Шаг за шагом. Транзисторы - Сворень Рудольф Анатольевич - Страница 43

Количество собственных дырок базы определяется лишь свойствами кристалла и температурой. А поэтому ток I_ко, создаваемый собственными неосновными носителями базы (ее собственными тепловыми дырками), всегда протекает в коллекторной цепи и не подчиняется воздействию управляющего напряжения. Несколько забегая вперед, заметим, что ток I_ко может сильно влиять на режим транзистора. А поскольку этот ток, так же как и обратный ток диода, сильно зависит от температуры (рис. 21), то приходится принимать решительные меры для того, чтобы обеспечить температурную стабильность транзисторного усилителя.

Семейство выходных характеристик — это своего рода сценарий, по которому можно было бы снять увлекательный фильм. Ведь за каждой характеристикой, за каждым ее изгибом и поворотом стоят интересные события, которые происходят в самом транзисторе. А поскольку характеристик много, то события эти сложным образом переплетаются, как в самом настоящем детективе.

Представьте себе, как из эмиттера в базу впрыскиваются свободные заряды (в триоде р-n-р, с которым мы все время имеем дело, из эмиттера в базу впрыскиваются дырки) и как эти заряды в результате диффузии проходят сквозь базу и попадают к коллекторному переходу. Здесь напряжение U_бк «хватает» свободные заряды и с силой бросает их в коллекторную цепь, создав таким образом ток I_к. (Вы, очевидно, уже забыли о примечании на стр. 26? Сейчас как раз наступил момент еще раз обратиться к нему.)

При увеличении коллекторного напряжения U_бк ток I_к немного увеличивается. Мы, к сожалению, не имеем возможности рассказывать обо всех причинах увеличения тока I_к под действием U_бк. Упомянем лишь об одной из этих причин. С увеличением U_бк расширяется лишенная свободных зарядов область коллекторного перехода, и такое расширение происходит частично за счет территории базы. База становится чуть тоньше, силам диффузии тогда чуть легче проталкивать сквозь нее поступившие из эмиттера свободные заряды, и в итоге немножко возрастает коллекторный ток.

Слово «немножко» мы применили не напрасно — напряжение U_бк очень слабо влияет на величину тока I_к. Как бы ни старалось коллекторное напряжение, оно не может двинуть по коллекторной цепи больше зарядов, чем их поступило из базы. Поэтому резко увеличить коллекторный ток можно только одним способом: нужно увеличить отрицательное напряжение на базе I_эб (мы лишь для краткости говорим «напряжение на базе», фактически речь идет о напряжении между базой и эмиттером) и таким образом впрыскивать из эмиттера в базу большее количество свободных зарядов. При этом мы как бы поднимаемся на ступеньку выше, перескакиваем на более «высокую» выходную характеристику, снятую при более высоком входном напряжении U_эб.

В реальном случае, когда на входе транзистора появляется усиливаемый сигнал и напряжение на базе непрерывно меняется, подобное перескакивание с одной выходной характеристики на другую происходит непрерывно. Но одновременно с этим меняется и напряжение на коллекторе: мы уже говорили (рис. 38), что чем больше коллекторный ток I_к, тем больше напряжение на нагрузке U_н = I_к·R_н, тем меньше напряжение на самом коллекторе U_бк = E_к — U_н.

Как же уследить за всеми этими перепутанными событиями, как определить истинный коллекторный ток и с учетом меняющегося U_эб, и с учетом меняющегося U_бк? Это помогает сделать нагрузочная прямая, или, как ее еще называют, линия нагрузки (рис. 61).

Рис. 61. Нагрузочная прямая показывает, как меняется коллекторный ток под действием входного сигнала и с учетом того, что напряжение на нагрузке (а значив и на коллекторе) тоже меняется при изменении тока.

Давайте посмотрим, как строится такая линия в следующем конкретном случае: R_н = 1 ком и E_к= 12 в. Чтобы построить линию нагрузки, введем в наш сценарий две фантастические ситуации: рассмотрим, что происходит в коллекторной цепи, когда коллекторный ток равен нулю (первая фантастическая ситуация) и когда коллекторный ток настолько велик, что все напряжение батареи теряется на нагрузке и на самом коллекторе вообще нет никакого напряжения (вторая фантастическая ситуация). Подобных ситуаций в реальном случае не бывает, и поэтому мы будем о них говорить, применяя так называемую сослагательную форму «если бы да кабы».

Если бы коллекторный ток был равен нулю, то на нагрузке вообще не было бы никакого напряжения (U_н = 0) и все напряжение источника E_к было бы приложено к коллектору. На основании этого первого «если бы» поставим на нашей характеристике точку А; она как раз соответствует U_бк = E_к, так как напряжение батареи E_к мы приняли равным 12 в.

Если бы напряжение U_бк было равно нулю (это возможно, если довести сопротивление коллекторного перехода до нуля), то все напряжение Е_к было бы приложено к сопротивлению нагрузки и ток через нагрузку (коллекторный ток I_к) был бы по закону Ома равен I_к = Е_к·R_н. На основании этого второго «если бы» сделаем еще одну отметку на нашей характеристике — поставим на ней точку Б. Она как раз и соответствует напряжению U_бк = 0 и току I_к = 12 ма, который под действием напряжения Е_к = 12 в пойдет по выбранному нами сопротивлению нагрузки R_н = 1 ком.

Теперь нетрудно провести и линию нагрузки. Она пройдет от точки максимального коллекторного тока и нулевого напряжения на коллекторе (точка Б) до точки нулевого коллекторного тока и максимального напряжения на коллекторе (точка А). И хотя обе эти крайние точки мы не без оснований назвали фантастическими (ни I_к, ни U_бк практически никогда не равны нулю), сама линия АБ абсолютно реальна. Она как раз и рассказывает сразу о всех запутанных событиях, происходящих в работающем транзисторе: об изменении его токов и напряжений в живом, рабочем, динамическом режиме.

Каждая точка на линии АБ говорит о том, как при выбранной нагрузке R_н и выбранном напряжении питания Е_к связаны между собой входное напряжение U_эб, напряжение на коллекторе U_бк и коллекторный ток I_к. Так, например, точка М говорит о том, что при U_эб = 250 мв режим коллекторной цепи будет U_бк = 2 в и I_к = 10 ма; при U_эб = 150 мв режим уже совсем иной: U_бк = 10 в, I_к = 2 ма (точка N). Разумеется, эти данные относятся лишь к R_н = 1 ком и Е_к = 12 в. Если увеличить сопротивление нагрузки R_н, то нагрузочная линия пойдет более полого (АВ), а если уменьшить R_н — более круто (АГ). Это происходит потому, что с увеличением сопротивления нагрузки на нем теряется все большая часть питающего напряжения Е_к и уменьшается напряжение на коллекторе U_бк. Так при одном и том же входном напряжении U_эб = 150 мв получаем U_бк = 10 в при R_н = 1 ком (точка N); и U_бк = 8 в при R_н = 2 ком (точка А').