Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

То, что входное напряжение, в частности напряжение смещения, стало в нашем рассказе о транзисторах главным действующим лицом, ни в какой степени не искажает истины — ко входу транзистора подводится некое напряжение, оно создает входной ток, а он, в свою очередь, вводит электрические заряды в базу. (В схеме ОБ все происходит в точности так; в схеме ОЭ число введенных в базу зарядов тоже определяется входным током, однако нужно умножить входной ток на коэффициент β, чтобы количественно подсчитать ток, который входит в базу.) Из базы заряды попадают в коллекторный переход и затем проходят по коллекторной нагрузке. Первопричиной всей этой длинной цепочки событий, как видите, является напряжение, подведенное ко входной цепи транзистора.

Однако в некоторых случаях для упрощения картины полезно забыть об этой первопричине и начинать все рассуждения прямо с тока, протекающего во входной цепи, именно его считая главным действующим лицом. Подача отрицательного смещения от коллекторной батареи — это как раз один из таких случаев.

Рис. 125. Понятие «генератор тока» или «генератор напряжения» прежде всего отражает соотношение между сопротивлением генератора и нагрузки.

Сопротивление резистора Rб, через который коллекторное напряжение попадает на базу, во много раз больше, чем сопротивление Rвх= эмиттерного рn-перехода. Это ясно хотя бы из того, что коллекторное напряжение составляет 5—10 в, а на базе должно остаться смещение всего 0,1–0,2 в. Подобное деление возможно лишь в том случае, если сопротивление верхней части-делителя Rб в несколько десятков раз больше, чем сопротивление его нижней части Rвх=. Такое соотношение сопротивлений позволяет рассматривать всю цепь смещения как цепь с генератором тока, внутреннее сопротивление которого Rб, а нагрузка Rвх=.

Мы уже говорили, что в цепи генератора тока сама величина тока почти не зависит от сопротивления нагрузки и в основном определяется большим сопротивлением генератора, в нашем случае — сопротивлением резистора Rб. Представьте себе, что в схеме, где смещение подается от коллекторной батареи через резистор Rб, вы меняете транзисторы, и у них, в силу известного разброса параметров, оказываются различными сопротивления эмиттерного рn-перехода Rвх=. В этом случае ток в цепи, по сути дела, меняться не будет, так как небольшое сопротивление рn-перехода мало влияет на ток в цепи, куда включен резистор Rб с большим сопротивлением.

Но если через какой-нибудь участок цепи проходит неизменный ток и меняется сопротивление этого участка, то неизбежно (согласно закону Ома — U = I·R) будет меняться действующее на участке напряжение. Иными словами, при включении транзисторов с разными Rвх= будет меняться напряжение на этих сопротивлениях, будет меняться начальное отрицательное смещение, которое подается на вход триодов.

Из всего сказанного так и хочется сделать вывод: «Это недопустимо! При смене транзисторов нужно менять и резистор Rб, с тем чтобы всегда делить коллекторное напряжение в одной и той же пропорции. Смещение на базе всегда должно быть одинаковым!!!» Несмотря на кажущуюся логическую безупречность этого вывода, он все же неверен. Точнее, не совсем верен.

Напряжение смещения, которое мы подводим к транзистору, — это не самоцель. Мы подводим напряжение смещения для того, чтобы создать во входной цепи определенный ток, который затем попадет в коллекторную цепь и, по сути дела, определит все события, происходящие в транзисторном усилительном каскаде. Чтобы установить режим транзистора, нужно задать в его входной цепи определенный ток, и только поэтому нужно подвести к ней определенное напряжение. А если сопротивление эмиттерного рn-перехода у транзисторов окажется различным, то к ним придется подводить и разные напряжения— лишь в этом случае можно будет установить во входной цепи этих транзисторов один и тот же ток.

Из этого рассказа можно сделать несколько полезных выводов. Прежде всего, рассматривая процессы в схеме, о которой идет речь, и, что еще важнее, при ее налаживании, можно вообще исключить из рассуждений подводимое ко входу транзистора постоянное напряжение Uсм и сразу же учитывать ток смещения Iсм во входной цепи. А поскольку у нас генератор тока, то величина Iсм будет всегда одинаковой и режим транзистора всегда будет определяться лишь сопротивлением Rб. Именно подбором этого сопротивления можно установить необходимый начальный ток во входной цепи, установить режим транзистора.

