Шаг за шагом. Транзисторы

Уменьшение обратного тока коллектора — трудная задача, над решением которой работают физики, химики, технологи, конструкторы, — словом, все, кто участвует в создании транзисторов. В решении этой задачи в последние годы заметен значительный прогресс. Так, в частности, для многих типов серийных транзисторов величина I_ко не превышает 1–2 мка, в то время как еще несколько лет назад у лучших образцов транзисторов обратный ток редко был меньше 5—15 мка. (Учтите, что все эти цифры относятся к транзисторам небольшой мощности, для которых максимальный коллекторный ток не превышает нескольких десятков ма. У мощных транзисторов коллекторный ток во много раз больше — вплоть до нескольких ампер, — и поэтому приемлемая величина I_ко также значительно больше.) Предполагается, что в будущем удастся настолько уменьшить I_ко, что его влиянием можно будет пренебречь. Ну, а пока, для того чтобы уменьшить влияние неуправляемого обратного тока на режим транзистора, пользуются схемами температурной стабилизации режима.

Когда мы говорим об автоматике и автоматах, то, как правило, представляем себе очень сложные устройства с огромным числом деталей, соединительных проводов, электронных ламп, электромагнитных пускателей и реле. Для такого представления об автоматах есть достаточно веские причины. Даже самый, казалось бы, простой из них, такой, например, как автомат для продажи газированной воды, если заглянуть вовнутрь, представляется очень сложной и замысловатой установкой.

В последние годы человеческий разум действительно создал изумительные по своей сложности, по своей «разумности» автоматы — устройства, которые умеют самостоятельно, без помощи человека, управлять различными процессами и аппаратами. Это автоматы, управляющие прокатным станом, огромной электростанцией, космическим кораблем. Это автоматы, которые умеют играть в шахматы, фотографировать с близкого расстояния поверхность Луны, поддерживать нормальный ритм больного сердца.

Но наряду с автоматическими установками, если можно так сказать, высшего ранга, на каждом шагу нам встречаются и очень простые автоматы, выполняющие самые разнообразные мелкие поручения человека. К таким автоматам можно отнести предохранитель, мгновенно разрывающий электрическую цепь при коротком замыкании, автомат для выключения проигрывателя, когда кончается пластинка, автоматический переключатель на елке. К числу простейших автоматов можно отнести и схемы, стабилизирующие режим транзистора.

Почти все схемы автоматической стабилизации работают на одном принципе: они следят за работой транзистора и автоматически компенсируют всякое изменение режима, которое происходит при нагревании.

Две наиболее распространенные схемы автоматической стабилизации делают это следующим образом: при малейшем увеличении постоянного коллекторного тока они как бы уменьшают начальное смещение на базу и тем самым стараются вернуть коллекторный ток к первоначальной величине.

Простейшая схема термостабилизации (рис. 87, листок Б) отличается от схемы, где никакой стабилизации вообще нет (рис. 87, листок А), только тем, что сопротивление R_б, с помощью которого задается смещение на базу, подключено не к «минусу» коллекторной батареи, а прямо к коллектору. Это незначительное отличие приводит к весьма значительным последствиям, причем не только к хорошим, но и к плохим.

Дело в том, что при подключении R_б к коллектору не остается постоянным отрицательное смещение, которое поступает на базу. Чем больше коллекторный ток, тем больше падение напряжения на нагрузке R_н, тем меньше напряжение, которое остается на коллекторе, тем меньше и небольшая доля этого напряжения, которая достается эмиттерному переходу и является для него начальным смещением U_см.

С одной стороны, хорошо: когда из-за повышения температуры возрастет коллекторный ток, то одновременно уменьшится смещение U_см и заставит коллекторный ток тоже уменьшиться. Этим, собственно говоря, и будет достигаться автоматическая стабилизация режима.

Но, с другой стороны, подключение R_б не к «минусу», а к коллектору ухудшит усилительные свойства каскада. Всякое изменение коллекторного тока, в том числе и те изменения, которые возникают под действием усиливаемого сигнала, и являются его «мощной копией», будут через R_б воздействовать на базу и будут пытаться сами себя уменьшить. Иными словами, сопротивление R_б, подключенное к коллектору, становится элементом обратной связи, причем именно отрицательной обратной связи, которая, как известно, снижает усиление каскада. Вот почему схема температурной стабилизации, о которой идет речь, применяется там, где не жалко платить усилением за простоту.

Вторая схема термостабилизации (рис. 87, листок В) хотя и сложнее первой (для второй схемы нужны два дополнительных резистора и один конденсатор), хотя и потребляет от батареи некоторую дополнительную энергию, однако применяется значительно чаще. Ей отдают предпочтение, очевидно, потому, что эта схема позволяет во много раз ослабить влияние температуры на режим каскада и при этом не ухудшает его основных параметров. Прежде всего не снижает усиления.

Идея, на которой построена эта схема, довольно проста. Смещение на базу, то есть постоянное напряжение, действующее между базой и эмиттером, складывается в этой схеме из двух действующих последовательно напряжений. Одно из них — U''_см — образуется на резисторе R_э за счет проходящего по нему коллекторного тока. Полярность напряжения U''_см, как всегда в таких случаях, определяется направлением тока, который проходит по R_э. А направление коллекторного тока таково, что «минус» напряжения U''_см всегда направлен в сторону эмиттера, а «плюс» — в сторону базы. Иными словами, напряжение U''_см стремится создать на базе положительное, то есть запирающее, напряжение — «плюс» на базе отталкивает дырки назад к эмиттеру.

Второе напряжение, которое участвует в создании смещения, — это U'_см. Оно образуется на резисторе R_б2, который представляет собой часть делителя R_б1R_б2. Этот делитель делит коллекторное напряжение, и часть его, а именно U'_см, подается «минусом» на базу, то есть напряжение U'_см стремится создать на базе «минус» относительно эмиттера, стремится отпереть транзистор.

Если включить последовательно две батарейки, причем так, чтобы они действовали друг против друга, то результирующее напряжение будет равно разности напряжений, которые дают эти батарейки. Точно так же напряжение, которое получится в результате взаимодействия U'_см и U''_см в одной последовательной цепи, равно разности этих напряжений. При этом U'_см больше, чем U''_см, и на базе оказывается «минус». (Иначе и быть не может — «плюс» запер бы триод и U''_см вообще исчезло бы.) А если по каким-нибудь причинам будет меняться одно из этих двух напряжений, то одновременно будет меняться и их разность — результирующее смещение U_см = U''_см — U'_см.

При налаживании усилительного каскада его элементы выбирают так, чтобы U'_см было несколько больше, чем U''_см, и чтобы их разность давала нужное отрицательное смещение на базу. Когда при повышении температуры возрастает коллекторный ток, то одновременно увеличивается и напряжение U''_см = I_к·R_э. В итоге меньше становится разностное напряжение U_см, уменьшается «минус» на базе. А это приводит к уменьшению коллекторного тока, то есть к стабилизации режима.

Чтобы резистор R_э не стал элементом отрицательной обратной связи, по переменному току, его шунтируют конденсатором.

Эффект автоматической стабилизации проявляется тем сильнее, чем больше сопротивление R_э. Но, с другой стороны, увеличивать R_э нежелательно, так как на нем теряется некоторая часть напряжения коллекторной батареи. Так, например, если батарея дает 4,5 в, а напряжение U''_см равно 1 в, то «работающая часть» коллекторного напряжения, то есть то, что действует между нагрузкой и эмиттером, уменьшается до 3,5 в.