Транзисторы

Теперь мы наконец можем сравнить мощность входного и выходного сигналов и вынести окончательный приговор транзистору, можем определить, «усиливает» или «не усиливает».

Мощность входного сигнала выделяется на сопротивлении R_вх, мощность выходного сигнала — на сопротивлении R_н. На этих же сопротивлениях действуют соответственно входное и выходное напряжение U_сиг и U_вых. Токи I_э~ и I_к~, протекающие по сопротивлениям R_вх и R_н, примерно равны, а значит, соотношение между напряжениями U_сиг и U_вых определяется только соотношением сопротивлений R_вх и R_н. В нашем примере сопротивление нагрузки R_н в тысячу раз больше, чем сопротивление R_вх, и поэтому напряжение U_вых также в тысячу раз больше, чем U_сиг. Иными словами, наш каскад дает усиление по напряжению в тысячу раз. А поскольку мощность сигнала — это произведение напряжения на ток (P = U·I) и поскольку токи I_э~ и I_к~, как мы уже говорили, равны, то усиление по мощности также равно тысяче. Это реальные цифры: примерно такое усиление можно получить в нашей схеме от среднего по своим параметрам транзистора.

Вот и конец долгого путешествия. Мы не ошиблись, воскликнув в свое время: «Земля!» Построенный нами из двух диодов трехслойный полупроводниковый прибор — транзистор — действительно может создавать мощную копию слабого электрического сигнала, используя для этой цели энергию источника постоянного тока.

Достигнув заветной цели, ни один путешественник не откажет себе в удовольствии вспомнить самые интересные, самые важные этапы пройденного пути. Давайте же и мы подведем итог своего трудного и долгого путешествия от диода до ода. А заодно уже коротко, буквально в двух словах, подытожим все, что успели узнать о транзисторе.

Слабый электрический сигнал, который нужно усилить, мы вводим в эмиттерную цепь транзистора. Она представляет собой pn-переход, который с помощью вспомогательного постоянного напряжения (смещения) всегда включен в прямом направлении. Сопротивление такого перехода невелико, и поэтому входной сигнал довольно легко изменяет эмиттерный ток. Заряды, образующие этот ток, в результате диффузии просачиваются сквозь базу и попадают во второй, в коллекторный pn-переход. Этот переход включен в обратном направлении, и сопротивление его очень велико. Попав из базы в коллекторный переход, свободные заряды уменьшают его сопротивление. Под действием усиливаемого сигнала число этих зарядов меняется, а значит, сопротивление коллекторного перехода тоже меняется, следуя по пятам за всеми изменениями сигнала.

Теперь батарея, в цепь которой включен коллекторный переход, уже отдает энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока — копии слабого сигнала. Если на пути этого меняющегося тока (то есть в коллекторную цепь транзистора) включить нагрузку R_н и если сделать ее сопротивление достаточно большим, то на этой нагрузке можно получить большое по величине меняющееся напряжение. Во всяком случае, во много раз большее, чем напряжение сигнала, подведенного к эмиттеру. Так создается усиление по напряжению, а значит, и усиление по мощности. Эффект усиления получается за счет того, что входной ток, действующий в цепи с малым сопротивлением, создает такой же по величине изменяющийся ток в цепи с большим сопротивлением. Именно исходя из этого и назвали транзистор преобразователем (переносчиком) сопротивлений.

Глубокий смысл этого названия станет особенно хорошо понятным, если попытаться включить нагрузку не в коллекторную, а в эмиттерную цепь, а коллектор вместе с батареей для упрощения просто выбросить из схемы. В таком поступке есть даже какая-то логика: если коллекторный ток, проходя по сопротивлению нагрузки, создает на нем большое выходное напряжение, то, очевидно, и эмиттерный ток, который, как мы уже много раз подчеркивали, по величине равен коллекторному, создаст на нагрузке такое же большое напряжение, и мы извлечем необходимую мощность прямо из источника слабого сигнала, без всякого транзистора.

Но, конечно же, эти рассуждения ошибочны. Прежде всего они не учитывают неумолимый закон Ома. Включив в эмиттерную цепь свою нагрузку R_н = 10 ком, мы примерно в тысячу раз уменьшим ток в этой цепи, так как сопротивление нагрузки в тысячу раз больше прямого сопротивления эмиттерного pn-перехода. Безболезненно (или почти безболезненно) большое сопротивление нагрузки можно включать лишь в коллекторную цепь: ее собственное сопротивление достаточно велико и на этом фоне включение нагрузки не очень-то заметно.

Как видите, наша попытка усилить сигнал без управляющего прибора, в данном случае без транзистора, кончилась крахом. Да иначе и быть не могло. Никакой сигнал не может отдать больше мощности, чем у него есть, и единственная возможность усилить слабый сигнал — это слепить его мощную копию из энергии, которую дает другой источник.