Транзистор?.. Это очень просто!

Сходства и различия

Н. — Эти почтенные семейства во многом похожи на семейства характеристик вакуумных ламп, у которых анодный ток изменяется в зависимости от анодного напряжения, а в качестве параметра принято сеточное напряжение. Особенно поразительное сходство наблюдается с пентодами (рис. 48).

Рис. 48. Зависимость анодного тока I_а пентода от анодного напряжения U_а при различных значениях смещения на управляющей сетке.

Л. — Правильно, но тем не менее следует отметить два серьезных различия: во-первых, характеристики пентода как бы выходят их одной точки и затем расходятся…

Н. — …наподобие фейерверка.

Л. — Да, если такое сравнение тебе нравится. А у транзисторов кривые очень быстро поднимаются, а затем после изгиба идут почти горизонтально. Ты лучше убедишься в этом, рассматривая характеристики транзистора малой мощности (рис. 49).

Во-вторых, кривые пентода расположены плотно одна к другой при больших отрицательных значениях сеточного напряжения, а затем расстояние между соседними кривыми увеличивается. А у транзистора при различных значениях тока базы расстояние между характеристиками (на рис. 49 проведены пунктиром) на всем протяжении примерно одинаковое. И в этом проявляется одно из преимуществ транзистора.

Н. — Почему?

Л. — А разве ты не видишь, что он будет с меньшими искажениями, чем пентод, усиливать сигналы с большой амплитудой? Одинаковое изменение тока базы в положительную и отрицательную стороны вызовет одинаковые изменения тока коллектора. У пентода же положительные и отрицательные полупериоды сеточного напряжения вызывают неодинаковые изменения анодного тока.

Н. — И это проявляется в тех ужасных искажениях, которые называются нелинейными. Следовательно, транзистор превосходит пентод лучшим показателем линейности. Да здравствует транзистор!^[12]

Использование характеристик

Л. — Я хотел бы вернуться к семейству характеристик, изображенному на рис. 47, чтобы ты лучше понял, какие полезные сведения содержатся в них о важнейших свойствах транзисторов. Пользуясь этими кривыми, ты можешь, например, определить крутизну для любого напряжения базы.

Н. — Действительно, если я, например, перехожу от напряжения базы 0,4 к 0,5 В (из точки А в точку Б), то ток повышается от 75 до 125 мА, т. е. на 50 мА. Следовательно, крутизна S = 50:0,1 = 500 мА/В.

Л. — Так же легко ты можешь определить по нашему графику и усиление по току.

Н. — Я думаю, что для этого нужно перейти с одной кривой I_б на другую. Возьмем, например, точки Г и Д, для которых разница тока базы составляет 1 мА; ток коллектора возрастает с 220 до 275 мА, т. е. на 55 мА. Следовательно, усиление по току = 55:1 = 55. Это достаточно просто… но что за странная кривая спускается слева направо, которую ты пометил надписью 350 мВт (рис. 47)?

Л. — Она показывает предельную мощность транзистора. Для каждой из точек этой линии произведение напряжения коллектора на его ток равно 350.

Н. — И правда, 10 В соответствует ток 35 мА, а напряжению в 5 В — ток 70 мА. Так, значит, это граница, которую не следует переходить?

Возвращение к «дельтам»

Л. — Да, эта кривая — гипербола, но нам еще представится случай к ней вернуться. А пока я хотел бы познакомить тебя еще с одной в высшей степени полезной характеристикой транзистора — с его выходным сопротивлением. Догадываешься ли ты, о чем идет речь?

Н. — Некоторое количество фосфора в моей голове еще осталось, и я попытаюсь. Я предполагаю, что речь идет о сопротивлении, которое определяет поведение тока коллектора, когда его заставляют изменяться, изменяя напряжение коллектора. Не так ли?

Л. — Очень хорошо, Незнайкин. Добавь к этому, что во время этих изменений потенциал базы остается постоянным. И продолжай свои рассуждения, думая о нашем святом Оме.

Н. — Я догадался! Выходное сопротивление представляет собой отношение напряжения коллектора к его току.

Л. — Это еще не исчерпывающее объяснение. В нем не хватает небольших значков — дельт…

Н. — При так любезно брошенной спасательной веревке я просто не могу ошибиться. Вот определение, которое способно заставить побледнеть от зависти моего старого преподавателя математики.

Выходным сопротивлением транзистора называется отношение небольшого изменения напряжения коллектора к вызываемому им изменению тока коллектора, что можно записать следующим образом:

(что соответствует U_а/I_а = R_i для электронных ламп).

Л. — Твой торжественный вид говорит сам за себя. Съеденная тобой гигантская рыбина продолжает оказывать благотворное влияние на твои умственные способности… Не мог бы ты, основываясь, как и раньше, на графике, изображенном на рис. 47, определить выходное сопротивление нашего транзистора, ну, скажем, при U_б = 0,6 В.

Н. — Очень просто… Возьмем точки В и Е, соответствующие напряжениям 10 и 20 В на коллекторе, т. е. различающиеся между собой на 10 В (U_к = 10 В). Из графика мы видим, что на этих точках ток коллектора повышается со 180 примерно до 182 мА, т. е. I_к = 2 мА, или 0,002 А. Следовательно, выходное сопротивление R_вых = 10:0,002 = 5000 Ом.

Л. — Прекрасно! Если бы ты рассчитал выходное сопротивление для больших значений тока, то обнаружил бы, что оно еще меньше. Но не забывай, что мы имеем дело с транзистором средней мощности. Если бы мы взяли маломощный транзистор с такими характеристиками, какие показаны, например, на рис. 49, то выходное сопротивление оказалось бы намного больше. Действительно, эти кривые почти горизонтальны, и даже большое увеличение U_к вызывает лишь незначительный прирост тока I_к и их частное выражается величиной в несколько миллионов ом.

Рис. 49. Выходные характеристики транзистора малой мощности. На левом графике масштаб напряжений коллектора U_к растянут, чтобы лучше показать, что происходит в области малых напряжений.

Н. — Какое странное создание этот транзистор, у которого входное сопротивление низкое, а выходное — высокое. Можно подумать, это сделано нарочно, чтобы утереть нос электронным лампам… А, я догадался! Входное сопротивление мало потому, что по переходу эмиттер — база ток проходит в прямом направлении, а через переход база — коллектор току приходится идти в обратном направлении, преодолевая переход с трудом, поэтому выходное сопротивление получается высоким.