ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 20 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 35Следующая ⇒

Чтобы осуществить такое подключение, есть только один путь. Нужно к одному из выводов транзистора – к базе, эмиттеру или коллектору – подключить сразу два провода: один входной и один выходной. (Подключить к одному и тому же выводу транзистора два входных провода или два выходных бессмысленно – это равносильно короткому замыканию цепи.) Та зона транзистора, к которой подключаются сразу два провода, называется общей – она действительно является общей для входной и выходной цепи.

В принципе любой из трех электродов (эмиттер, коллектор и базу иногда называют электродами транзистора, а иногда его зонами) может быть общим, и поэтому существуют три основные схемы транзисторных усилителей: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором.

Прежде чем разбирать достоинства и недостатки каждой из них, рассмотрим ситуацию «2 + 2 = 3» применительно к обычному трансформатору (рис. 65, листки 1, 2, 3, 4 ).

Рис. 65. Два вывода источника сигнала и два вывода нагрузки нужно подключить к трем выводам транзистора, и отсюда появляются три основные схемы включения транзисторного усилителя: с общей базой (ОБ ), с общим эмиттером (ОЭ ) и с общим коллектором (ОК ).

Предположим, что у нас есть трансформатор, ко входу которого (первичная обмотка) подключен генератор, дающий переменное напряжение, а к выходу (вторичная обмотка) подключена нагрузка R_н . Нормальное подключение генератора и нагрузки к трансформатору («2 + 2 = 4») показано на листке 1 .

Теперь предположим, что один из выводов первичной обмотки соединен в самом трансформаторе с одним из выводов вторичной обмотки, и таким образом у трансформатора оказывается всего три вывода вместо четырех.

Самая простая и естественная схема подключения генератора и нагрузки к такому трансформатору с тремя выводами показана на листке 2 . Мы называем эту схему естественной, потому что она очень напоминает схему 1 – между обмотками, по сути дела, нет непосредственной связи. Во всяком случае, входное и выходное напряжения друг от друга изолированы.

Однако эта схема не единственно возможная – на листках 3 и 4 показаны еще две схемы, позволяющие решить проблему «2 + 2 = 3». Эти схемы уже нельзя назвать ни простейшими, ни естественными. Каждая из них – это своего рода фокус, попытка вместо простого решения задачи выбрать сложное.

Действительно, в этих двух последних схемах «смешались в кучу» токи и напряжения входных и выходных цепей. Так, в схеме 3 , где общим является вывод «э » (мы обозначили три вывода трансформатора буквами «э », «б » и «к » лишь потому, что схемы 2, 3, 4 чем‑то напоминают три основные схемы включения транзистора), во входной цепи циркулирует не только ток, создаваемый самим генератором, но еще и ток, протекающий через нагрузку. Это происходит потому, что в схеме 3 нагрузка оказывается включенной последовательно с генератором и участком эб , в котором находятся генератор и первичная обмотка трансформатора.

(Это особенно хорошо видно на схеме 3' , которая является «двойником» схемы 3 . На схеме 3' лишь несколько по‑иному расположены детали на рисунке, сама же схема осталась без изменений. Благодаря такому «перемещению» элементов схемы их взаимное влияние стало более наглядным.)

При определенном включении обмоток в схеме 3 оба тока – входной и выходной – противофазны (во всех цепях протекает, разумеется, переменный ток, а стрелки показаны лишь для одного из полупериодов; см. стр. 77), и поэтому можно сказать, что схема отличается небольшим входным током, разностью двух встречных токов. Кроме того, напряжение, развиваемое на вторичной обмотке, теперь делится между нагрузкой и участком эб . Это хорошо видно на схеме 3' , которая является «двойником» схемы 3 . В схеме 3 (3' ) нагрузке достается большая часть выходного напряжения лишь в том случае, если ее сопротивление значительно больше, чем у конкурента– участка эб (Воспоминание № 7),

В схеме 4 (4' ), где общим является вывод к, напряжение, развиваемое генератором, делится между первичной обмоткой и участком бк , куда входит вторичная обмотка, поэтому выходное напряжение никак не может быть больше, чем дает генератор.

Мы не будем подробно разбирать, что происходит в двух последних схемах, и ограничимся лишь общим выводом. Ситуация там оказывается достаточно сложной и запутанной. Но подобная путаница, приводящая к искусственному увеличению или уменьшению некоторых токов или напряжений, в ряде случаев оказывается весьма выгодной. И мы в этом сейчас убедимся на примере трех основных схем транзисторных усилителей (рис. 65, листки 5, 6, 7 ).

