Транзистор?.. Это очень просто!

Беседа девятая ОЭ — ОБ — OK

_{Содержание: Ламповые схемы с заземленным катодом, сеткой или анодом. Транзисторные схемы с общим эмиттером, общей базой или общим коллектором. Усиление по току и напряжению в трех основных типах схем. Их входные и выходные сопротивления. Сводная таблица характеристик трех схем включения транзисторов.}

Незнайкин. — Как случилось, что транзистор был изобретен на сорок лет позднее электронной лампы? Ведь на первый взгляд проще ввести примеси в полупроводник, чем создать вакуум в стеклянном баллоне и нагреть в нем катод, эмиттирующий электроны через сетку к аноду.

Любознайкин. — В истории изобретений иногда случай играет первостепенную роль, и транзистор мог бы быть изобретен раньше электронной лампы. Впрочем, одному русскому инженеру О. В. Лосеву еще в 1922 г. при экспериментах с кристаллами цинковой обманки удалось генерировать и усиливать электрические колебания. Однако его прибор, названный «кристадином», не получил дальнейшего развития. Но если бы транзистор был изобретен раньше электронной лампы, то появление вакуумной лампы, несомненно, приветствовали бы как крупное усовершенствование… И для ваккумных триодов стали бы применять различные схемы включения, используемые теперь для транзисторов. Так мы получили бы схемы с заземленным катодом, заземленной сеткой и с заземленным анодом.

Н. — Что за вездесущее заземление?

Л. — Ты, Незнайкин, очевидно, помнишь, что под заземлением мы понимаем точку с постоянным потенциалом. В обычной схеме лампового усилителя это точка, где сходятся цепи сетки и анода.

Н. — Мне кажется, что концы обеих цепей сходятся на катоде.

Л. — Поэтому наиболее распространенная ламповая схема называется схемой с заземленным катодом (рис. 68), даже если между катодом и заземленной точкой включен резистор смещения, так как для переменных токов он практически накоротко замкнут конденсатором. А кроме того, разве ты забыл о существовании схемы с заземленной сеткой (рис. 69)?

Н. — Действительно, мы встречались с ней, когда изучали частотную модуляцию. Используемая для усиления сигналов высокой частоты эта схема позволяет лучше отделить входную цепь от выходной; при этом сетка служит защитным экраном. А управляющим электродом в этом случае оказывается катод.

Л. — Остается еще третья возможность: сделать постоянным потенциал анода, заземлив его (разумеется, через источник высокого напряжения), приложить входной сигнал между сеткой и заземленной точкой, а усиленное напряжение снимать с сопротивления нагрузки, включенного между катодом и этой точкой (рис. 70).

Рис. 68–76. Три схемы включения лампы и транзистора.

_{68 — наиболее распространенная схема лампового усилителя с заземленным катодом;}

_{69 — схема с заземленной сеткой;}

_{70 — схема с заземленным анодом (катодный повторитель);}

_{71 — наиболее распространенная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером;}

_{72 — схема с общей базой;}

_{73 — схема с общим коллектором;}

_{74–76 — другой вариант начертания трех основных транзисторных схем. На рисунке наглядно показано, как ток эмиттера Iэ разделяется в общей точке на две частя: ток базы Iб и ток коллектора Iк.}

Н. — Странная схема. Впрочем, в этом случае через нагрузочный резистор все равно проходит анодный ток, так что на нем выделяется и усиленное напряжение.

Л. — Употребив выражение «усиленное напряжение», ты был неправ, ибо коэффициент усиления этой схемы, именуемой катодным повторителем, меньше единицы. В ней сопротивление нагрузки действует как сопротивление обратной связи, в результате чего схема не может создавать выходное напряжение больше входного.

Н. — Значит, эта схема не представляет никакого интереса?

Л. — Совсем наоборот. Прежде всего отметь себе, Незнайкин, что напряжение, возникшее на сопротивлении нагрузки, совпадает по фазе с напряжением, приложенным к сетке.

Н. — Именно по этой причине схема и отличается такой небывало сильной отрицательной обратной связью?

Л. — Разумеется. Но если ты включишь второе сопротивление нагрузки в анодную цепь, т. е. обычным способом…

Н. — …то здесь выходное напряжение окажется в противофазе с напряжением на входе. Значит, одна и та же лампа позволит получить два выхода с напряжениями в противоположных фазах. Какая удобная схема для подачи сигнала на сетки ламп двухтактного каскада!

