОЭ коллекторный ток при нагревании транзистора может увеличиться не на несколько процентов, как в схеме ОБ, а в несколько раз!

Так оборачивается для нас серьезной неприятностью одно из главных достоинств схемы ОЭ — усиление по току. Усиливая полезный ток — ток сигнала, — схема ОЭ «по инерции» усиливает нестабильный и неуправляемый ток Iко, который вынужден проходить через эмиттерный рn-переход. (Другого пути для этого тока нет — неосновным зарядам, попавшим из базы в коллектор, проще всего вернуться обратно в базу, пробравшись через всю коллекторную цепь и через эмиттер.)

Из-за появления большого начального коллектора тока все семейство статических характеристик при нагревании транзистора резко сдвинется вверх и рабочий участок нагрузочной прямой уменьшится (рис. 86, 87).

Рис. 86. Разные схемы по-разному ведут себя при изменении рабочей температуры.

Рис. 87. Чтобы уменьшить влияние температуры на режим транзистора, применяют схемы, стабилизующие начальное смещение на базе.