Шаг за шагом. Транзисторы

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.

Благодаря резкому уменьшению тока во входной цепи, во-первых, уменьшается потребляемая в ней мощность, то есть мощность, которую должен отдать усилителю не кто иной, как слабый усиливаемый сигнал. Во-вторых, благодаря уменьшению тока возрастает входное сопротивление, а это, как мы вскоре увидим, резко облегчает согласование усилителя с источником сигнала. И, наконец, третье: поскольку ток базы, который теперь должен создать источник сигнала во много раз меньше эмиттерного, а значит, и коллекторного тока, то схема ОЭ дает не только усиление по напряжению, как схема ОБ, но еще и усиление по току. А в итоге усиление по мощности у схемы ОЭ оказывается значительно больше, чем у схемы ОБ.

Чтобы количественно оценить все выгоды, которые дает схема ОЭ, вводят еще один параметр транзистора — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Этот коэффициент обозначают буквой β (греческая «бета»; существует несколько разновидностей этого коэффициента: одни из них обозначают буквой В, другие — буквой β). Коэффициент β должен показать, во сколько раз мы разгрузили источник сигнала при переводе его из эмиттерной цепи в цепь базы, то есть коэффициент β показывает, во сколько раз при одном и том же управляющем напряжении ток базы меньше, чем ток эмиттера, или, что почти то же самое (токи I_э и I_к примерно равны), во сколько раз I_б меньше, чем I_к. Определив, например, по входным характеристикам, что при U_эб = 200 мв, I_б = 600 мка, (0,6 ма), а I_э = 6 ма (рис. 54), легко подсчитать, что β = I_э:I_б = 10. Но это примерное, упрощенное определение коэффициента β.

Точное значение коэффициента усиления по току β можно получить, если при неизменном коллекторном напряжении U_эк изменять управляющее напряжение U_эб и одновременно следить за тем, как изменяются два тока — ток во входной цепи (то есть I_б) и ток в выходной цепи (то есть I_к). Затем, определив прирост того и другого тока ΔI_б и ΔI_к, находим β как их отношение β = ΔI_к:ΔI_б (рис. 72).

Иными словами, точнее (динамическое) значение β показывает, во сколько раз при одном и том же изменении управляющего напряжения U_эб изменения выходного тока ΔI_к оказываются больше, чем изменения входного тока ΔI_б. Так, например, определив по входным характеристикам (рис. 54), что при изменении U_эб от 200 мв до 250 мв ток базы увеличился на 400 мка (0,4 ма), а ток коллектора примерно на 4 ма, легко найти β как отношение этих приростов: β = 4: 0,4 = 10.

Упрощенное определение коэффициента β, как правило, очень близко к «официальной», измеренной по всем правилам его величине. И это вполне понятно. Во-первых, коллекторный ток почти равен эмиттерному, и с каким бы из этих токов мы ни сравнивали ток базы I_б, результат будет примерно одинаковым. Во-вторых, все токи транзистора «пляшут под дудку» управляющего напряжения — во сколько увеличится или уменьшится U_эб, во столько же раз приблизительно увеличатся или уменьшатся сразу все три тока I_э, I_б, I_к. Поэтому-то сравнивать приросты этих токов почти то же самое, что сравнивать и сами токи при одном и том же значении U_эб. На сравнении тока базы с током коллектора основано измерение коэффициента усиления по току β в простейших любительских приборах (рис. 70). Существуют простые приборы и для более точного определения β путем сравнения прироста ΔI_к с ΔI_б.

Рис. 70. Примерную величину коэффициента β можно определить с мощью простейших самодельных приборов.

Хотя обычно при определении коэффициента усиления по току мы сравниваем ток базы с током коллектора, этот коэффициент, как уже было сказано, очень хорошо характеризует изменения, которые произошли во входной цепи при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ. Конкретно β показывает, во сколько раз уменьшился ток в цепи источника сигнала (входная цепь усилителя) после того, как по этой цепи стал проходить ток базы вместо тока эмиттера. А показывая уменьшение входного тока, коэффициент β количественно определяет изменение параметров усилителя при переходе к схеме ОЭ.

Вот эти изменения (рис. 71).

Рис. 71. Входной ток в схеме ОЭ значительно (в β раз) меньше, чем в схеме ОБ, и это приводит к появлению многих ценных качеств схемы с общим эмиттером.

Поскольку в β раз уменьшается входной ток, а выходной (коллекторный) остается без изменений, то можно сказать, что транзистор усиливает уже не только напряжение, но еще и ток в β раз. Отсюда и название — коэффициент усиления по току.

Входное сопротивление возрастает примерно в β раз нее в β + 1 раз) опять-таки потому, что в β раз уменьшается входной ток, который определяет это сопротивление. Ничего не поделаешь, закон Ома — R = U: I; чем меньше ток, тем, значит, больше сопротивление.

Для управления транзистором от сигнала требуется в β раз меньшая мощность. Опять же потому, что в β раз уменьшается входной ток, определяющий эту мощность. Чем меньше ток, тем меньше мощность — Р = U·I. А если в β раз уменьшается входная мощность при неизменной выходной мощности, то, значит, коэффициент усиления по мощности также возрастает в β раз.