Л. — Это верно, но катодный повторитель часто используется и в других случаях, когда нужно получить малое выходное сопротивление, ибо, хотя, как я вижу, ты и сомневаешься, сопротивление нагрузки, включаемое в катодную цепь, можно взять значительно меньшим, чем сопротивление, включаемое в анодную цепь. Можно даже непосредственно включить в цепь катода звуковую катушку громкоговорителя и обойтись без выходного трансформатора, устранив таким образом источник значительных искажений.

Н. — Ты положительно убедил меня в достоинствах катодного повторителя, но я уже изучил и тебя и твои приемы. Если ты с таким жаром говоришь мне о трех схемах включения ламп, то, несомненно, только ради того, чтобы затем проанализировать соответствующие схемы на транзисторах.

Л. — От тебя положительно ничего нельзя скрыть. Действительно, каждой из этих трех схем соответствует свой способ включения транзистора. Для большей ясности я начертил каждую из них в двух вариантах (рис. 71–73); транзистор изображен в виде прямоугольника, каким мы обозначили его сначала; на таком рисунке лучше виден путь тока между тремя областями транзистора, иногда я сожалею, что такое обозначение транзистора не было принято повсеместно. Во втором случае (рис. 74–76) эти же схемы начерчены с обычным условным обозначением транзистора, а здесь я постарался более четко показать цепь тока коллектора. А для большей наглядности я выделил жирными линиями и анодные цепи ламп на рис. 68–70.

Н. — И правда, твои рисунки не похожи на те, что я привык до сих пор видеть. Они, по крайней мере, кажутся мне очень простыми. Я вижу три возможности включения транзисторов: заземлив эмиттер (рис. 71 и 74), заземлив базу (рис. 72 и 75) и заземлив коллектор (рис. 73 и 76).

Л. — Наличие заземления необязательно, и правильнее эти три схемы называть так: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК).

Н. — Понимаю: суть заключается в том, что в каждой из них одна из трех зон транзистора является общей для входной и выходной цепей…

Л. — Мы долго занимались этой схемой, потому что она применяется значительно чаще других.

Н. — Так же, как схема с общим катодом для ламп.

Л. — Разумеется. Ты знаешь, что при правильном использовании эта схема может дать прекрасное усиление как по току, так и по напряжению, а следовательно, и по мощности. Я хочу напомнить тебе, что выходное напряжение в схеме с ОЭ имеет фазу, противоположную входному напряжению, что входное сопротивление составляет несколько сотен ом, а выходное — несколько десятков килоом.

Н. — Все это я хорошо запомнил. Можно ли мне обратиться в путешествие и попытаться проанализировать схему с ОБ? Входное напряжение здесь также прикладывается между эмиттером и базой, но на этот раз роль входного электрода выполняет эмиттер, а база остается пассивной. Если входной сигнал вызывает увеличение положительного потенциала эмиттера относительно базы, то ток базы увеличивается, возрастает и ток коллектора; в результате падение напряжения на сопротивлении нагрузки также увеличивается, а выходной потенциал становится более положительным. Напряжение на выходе в этом случае усилено.

Н. — Здесь кое-что меня смущает. Во входной цепи мы имеем ток эмиттера I_э, а в выходной — только ток коллектора, который несколько меньше, так как ток эмиттера (это отчетливо видно на рисунке) делится на два тока: ток базы I_б и ток коллектора I_к. А что верно для токов, то верно и для их небольших изменений. Следовательно, усиление[15] по току, т. е. отношение малых изменений выходного тока ΔI_к к малым изменениям входного тока ΔI_э, меньше единицы, так как ток I_э больше тока I_к. Это, скорее, ослабление, а не усиление.

Л. — Да, и его обозначают буквой α, а в схеме с ОЭ усиление по току обозначается буквой β.

Н. — По-моему, нелогично давать первую букву греческого алфавита схеме, которая реже применяется.

Л. — Это имеет свои исторические причины, мой друг. На заре транзисторов были известны только точечные типы транзисторов, и только схема с ОБ позволяла стабильно применять эти приборы.

Н. — Значит, схема с ОБ не представляет никакого интереса, так как она, вместо того чтобы усиливать сигнал, ослабляет его.