Все сказанное совершенно не противоречит тому, что говорилось раньше: мы рассматривали всю цепь подачи смещения как делитель напряжения, и из наших рассуждений также следовало, что режим устанавливается подбором резистора Rб. От того, что мы перешли к иному описанию процесса, сам этот процесс не изменился: как и прежде, на эмиттерном переходе действует напряжение; как прежде, во входной цепи протекает ток. Перейдя к новому описанию, рассматривая всю цепь как генератор тока, мы лишь несколько упростили картину, нарисованную в своем сознании, сделали ее более удобной для мысленного анализа. Не думая ни о каком напряжении Uсм, мы просто считаем, что нужно установить во входной цепи заданный ток Iсм (обычно задается ток коллектора Iк=, который зависит от Iсм), а значит, нужно подобрать резистор Rб, определяющий величину этого тока.

Следующий вывод носит более общий характер — он касается распространенного выражения: «транзистор — это прибор, управляемый током».

Иногда это говорится для того, чтобы подчеркнуть отличие транзистора от лампы, во входной цепи которой ток очень мал и которую поэтому считают усилительным прибором, управляемым напряжением. Разумеется, в работе лампы и транзистора есть различия, но вряд ли стоит пытаться описать их короткой фразой, которая к тому же относится лишь к одному из отличий, определяет его неточно (события во входных цепях транзистора и лампы характеризуются и током, и напряжением— этими двумя показателями единого процесса), а некоторые важные различия, в частности рекомбинацию зарядов в рn-переходах, не учитывает совсем.

Часто говорят о токовом принципе управления транзистором, имея в виду, что его входная цепь, в большинстве случаев обладающая малым сопротивлением, подключена к высокоомному источнику сигнала, то есть к генератору с очень большим внутренним сопротивлением Rвых (имеется в виду сопротивление переменному току). В этих случаях выражение «прибор, управляемый током», опять-таки нужно для того, чтобы упростить картину, исключить из нее второстепенные детали и выделить главное. А главным в этом случае как раз и является высокое сопротивление генератора, с которого транзистор получает сигнал, и низкое входное сопротивление самого транзистора Rвх (для переменного тока). Генератор сам определяет входной ток транзистора, а этот ток уже своим обычным порядком управляет работой всего усилительного каскада. Конечно, на входе транзистора, как всегда, действует управляющее напряжение, но для простоты дела его можно не учитывать.

Все описание работы транзистора и его характеристики мы в свое время строили на том, что ко входу подводится управляющее напряжение Uэб, что именно оно создает входной ток и управляет выходным током. В том случае, когда входная цепь транзистора питается от генератора тока (то есть от источника с сопротивлением, значительно превышающим Rвх), можно все рассуждения сразу начинать со входного тока. А входное напряжение считать при этом «побочным продуктом» — каким оно получится, таким пусть и будет. Так, кстати, поступают довольно часто. И поэтому не удивляйтесь, если вы встретите семейство выходных характеристик, построенных не для разных напряжений Uэб, а для разных входных токов — Iэ для схемы ОБ или Iб для схемы ОЭ.

Этими характеристиками можно пользоваться довольно часто, но не всегда. В тех случаях, когда источник сигнала обладает низким внутренним сопротивлением, его нужно рассматривать как генератор напряжения и все рассуждения о работе транзистора, как мы это и делали, начинать с того, что к его входу подводится напряжение Uэб.

«Цепь тока» и «цепь напряжения», «генератор тока» и «генератор напряжения», «прибор, управляемый током», и «прибор, управляемый напряжением», — все эти понятия отражают лишь соотношение сопротивлений в электрических цепях и зависимость событий в этих цепях от их элементов. Пользоваться перечисленными понятиями весьма удобно, но делать это можно лишь тогда, когда выяснено, почему в той или иной цепи ток или напряжение мало зависят от того или иного элемента и почему от другого элемента они зависят сильно. И во всех случаях, рассматривая электрическую цепь и при этом обращая внимание только на ток или только на напряжение, не забывайте, что вы лишь упрощаете истинную картину, чтобы легче разобраться в происходящих событиях. И что на любом участке любой реальной цепи ток протекает под действием напряжения, или, если говорить иначе, наличие тока обязательно сопровождается появлением напряжения.