Усиление по мощности складывается из усиления по току и усиления по напряжению. Что должен сделать усилитель, усиливая слабый сигнал? Увеличить ток? Увеличить напряжение? Усилитель должен увеличить мощность сигнала. Если можно было бы обойтись только напряжением или только током, то не нужен был бы никакой усилитель, все прекрасно сделал бы обычный трансформатор. Усилитель применяют, когда от сигнала требуется большая мощность, когда у него просто не хватает сил, как, скажем, в примере с микрофоном и громкоговорителем (Т-122).
Мощность — произведение тока на напряжение, Р = U∙I (Т-41). А значит, можно разными способами увеличивать мощность, менять один из сомножителей — ток I, или напряжение U, или оба вместе.
На рисунке Р-84 показано несколько примеров того, что может произойти с мощностью электрического сигнала в некотором условном его преобразователе — он изображен в виде квадрата. Цифры в примерах подобраны так, чтобы без громоздких вычислений можно было уловить суть дела. Первый пример относится к трансформатору и подтверждает, что он не увеличивает мощность сигнала. Мощность могут повысить разные схемы транзисторных усилителей, но делают они это по-разному. Схема ОБ, увеличивая напряжение сигнала (об этом принято говорить так — схема дает усиление по напряжению), схема ОК — за счет увеличения тока (усиление по току), а схема ОЭ, увеличивая и ток и напряжение, причем, как правило, в различное число раз. Нужно, по-видимому, пояснить, что загадочные буквы ОБ, ОК и ОЭ означают «общая база», «общий коллектор» и «общий эмиттер», они отражают некоторые особенности включения самого транзистора в схему усилителя. Об этих особенностях речь впереди (Т-190), а пока знакомство с транзисторным усилителем продолжим на примере самой распространенной его схемы ОЭ, которая, кстати, рассматривалась и во всех предыдущих примерах (Р-83, Р-84;6).
Т-144. Усилительные возможности транзистора отражает его коэффициент усиления по току (В). То, что транзистор дает усиление по току, связано с процессами, которые происходят в базе. Все попавшие сюда из эмиттера заряды можно разделить на две части — те, что проходят в коллекторный переход и в итоге включаются в коллекторный ток, и те заряды, которые в коллекторный переход не попадают, а циркулируют во входной цепи, поддавшись притягивающему действию напряжения на базе.
Не забывайте — эмиттерный переход открыт, когда на базе «минус», и она старается забрать себе все свободные положительные заряды, все дырки, которые приходят из эмиттера. Это нормальное, законное действие базы: если бы оторвать от транзистора коллектор, то в базовой цепи циркулировали бы вообще все заряды, вышедшие из эмиттера. Однако же коллектор существует, и за счет диффузии в тонкой базе часть зарядов отклоняется от своего нормального, законного пути во входную цепь, попадает в коллекторный переход.
Введем несколько обозначений. Все заряды, которые вышли из эмиттера, создают эмиттерный ток Iэ (Р-85; 1), те, что попали в коллекторный переход, создают коллекторный ток Iк, а те, что сумела захватить база, воспользовавшись своими законными правами, своим «минусом», замыкаются по входной цепи и создают базовый ток Iб.
Р-85
Если распутать всю цепочку событий во входной цепи усилителя, то она будет выглядеть так: усиливаемый сигнал — напряжение Uб — действует между базой и эмиттером; слабый сигнал Uб создает прямой ток Iэ в эмиттерном переходе; часть этого тока — Iк— уходит в коллекторную цепь, она будет использована для создания мощной копии сигнала; когда меняется напряжение Uб, то меняется Iэ, а вместе с ним Iк, это и означает, что слабый сигнал Uб управляет мощным потоком энергии Iк; часть общего тока I/э замыкается во входной цепи — это базовый ток Iб, он, по сути дела, и определяет ту энергию, которую должен отдавать транзистору источник слабого усиливаемого сигнала.
Отсюда — предельно простой и исключительно важный вывод: чем большая часть I/э приходится на долю Iк, то есть чем больше Iк по сравнению с Iб, тем большее усиление по току дает транзистор. Или, иными словами, несколько более глубоко отражающими суть дела: чем больший коллекторный ток Iк создается сигналом, который расходует при этом во входной цепи ток Iб, тем выше усиление по току. И наконец, третье описание сложившихся взаимоотношений между токами транзистора: отношение Iк к Iб называется «коэффициент усиления по току» В, и чем выше этот коэффициент В, тем лучше транзистор усиливает ток (Р-84;7,8).
