Шаг за шагом. Транзисторы - Сворень Рудольф Анатольевич - Страница 40

Рис. 56. Соотношение между управляющим напряжением и входным током можно характеризовать величиной входного сопротивления. Нужно различать входное сопротивление для постоянного и переменного(меняющегося) тока.

Если известны ток и напряжение в цепи резистора, то его сопротивление нетрудно подсчитать по одной из формул все того же закона Ома, а именно R = U: I. Казалось бы, что для подсчета величины R_вх нужно подставить в эту расчетную формулу любое из возможных значений напряжения U_эб и соответствующий этому напряжению ток I_э. Однако подобным образом можно найти лишь входное сопротивление для постоянного тока R_вх=. Да и то для разных напряжений U_эб это сопротивление будет различным.

Пользуясь характеристикой (рис. 54), примерно определим, что при U_эб = 50 мв эмиттерный ток равен I_э = 0,2 ма, а значит, R_вх= = 50 мв: 0,2 ма = 250 ом. Тем же способом найдем, что при U_эб = 150 мв входное сопротивление R_вх= = 75 ом, а для U_эб = 250 мв найдем R_вх = 25 ом. Разными входные сопротивления получаются все из-за того же загиба на характеристике, так как в районе загиба ток растет намного медленней, чем на прямолинейном участке.

Научившись определять входное сопротивление для постоянного тока, мы отнюдь не решили поставленной задачи: ведь нам нужно определить сопротивление, с которым встретится источник сигнала, а он, конечно, дает переменный ток. Каким же образом можно найти входное сопротивление R_вх для переменного тока? Для этого нужно посмотреть, как меняется ток I_э при изменении напряжения U_эб. Давайте вытащим на свет уже знакомые нам «дельты» (стр. 87) и будем учитывать не статические, не мертвые токи и напряжения, а их изменения.

Поскольку чаще всего используется прямолинейный участок входной характеристики, то определим величину R_вх именно для этого участка. Зададимся каким-либо определенным изменением входного напряжения ΔU_эб, найдем соответствующее ему изменение тока ΔI_э, а затем, пустив в ход все тот же закон Ома, получим R_вх  = ΔU_эб: ΔI_э. Это R_вх как раз и есть то самое входное сопротивление, которое оказывает входная цепь транзистора изменяющемуся току, и называется оно динамическим входным сопротивлением.

На рис. 56 показан пример определения величины R_вх. Определив ток I_э при напряжениях U_эб, равных 200 мв и 250 мв, подсчитав ΔU_эб = 250 мв — 200 мв = 50 мв и соответствующее ему ΔI_э = 10 ма — 6 ма = 4 ма, находим, что входное сопротивление транзистора в нашей схеме равно 12,5 ом. Это очень небольшая величина, но ничего иного мы, собственно говоря, и не ожидали от открытого диода. Несколько забегая вперед, заметим, что малое входное сопротивление доставит нам немало хлопот и явится одной из причин, ограничивающих применение схемы, которую мы сейчас исследуем.

Следующее, что нам нужно было бы сделать, это определить коэффициенты усиления по току к_I, по напряжению к_u и по мощности к_P.

Коэффициент усиления во всех случаях показывает, во сколько раз та или иная величина — ток, напряжение или мощность — на выходе усилителя больше, чем на входе.

С коэффициентом усиления по току мы уже встречались. В свое время (рис. 35) мы обозначали его греческой буквой α. Разница между коэффициентами α и к_I лишь в том, что первый относится к самому транзистору, а второй — к транзистору, включенному в определенный усилительный каскад с определенной нагрузкой. В нашей схеме нагрузка очень слабо влияет на изменение токов I_э и I_к, а поэтому можно считать, что α и к_I — это одно и то же. Попутно еще раз заметим, что коэффициент а назван коэффициентом усиления незаконно, так как в нашей схеме усиления по току не происходит — коллекторный ток I_к всегда несколько меньше эмиттерного I_э, и поэтому α < 1.

Для того чтобы определить а, можно воспользоваться одновременно двумя приведенными на нашем графике характеристиками (рис. 54—А и Б), одна из которых показывает зависимость I_э от U_эб, а другая — зависимость I_к от U_эб. У нашего подопытного транзистора при увеличении U_эб на 50 мв эмиттерный ток возрастает на 4 ма, коллекторный — лишь на 3,6 ма, так как одновременно на 400 мка (то есть на 0,4 ма) увеличивается ток базы. Отсюда легко найти, что α = 0,9. Это довольно низкая величина: как правило, у транзисторов α лежит в пределах 0,96—0,99.

Коэффициент усиления по напряжению к_u зависит от того, какое сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь. Поэтому сам коэффициент к_u, в отличие от α, не является параметром транзистора и характеризует усилительный каскад в целом. В нашем примере в коллекторную цепь включен резистор R_н = 1 ком, и при изменении коллекторного тока от 6 до 10 ма, то есть всего на 4 на, напряжение на этом резисторе меняется от 6 до 10 в, то есть всего на 4 в (ΔU_н = ΔI_к·R_н). Иными словами, при изменении входного напряжения U_эб на 50 мв (и именно при таком изменении ток I_к меняется примерно на 4 ма) выходное напряжение U_н меняется на 4 в. А это значит, что напряжение усиливается в восемьдесят раз. Такая величина вполне реальна для нашей схемы, хотя эта схема позволяет получить значительно более высокое усиление по напряжению, вплоть до нескольких сотен раз.

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.