Первая схема, с которой мы, собственно говоря, начали знакомство с транзисторным усилителем, – это схема с общей базой, сокращенно ОБ (рис. 66).

Рис. 66 . Схема транзисторного усилителя, о которой до сих пор шла речь, – это схема с общей базой (ОБ ).

Главная особенность схемы ОБ в том, что источник усиливаемого сигнала и источник смещения включены в цепь, по которой проходит эмиттерный ток. («А разве бывает иначе?» – удивляетесь вы. Да, бывает – очень скоро будет показано, что в двух других схемах через источник сигнала и источник смещения может проходить ток базы I_б , который во много раз меньше эмиттерного.) То, что источники напряжений U_сиг и U_см , которые вместе создают управляющее напряжение U_эб , находятся в цепи эмиттерного тока, приводит к нескольким очень неприятным последствиям.

Во‑первых, эмиттерный ток (в схеме ОБ – это ток входной цепи) является «потолком» для коллекторного тока, а значит, схема ОБ в принципе не может давать усиление по току. Именно к этой схеме (и, кстати, только к этой схеме) относится уже давно сделанный вывод: коэффициент усиления по току α всегда меньше единицы.

Во‑вторых, в схеме ОБ источникам, создающим U_эб , достается не слишком, легкая работа – они должны перемещать по входной цепи все заряды, которые создают довольно большой (по величине такой же, как и I_к ) эмиттерный ток. И хотя сопротивление эмиттерного pn ‑перехода, включенного в прямом направлении, невелико, но все же от источника смещения и, что особенно неприятно, от источника сигнала требуется сравнительно большая мощность, чтобы продвинуть по своему участку довольно большое количество зарядов, образующих эмиттерный ток.

И, наконец, третье. Как мы уже видели, входное сопротивление транзистора в схеме ОБ (а мы до сих пор знакомились только с этой схемой и входное сопротивление определяли – рис. 56 – именно для нее) оказывается очень небольшим, всего несколько омов или в лучшем случае несколько десятков омов. Такое малое входное сопротивление как раз и получается потому, что в схеме ОБ по входной цепи идет сравнительно большой ток I_э . А, как известно из закона Ома (Воспоминание № 3), большой ток как раз и говорит о малом сопротивлении.

Схема ОБ имеет, разумеется, и немало приятных, положительных особенностей. Но сейчас речь не о них. Сейчас нам нужно, не теряя темпа, пока свежи в памяти все недостатки схемы ОБ, найти способ их устранения. Тем более, что сделать это довольно просто. Нужно перенести источники сигнала и смещения в цепь базы и получить таким образом схему с общим эмиттером, или сокращенно ОЭ (рис. 67).

Рис. 67. Основное отличие схемы ОЭ от схемы ОБ в том, что источник сигнала переведен из цепи сравнительно большого эмиттерного тока в цепь небольшого тока базы.

Главная особенность схемы ОЭ в том, что источник сигнала (для краткости в дальнейшем мы будем говорить только об источнике сигнала, полагая, что вместе с ним включен и источник смещения) включен не в эмиттерную, а в базовую цепь и благодаря этому по входной цепи протекает уже не ток эмиттера, а во много раз меньший ток базы.

Прежде чем отмечать достоинства такого включения, поясним, что ничего принципиально нового для самого транзистора оно не дает. Включение транзистора по схеме ОЭ – просто схемный фокус. И хотя это очень интересный фокус, позволяющий улучшить важные показатели транзисторного усилителя, однако же самого принципа работы транзистора схема ОЭ не меняет.

Действительно, поставщиком зарядов для коллекторного тока в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, служит эмиттер – в коллектор может попасть не больше зарядов, чем их вышло из эмиттера. В схеме ОЭ заряды проходят по коллекторной цепи, так же как и в схеме ОБ под действием коллекторного напряжения, и создают мощную копию усиленного сигнала на сопротивлении нагрузки R_н . Правда, в схеме ОЭ напряжение делится уже не между двумя потребителями, как в схеме ОБ, а между тремя. Кроме самой нагрузки и коллекторного pn ‑перехода, часть напряжения Е_к отбирает еще и эмиттерный pn ‑переход – ведь в схеме ОЭ коллекторная батарея действует не между коллектором и базой, а между коллектором и эмиттером. Однако появление у коллекторной батареи лишнего «едока» не должно нас смущать – сопротивление эмиттерного перехода очень мало и, как это было бы и в другом подобном делителе (Воспоминание № 7), на малом сопротивлении остается малая часть приложенного напряжения. Одним словом, можно смело считать, что коллекторная батарея в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, тратит свои основные силы только на то, чтобы двигать заряды через коллекторный pn ‑переход и сопротивление нагрузки.

