Транзистор?.. Это очень просто!

Л. — Твое смущение вызвано тем, что ты не делаешь различия между статическими и динамическими характеристиками. Первые показывают, как изменяются интересующие нас напряжения и токи при отсутствии в цепи коллектора сопротивления нагрузки. Такие характеристики мы рассматривали во время предшествующей беседы. Сегодня же мы выясним, что происходит, когда в цепь коллектора включено нагрузочное сопротивление и, кроме того, ко входу, т. е. между базой и эмиттером, приложено переменное напряжение u_б (рис. 52). Теперь следует говорить о динамических характеристиках, и проведенная нами нагрузочная прямая позволяет их определить.

Рис. 52. Схема применения транзистора в качестве усилителя. Переменное напряжение u_б приложено между базой и эмиттером. На выходе на нагрузочном резисторе R_н получают переменное напряжение u_к.

Две составляющие

Н. — По твоей схеме входное переменное напряжение u_б порождает выходное переменное напряжение u_к, и я начинаю догадываться почему. Здесь в цепи коллектора происходит то же самое, что и в анодной цепи электронной лампы: мирное сосуществование двух токов. Во-первых, мы имеем постоянную составляющую — средний ток, определяемый рабочей точкой (у лампы — смещением сетки). И, во-вторых, имеется переменная составляющая, определяемая изменением потенциала сетки по отношению к катоду. Полупериоды переменной составляющей входного напряжения то складываются с постоянной составляющей (когда обе составляющие имеют один знак), то вычитаются из нее.

Л. — Действительно, у транзистора происходит аналогичное явление. Батареи Е_к-э и Е_б-э определяют рабочую точку. Целесообразно установить ее так, чтобы и положительные, и отрицательные полупериоды входного переменного напряжения могли создать максимальные отклонения напряжения коллектора от его среднего значения.

Н. — В этом случае мы должны условиться, что среднее напряжение U_к на коллекторе должно быть равно половине напряжения питания Е_к-э. В нашем случае это половина от 9 В, т. е. 4,5 В.

Л. — Я ставлю точку на нашей нагрузочной прямой в месте, соответствующем U_к = 5 В, это почти середина нашей прямой. Ты сейчас увидишь, что можно выбрать величину, несколько большую половины Е_к-э. Теперь, если изменение напряжения база — эмиттер (или, что то же самое, изменение тока базы) определяет изменение тока I_к и напряжения U_к коллектора, то эти две последние величины всегда оказываются связанными отношением, которое выражает наша прямая.

Н. — Это чересчур философски, и я предпочел бы конкретный пример.

Качели

Л. — Хорошо, допустим, что ты прикладываешь между базой и эмиттером переменное напряжение с амплитудой примерно в 20 мВ, которое создаст изменения тока базы с амплитудой в 0,1 мА по одну и по другую сторону от среднего тока, величина которого в точке Р составляет 0,2 мА.

Н. — В результате ток базы изменяется, принимая следующие крайние значения:

0,2 + 0,1 = 0,3 мА и 0,2–0,1 = 0,1 мА.

Л. — Совершенно верно, при первом значении мы достигнем на нашей прямой точки В (где нагрузочная прямая пересекает кривую I_б = 0,3 мА), а при втором значении мы дойдем до точки Г (место пересечения с кривой I_б = 0,1 мА).

Н. — Значит, мгновенные значения u_к и i_к колеблются между точками В и Г вдоль нагрузочной прямой, как если бы они качались вокруг точки равновесия Р.

Л. — Правильно, ты видишь, что напряжение коллектора колеблется в обе стороны от точки Р между 3,2 и 6,8 В.

Н. — Следовательно, амплитуда составляет 1,8 В, так как средняя точка Р соответствует напряжению 5 В. И если это происходит при амплитуде напряжения на базе 20 мВ = 0,02 В, то можно ли сделать вывод, что усиление по напряжению составляет 1,8:0,02 = 90 раз?

Л. — Пожалуйста. А каково усиление по току?

Н. — Его рассчитать нетрудно. Между точками В и Р, с одной стороны, и Г и Р — с другой, изменения тока коллектора достигают 7 мА. Происходят же они вследствие изменения тока базы на 0,1 мА. Следовательно, усиление по току составляет 7:0,1 =70 раз.

Л. — Я начинаю думать, что ты, совершая набеги на рыбный магазин, изрядно зарядил свой мозг фосфором… Теперь ты понимаешь, что мощность, которая выражается произведением напряжения на ток, подвергалась усилению в…

Н. — …90 х 70 = 6300 раз. Просто колоссально!

Берегись искажений

Л. — Совершенно нормально, но я хотел, чтобы ты понял, что амплитуда переменного напряжения на коллекторе не должна превышать 4,5 В. При такой амплитуде значения u_к и i_к будут перемещаться вдоль всей нагрузочной прямой от точки А до точки Б. Действительно, допустив, что рабочая точка находится строго посередине линии АБ, мы увидим, что один полупериод достигает одного конца этой линии, а другой — противоположной точки.

Н. — Одним словом, это предельные мгновенные значения напряжения коллектора u_к?