Если бы заряды, вышедшие из эмиттера, поровну делились бы между Iк и Iб, то коэффициент В был бы равен единице и никакого усиления по току не было бы. Если бы Iб оказался больше, чем Iк, то В был бы меньше единицы и транзистор, вместо усиления, ослаблял бы ток. Чтобы ток усиливался, нужно, чтобы В было больше единицы, и чем оно больше, тем выше усиление тока. Правда, транзисторы со слишком высоким В тоже нехороши: применение их связано с рядом трудностей (Т-162). Коэффициент усиления по току для реальных транзисторов лежит в пределах от 10–15 до 250–300. Узнать коэффициент В можно по названию прибора, пользуясь справочной таблицей (С-15), а можно измерить его с помощью простейших приборов (К-16).
Т-145. О взаимосвязи токов и напряжений в транзисторном усилителе рассказывают его вольт-амперные характеристики. Зависимость общего тока Iэ в эмиттерном рn-переходе от приложенного к нему напряжения Uб, а вместе с ней зависимость базового тока Iб и коллекторного Iк от этого напряжения (Р-85;2) в точности повторяют знакомую нам уже вольт-амперную характеристику диода (Р-80). Строго говоря, только ток Iэ можно считать истинным током через диод, а токи Iб и Iк — это лишь его ответвления, его части. Но части, которые в точности следуют за всеми изменениями целого. Поэтому вольт-амперные характеристики для токов Iб и Iк почти в точности повторяют вольт-амперную характеристику для тока Iэ, и если их построить в определенных масштабах (одинаковым отрезкам на вертикальной оси соответствуют разные значения токов), то все три характеристики будут почти неотличимы (Р-85;2).
На основе последних двух характеристик можно построить еще одну — она покажет, как зависит коллекторный ток от базового (Р-85;5), то есть ток Iк, в котором отражен выходной сигнал, от тока Iб, в котором отражен входной сигнал. Эта характеристика пойдет тем круче, чем больше коэффициент усиления по току В — одному и тому же изменению базового (входного) тока при разных В будут соответствовать разные изменения коллекторного (выходного) тока.
Нетрудно построить вольт-амперную характеристику и для коллекторного рn-перехода. Нужно только помнить, что на коллектор подается «минус», что коллекторный переход работает в режиме диода, включенного в обратном направлении, запертого. Вольт-амперная характеристика коллекторной цепи (Р-85;4) — это есть обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода (Р-80), для удобства лишь перевернутая «вверх ногами». На этой характеристике целое семейство кривых — они относятся к нескольким значениям тока в эмиттерном рn-переходе.
Вспомните — чем больше открыт транзистор, то есть чем больше напряжение, подведенное к участку эмиттер-база, и, следовательно, чем больший ток Iб идет в этой цепи, тем больше и коллекторный ток Iк. На характеристиках коллекторной цепи это влияние Iб на Iк отражено именно в том, что характеристик этих много, каждая более высокая кривая соответствует большему входному току транзистора. Семейство коллекторных характеристик не только говорит о том, как ведет себя выходная цепь транзистора сама по себе (как Iк зависит от Uк), но и как влияет на ее поведение входная цепь.
Что же касается собственного поведения коллекторного перехода, то оно всегда одинаково — с увеличением напряжения на коллекторе Uк коллекторный ток Iк сначала быстро нарастает, а потом почти не меняется: почти все заряды, которые база впрыснула в коллекторный переход, уже включились в коллекторный ток, и дальше он расти просто не может. Нет материала, нет резерва в армии движущихся зарядов. Теперь существует только один способ увеличить ток Iк: нужно увеличить базовый ток Iб (напоминаем: фактически увеличение Iб—это не причина, это тоже следствие; увеличение Iб говорит о том, что возросло Uб, стал больше Iэ, а значит, Iб также возрос) и тем самым перейти на следующую ступень в семействе коллекторных характеристик.
Т-146. Во избежание искажений нужно создать в базовой цепи некоторый начальный ток — ток смещения. Пристыковав к одной из входных вольт — амперных характеристик транзистора (Р-85;2) график переменного напряжения, которое нужно усилить, график слабого усиливаемого сигнала, можно получить график его мощной копии, график изменения коллекторного тока. Первая же попытка выполнить такую операцию сталкивает нас с чрезвычайно неприятным явлением, которого, между прочим, следовало ожидать: под действием переменного напряжения во входной цепи транзистора идет не переменный, а пульсирующий ток (Р-86;1). Так же как шел пульсирующий ток в цепи полупроводникового диода (Р-81). И поэтому в процессе усиления мы до неузнаваемости исказим слабый сигнал, что, мягко говоря, весьма нежелат