Теперь вернемся к главной особенности схемы ОЭ – к включению источника сигнала в цепь базы.

Подобный «фокус» на первый взгляд кажется очень подозрительным и вызывает целый ряд сомнений. Не прекратится ли в связи с таким переселением входного сигнала его влияние на эмиттерный pn ‑переход? А если не прекратится, то будет ли управляющее напряжение в такой же степени, как и в схеме ОБ, управлять эмиттерным, а значит, и коллекторным током? Не окажется ли эмиттерный ток брошенным на произвол? И, наконец, если даже переброска источника сигнала в цепь базы не нарушит работы транзистора, то что даст такая переброска усилителю, как она повлияет на его режим и улучшит ли его основные параметры?

Хочешь не хочешь, а придется отвечать на эти страшные вопросы…

Все, что происходит в любом pn ‑переходе, в том числе и в эмиттерном, прежде всего зависит от приложенного к этому переходу напряжение – именно об этом говорит характеристика диода (рис. 19). В схеме ОЭ, точно так же как и в схеме ОБ, управляющее напряжение U_эб полностью подводится только к эмиттерному переходу, так как и в той и в другой схеме один вывод источника сигнала подключен к эмиттеру, а второй вывод – к базе (через батарею смещения Б_см ). Таким образом, в обеих схемах управляющее напряжение U_эб будет в равной степени влиять на величину эмиттерного, а значит, и коллекторного тока. А то, что, полностью сохранив влияние управляющего напряжения на эмиттерный ток, мы умудрились не пропускать этот ток по самой управляющей цепи, это просто наша заслуга. Именно в этом и заключается весь смысл «фокуса» с переброской источника сигнала в цепь базы.

Главное отличие схемы ОЭ от схемы ОБ может в какой‑то степени пояснить их гидравлические аналогии, приведенные на рис. 40 и 67. В гидравлических системах ОБ и ОЭ (гидравлические системы названы так же, как и схемы транзисторных усилителей, только для того, чтобы их проще было сравнивать) роль источника управляющего напряжения U_эб играют два небольших насоса «Сигнал» и «Смещение». Эти насосы создают давление, под действием которого поршень двигает заслонку «Управляющее напряжение» на пути воды из бака «Эмиттер» в бак «База». Действие этой заслонки уподобляется напряжению U_эб , которое и управляет эмиттерным током, то есть током, идущим из эмиттера в базу.

В гидравлической схеме ОБ насосы «Сигнал» и «Смещение» не только поднимают или опускают заслонку «Управляющее напряжение», но еще и перемещают весь поток жидкости на небольшом участке «Точка 0» – «Эмиттер».

В гидравлической схеме ОЭ насосы «Сигнал» и «Смещение» освобождены от этой работы – они лишь двигают заслонку «Управляющее напряжение», а всю работу по перемещению жидкости на всем ее пути – от «Эмиттера» до «Эмиттера»– выполняет только насос «Коллекторная батарея».

Именно в том, что насосы «Сигнал» и «Смещение» освобождены от работы по перекачиванию всей воды в бак «Эмиттер» и заняты лишь своим главным делом – регулированием потока из «Эмиттера» в «Базу», именно в этом главное отличие гидравлической системы ОЭ от системы ОБ. Во всем же остальном эти системы очень похожи. Во всяком случае, принцип работы обеих гидравлических систем одинаков.

Насос «Сигнал», затрачивая небольшую мощность (в ОБ она немного больше, в ОЭ немного меньше, но в обеих системах эта мощность невелика), управляет мощным потоком воды «Коллекторный ток». Этот поток создается благодаря тому, что насос «Коллекторная батарея» поднимает воду на высокий уровень. Мощный, падающий с большой высоты «коллекторный ток» вращает турбину «Нагрузка».

Если насос «Сигнал» бездействует, турбину вращает поток неизменной силы – поток покоя, который зависит только от «смещения». Но если ввести в систему слабый гидравлический сигнал и с помощью насоса «Сигнал» периодически перемещать вверх‑вниз заслонку «Управляющее напряжение», то интенсивность мощного потока тоже будет меняться. При этом будет меняться и скорость вращения турбины «Нагрузка», создавая своего рода мощную копию всех изменений интенсивности «Сигнала».

