Шаг за шагом. Транзисторы

Сворень Рудольф Анатольевич

Коэффициент усиления по мощности к_P равен произведению коэффициентов усиления по току α и по напряжению к_u.

И это вполне понятно: мощность в равной степени зависит от тока и напряжения, и, увеличив, например, в два раза ток и в два раза напряжение, мы увеличиваем мощность в четыре раза. Поскольку коэффициент усиления по току α очень близок к единице, можно считать, что усиление по мощности примерно такое же, как и усиление по напряжению (к_u ~= к_P).

Казалось бы, что можно как угодно увеличить усиление по напряжению к_u,

а вместе с ним и усиление по мощности к_P увеличивая сопротивление нагрузки R_н. Однако в действительности здесь, конечно, существуют ограничения. (Иначе зачем было бы строить многокаскадные усилители — включай побольше сопротивление нагрузки и получай от одного каскада все необходимое усиление!) Об одном из таких ограничений мы уже говорили: чем больше R_н, тем большая часть питающего напряжения на нем теряется (рис. 38). Другое ограничение можно будет понять, познакомившись с выходной характеристикой транзистора.

Выходная характеристика транзистора (рис. 57) показывает, как меняется коллекторный ток I_к при изменении напряжения U_бк между базой и коллектором. Обычно на одном графике размещают целое семейство выходных характеристик — несколько кривых, каждая из которых снята при «своем» неизменном входном напряжении U_эб.

Вот как снимают такое семейство характеристик. Установив, например, U_эб = 150 мв, поддерживают его неизменным и постепенно, от нуля увеличивая U_бк отмечают на графике, как меняется ток I_к. Затем устанавливают другое входное напряжение U_эб, например 175 мв, и вновь, начав от нуля, меняют U_бк и регистрируют I_к. Точно так же снимают характеристики и при других значениях U_эб.

Рис. 57. Семейство выходных характеристик транзистора показывает, как меняется коллекторный ток при изменении коллекторного напряжения и при различных напряжениях на базе.

Что же можно увидеть, всматриваясь в семейство выходных характеристик транзистора? Прежде всего эти характеристики позволяют судить о том, что происходит в коллекторной цепи при работе усилительного каскада, то есть когда одновременно меняется и входное напряжение, и напряжение на коллекторе. (Напряжение на коллекторе меняется потому, что под действием сигнала в итоге меняется напряжение на нагрузке: чем больше напряжение на нагрузке, тем меньше оно на самом коллекторе.)

Кроме того, выходные характеристики позволяют определить, как влияют на режим транзистора напряжение источника питания, напряжение, действующее во входной цепи U_эб, и само сопротивление нагрузки R_н. Наконец, семейство выходных характеристик позволяет разумно выбрать режим транзисторного усилителя, а также определить один из основных его параметров — выходное сопротивление R_вых. С определения этого параметра мы, пожалуй, и начнем (рис. 58).

Рис. 58. Соотношение между выходным напряжением и выходным током можно характеризовать величиной выходного сопротивления; нужно различать выходное сопротивление для постоянного и переменного (меняющегося) тока.

Когда решается вопрос

о выборе нагрузки для транзисторного усилителя, то прежде всего нужно знать, куда эта нагрузка попадет — каково сопротивление цепи, в которую нагрузка будет включена. Именно сопротивление усилителя «со стороны нагрузки», сопротивление, с которым встретится нагрузка, попав в усилительный каскад, и называется выходным сопротивлением R_вых усилителя. В нашей схеме (мы не случайно все время подчеркиваем «в нашей схеме» — в других схемах все может быть по-другому, и вы в этом скоро убедитесь) нагрузка включается в коллекторную цепь. И выходное сопротивление R_вых — это внутреннее сопротивление самого транзистора от вывода коллектора до вывода базы. Сопротивлением источника питания, который также входит в коллекторную цепь, можно пренебречь — оно очень мало, а при последовательном соединении главную роль играет большое сопротивление, в данном случае — сопротивление коллекторного рn– перехода (Воспоминание № 5).

В общих чертах можно сразу сказать, что выходное сопротивление R_вых в нашей схеме будет весьма большим, так как коллекторный переход — это, по сути дела, диод, включенный в обратном направлении. Подсчитать величину R_вых можно, пользуясь одной из выходных характеристик транзистора. На рис. 58 для этого используется выходная характеристика (зависимость I_к от U_бк, снятая при U_эб = 200 мв.

Давайте для начала, не обращая внимания на то, что происходит в самом транзисторе, поступим с ним так же, как поступали в свое время при определении входного сопротивления (рис. 56). Давайте заменим весь полупроводниковый триод одним резистором R_вых и будем считать, что именно к нему подключается нагрузка.

Выходное сопротивление для постоянного тока R_вых= определяется просто: постоянное напряжение на коллекторе U_бк нужно разделить на постоянный коллекторный ток I_к. Выходное сопротивление R_вых= очень сильно зависит от режима входной цепи, от управляющего напряжения U_эб. Когда транзистор заперт, когда нет тока в его коллекторной цепи, то R_вых=, естественно, бесконечно велико.

«Плюс» на базе ничего не меняет, так как триод продолжает оставаться закрытым. Зато с появлением на базе «минуса» появляется коллекторный ток I_к и сопротивление R_вых= резко уменьшается. Чем больше «минус» на базе, тем больше I_к, тем, следовательно, меньше R_вых=. Выходное сопротивление для постоянного тока может быть очень небольшим, вплоть до нескольких омов и даже долей ома. Совсем другие величины характеризуют выходное сопротивление для переменного тока.

Динамическое сопротивление R_вых будем определять так же, как определяли и динамическое входное сопротивление: изменим коллекторное напряжение на величину ΔU_бк, посмотрим, на какую величину ΔI_к при этом изменится коллекторный ток, а затем найдем R_вых по формуле закона Ома: R_вых = ΔU_бк:ΔI_к. У транзистора, характеристика которого приведена на рис. 57 и 58, выходное сопротивление оказалось равным 100 ком. В действительности же для нашей схемы величина R_вых может оказаться значительно больше, иногда достигая даже нескольких мегом.