Шаг за шагом. Транзисторы - Сворень Рудольф Анатольевич (читать книги полные .TXT) 📗
Ответ на эти вопросы сможет быть дан лишь после того, как мы детально познакомимся со всеми тремя главными схемами транзисторных усилителей.
«2 + 2 = 3»
Предметом нашего дальнейшего разговора будет именно это странное равенство. Конечно, если бы мы занимались арифметикой, то здесь не о чем было бы говорить — ошибка слишком очевидна. Но в данном случае «2 + 2 = 3» относится к схемам электронных усилителей и является попыткой в шутливой форме отобразить такой факт: два провода, по которым слабый сигнал вводится в усилитель, и два провода, по которым усиленный сигнал выводится из усилителя, нужно подключить к трем выводам транзистора. То есть четыре провода нужно подключить к трем, «2 + 2 = 3».
Чтобы осуществить такое подключение, есть только один путь. Нужно к одному из выводов транзистора — к базе, эмиттеру или коллектору — подключить сразу два провода: один входной и один выходной. (Подключить к одному и тому же выводу транзистора два входных провода или два выходных бессмысленно — это равносильно короткому замыканию цепи.) Та зона транзистора, к которой подключаются сразу два провода, называется общей — она действительно является общей для входной и выходной цепи.
В принципе любой из трех электродов (эмиттер, коллектор и базу иногда называют электродами транзистора, а иногда его зонами) может быть общим, и поэтому существуют три основные схемы транзисторных усилителей: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором.
Прежде чем разбирать достоинства и недостатки каждой из них, рассмотрим ситуацию «2 + 2 = 3» применительно к обычному трансформатору (рис. 65, листки 1, 2, 3, 4).
Рис. 65. Два вывода источника сигнала и два вывода нагрузки нужно подключить к трем выводам транзистора, и отсюда появляются три основные схемы включения транзисторного усилителя: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).
Предположим, что у нас есть трансформатор, ко входу которого (первичная обмотка) подключен генератор, дающий переменное напряжение, а к выходу (вторичная обмотка) подключена нагрузка Rн. Нормальное подключение генератора и нагрузки к трансформатору («2 + 2 = 4») показано на листке 1.
Теперь предположим, что один из выводов первичной обмотки соединен в самом трансформаторе с одним из выводов вторичной обмотки, и таким образом у трансформатора оказывается всего три вывода вместо четырех.
Самая простая и естественная схема подключения генератора и нагрузки к такому трансформатору с тремя выводами показана на листке 2. Мы называем эту схему естественной, потому что она очень напоминает схему 1 — между обмотками, по сути дела, нет непосредственной связи. Во всяком случае, входное и выходное напряжения друг от друга изолированы.
Однако эта схема не единственно возможная — на листках 3 и 4 показаны еще две схемы, позволяющие решить проблему «2 + 2 = 3». Эти схемы уже нельзя назвать ни простейшими, ни естественными. Каждая из них — это своего рода фокус, попытка вместо простого решения задачи выбрать сложное.
Действительно, в этих двух последних схемах «смешались в кучу» токи и напряжения входных и выходных цепей. Так, в схеме 3, где общим является вывод «э» (мы обозначили три вывода трансформатора буквами «э», «б» и «к» лишь потому, что схемы 2, 3, 4 чем-то напоминают три основные схемы включения транзистора), во входной цепи циркулирует не только ток, создаваемый самим генератором, но еще и ток, протекающий через нагрузку. Это происходит потому, что в схеме 3 нагрузка оказывается включенной последовательно с генератором и участком эб, в котором находятся генератор и первичная обмотка трансформатора.
(Это особенно хорошо видно на схеме 3', которая является «двойником» схемы 3. На схеме 3' лишь несколько по-иному расположены детали на рисунке, сама же схема осталась без изменений. Благодаря такому «перемещению» элементов схемы их взаимное влияние стало более наглядным.)
При определенном включении обмоток в схеме 3 оба тока — входной и выходной — противофазны (во всех цепях протекает, разумеется, переменный ток, а стрелки показаны лишь для одного из полупериодов; см. стр. 77), и поэтому можно сказать, что схема отличается небольшим входным током, разностью двух встречных токов. Кроме того, напряжение, развиваемое на вторичной обмотке, теперь делится между нагрузкой и участком эб. Это хорошо видно на схеме 3', которая является «двойником» схемы 3. В схеме 3(3') нагрузке достается большая часть выходного напряжения лишь в том случае, если ее сопротивление значительно больше, чем у конкурента— участка эб (Воспоминание № 7),
В схеме 4(4'), где общим является вывод к, напряжение, развиваемое генератором, делится между первичной обмоткой и участком бк, куда входит вторичная обмотка, поэтому выходное напряжение никак не может быть больше, чем дает генератор.
Мы не будем подробно разбирать, что происходит в двух последних схемах, и ограничимся лишь общим выводом. Ситуация там оказывается достаточно сложной и запутанной. Но подобная путаница, приводящая к искусственному увеличению или уменьшению некоторых токов или напряжений, в ряде случаев оказывается весьма выгодной. И мы в этом сейчас убедимся на примере трех основных схем транзисторных усилителей (рис. 65, листки 5, 6, 7).
Первая схема, с которой мы, собственно говоря, начали знакомство с транзисторным усилителем, — это схема с общей базой, сокращенно ОБ (рис. 66).
Рис. 66. Схема транзисторного усилителя, о которой до сих пор шла речь, — это схема с общей базой (ОБ).
Главная особенность схемы ОБ в том, что источник усиливаемого сигнала и источник смещения включены в цепь, по которой проходит эмиттерный ток. («А разве бывает иначе?» — удивляетесь вы. Да, бывает — очень скоро будет показано, что в двух других схемах через источник сигнала и источник смещения может проходить ток базы Iб, который во много раз меньше эмиттерного.) То, что источники напряжений Uсиг и Uсм, которые вместе создают управляющее напряжение Uэб, находятся в цепи эмиттерного тока, приводит к нескольким очень неприятным последствиям.
Во-первых, эмиттерный ток (в схеме ОБ — это ток входной цепи) является «потолком» для коллекторного тока, а значит, схема ОБ в принципе не может давать усиление по току. Именно к этой схеме (и, кстати, только к этой схеме) относится уже давно сделанный вывод: коэффициент усиления по току α всегда меньше единицы.
Во-вторых, в схеме ОБ источникам, создающим Uэб, достается не слишком, легкая работа — они должны перемещать по входной цепи все заряды, которые создают довольно большой (по величине такой же, как и Iк) эмиттерный ток. И хотя сопротивление эмиттерного pn-перехода, включенного в прямом направлении, невелико, но все же от источника смещения и, что особенно неприятно, от источника сигнала требуется сравнительно большая мощность, чтобы продвинуть по своему участку довольно большое количество зарядов, образующих эмиттерный ток.
И, наконец, третье. Как мы уже видели, входное сопротивление транзистора в схеме ОБ (а мы до сих пор знакомились только с этой схемой и входное сопротивление определяли — рис. 56 — именно для нее) оказывается очень небольшим, всего несколько омов или в лучшем случае несколько десятков омов. Такое малое входное сопротивление как раз и получается потому, что в схеме ОБ по входной цепи идет сравнительно большой ток Iэ. А, как известно из закона Ома (Воспоминание № 3), большой ток как раз и говорит о малом сопротивлении.