Вернемся, однако, к нашим транзисторным усилителям. О том, что принцип усиления слабого сигнала в схеме ОЭ остается таким же, как и в схеме ОБ, говорит сходство их входных и выходных характеристик. Входные характеристики схемы ОЭ (рис. 68) показывают, что ток эмиттера, ток базы и ток коллектора при изменении управляющего напряжения U_эб меняются примерно так же, как и в схеме ОБ. Следует, правда, подчеркнуть, что для ОЭ главной характеристикой нужно и можно считать зависимость от U_эб уже не эмиттерного тока, а тока базы I_б . Эту характеристику нужно считать главной потому, что именно ток базы проходит по входной цепи (по цепи источника сигнала) и определяет все происходящие в ней события.

Рис. 68. Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ относится уже не к току эмиттера, а к току базы, так как именно он протекает во входной цепи; выходная характеристика несколько круче, чем в схеме ОБ .

Эту характеристику можно считать главной потому, что ток базы – это часть тока эмиттера, который в итоге определяет события во всем транзисторе. И самое главное то, что ток базы I_б – это не просто часть тока эмиттера I_э , а строго определенная его часть. Так, например, при α = 0,99 ток базы составляет один процент тока эмиттера. Иными словами, ток эмиттера примерно в сто раз (точнее, в девяносто девять раз) больше тока базы. Если, например, I_б увеличился на 5 мка, то можно смело сказать, что при этом I_э увеличился примерно на 500 мка. А все это означает, что главная входная характеристика схемы ОЭ – зависимость тока базы I_б от управляющего напряжения U_эб – одновременно рассказывает, как при изменении U_эб меняется ток эмиттера I_э , ток коллектора I_к , и в итоге – напряжение на нагрузке U_н.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ и ОЭ также очень похожи, если не считать некоторых, как правило, второстепенных отличий. Одно из таких отличий – более резкий подъем выходных характеристик, который говорит о том, что I_к несколько сильнее зависит от коллекторного напряжения, чем в схеме ОБ. Поэтому‑то с увеличением U_эк (теперь выходные характеристики уже показывают зависимость I_к от напряжения между эмиттером и коллектором) коллекторный ток растет сильнее, чем в схеме ОБ он рос с увеличением U_бк .

И все же общее, результирующее влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток остается очень небольшим, а выходные характеристики схемы ОЭ идут достаточно полого. А поэтому и выходное сопротивление транзисторов в схеме ОЭ хотя и меньше, чем в схеме ОБ, но также остается очень большим, достигая десятков и сотен килоом (рис. 68).

Вот другое отличие выходных характеристик схем ОЭ и ОБ. В схеме ОЭ коллекторный ток прекращается при нулевом напряжении на коллекторе, а чтобы прекратить коллекторный ток в схеме ОБ, нужно было подать на коллектор очень небольшой «плюс». Из‑за того, что выходные характеристики в схеме ОЭ начинают загибаться при более высоком напряжении на коллекторе, запрещенная зона «Искажения» для этой схемы оказывается несколько больше.

И, наконец, третье отличие. При нулевом управляющем напряжении U_эб коллекторный ток в схеме ОБ – он называется сквозным или начальным током коллектора и обозначается I_к‑н – значительно больше, чем неуправляемый ток I_к0 в схеме ОБ. Это опять‑таки связано с тем, что некоторая часть коллекторного напряжения приложена к эмиттерному переходу и отпирает его, даже если внешнее управляющее напряжение равно нулю.

Все перечисленные отличия в принципе не меняют «взаимоотношений» между коллекторным током I_к , напряжением на нагрузке U_н и на коллекторе U_эк , эмиттерным током I_э , напряжением сигнала U_сиг , смещением U_см и сопротивлением нагрузки R_н . А поэтому выводы, сделанные нами на основании анализа входных и выходных характеристик схемы ОБ (рис. 64), в основном остаются в силе и для схемы ОЭ.

Итак, наш «фокус» удался – перевод источника сигнала в цепь базы в принципе не изменяет работы транзистора. Теперь остается доказать, что игра стоит свеч, что включение транзистора по схеме ОЭ каким‑то образом улучшает параметры усилительного каскада.

По сравнению со схемой ОБ у схемы ОЭ есть три основных достоинства. Все они связаны с тем, что по входной цепи схемы ОЭ (то есть через источник усиливаемого сигнала) протекает ток базы, который во много раз меньше эмиттерного тока во входной цепи схемы ОБ (рис. 69).

Рис. 69 . Коэффициент усиления тока в схеме ОЭ–β , по сути дела, показывает, во сколько раз мы разгрузили входную цепь при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ .

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 180; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!