Л. — Вот опасности выводов столь же поспешных, как и окончательных, так характерных для молодого поколения…

Схема с ОБ во многих случаях представляет интерес. Она облегчает построение наиболее высокочастотных усилителей, причем обеспечивает неплохое усиление.

Н. — Ты что смеешься надо мной, называя усилением коэффициент меньше единицы?..

Л. — Успокойся, мой друг. Ведь это было сказано применительно к усилению по току. Но обычно нас интересует усиление по мощности. А в этом смысле положение более чем удовлетворительное. Чтобы ты мог убедиться в этом сам, я должен тебе сказать, что входное сопротивление схемы с ОБ очень мало и на практике составляет несколько десятков ом.

Н. — Ничего удивительного для меня в этом нет, потому что оно определяется отношением малых изменений напряжения на входе к вызываемым им изменениям тока. В отличие от схемы с ОЭ здесь мы имеем дело с током эмиттера, а он изменяется очень сильно, следовательно, отношение имеет очень малую величину.

Л. — Ты хорошо рассудил, Незнайкин. Но в противовес входному сопротивлению выходное сопротивление для схемы с ОБ может быть очень большим — порядка мегаома.

Н. — Какой же я глупец! Я только сейчас понял, что изменения выходного типа хотя примерно и равны изменениям входного тока, но на большом выходном сопротивлении создают напряжения, во много раз превышающие напряжение сигнала, приложенного к низкоомному входному сопротивлению. Действительно, мы должны иметь хорошее усиление по напряжению.

Л. — Да, это усиление может достигать нескольких тысяч раз, а поэтому мы можем также получить хорошее усиление по мощности. К несчастью, этим нельзя должным образом воспользоваться.

Н. — Ты, Любознайкин, подвергаешь меня настоящему шотландскому душу — бросаешь из жары в холод. Едва только схема с ОБ была реабилитирована, как ты начинаешь ее дискредитировать. Почему?

Л. — Потому что после нашего каскада с ОБ могут следовать другие, у которых входное сопротивление намного меньше, чем выходное сопротивление у схемы с ОБ, что приведет к потере выигрыша в усилении, полученного благодаря этому высокому выходному сопротивлению.

Н. — На этот раз с меня хватит! Я не хочу больше слышать об этой проклятой схеме с ОБ. И я надеюсь, что схема с ОК будет менее обманчивой.

Л. — Прежде чем приступить к анализу этой схемы, я хочу заметить, что на практике встречаются два варианта ее построения. В одном из них батарея питания коллектора находится между общим проводом (заземлением) и коллектором (рис. 77), а во втором — между нагрузочным сопротивлением и общим проводом, с которым коллектор соединен непосредственно (рис. 78). Во втором варианте база автоматически получает смещение по отношению к эмиттеру.

Рис. 77. Способ смещения для схемы, показанной на рис. 76.

Рис. 78. Возможный вариант схемы с общим коллектором, отличающийся от приведенной на рис. 76 схемы местом включения источника коллекторного напряжения.

Н. — Тогда в первом варианте нужно иметь специальную батарею смещения?

Л. — Совсем нет. Простой резистор R_см, установленный между базой и отрицательным полюсом батареи, выполнит эту задачу точно так же, как это имеет место в схеме с ОЭ. Пользуясь случаем, я привожу также практическую схему смещения для схемы с ОБ (рис. 79).

Рис. 79. Способ смещения для схемы, показанной на рис. 75.

Н. — К великой радости продавцов батарей, я предпочел бы иметь две батареи, как это показано на наших теоретических схемах… Но вернемся к схеме с ОК. В этом случае, как я вижу, при усилении тоже не происходит изменения фазы: более отрицательный потенциал на базе увеличивает ток эмиттера, что вызывает большее падение напряжения на нагрузочном резисторе и верхний конец его становится более отрицательным (рис. 77) или, что одно и то же, менее положительным (рис. 78).

Л. — О да, Незнайкин, из наших трех схем только схема с ОЭ изменяет фазу усиливаемого напряжения. Разберем теперь, какое усиление по току можно получить в схеме с ОК.

Н. — На входе этой схемы мы имеем ток базы, который, как и всегда, очень мал, а на выходе мы получим самый большой из трех токов — ток эмиттера. Следовательно, эта схема должна дать еще большее усиление по току, чем схема с ОЭ. Нет ли у тебя возражений, если я вновь прибегну к греческому алфавиту и обозначу это усиление буквой γ (гамма)[16]?

Л. — Я не думаю, чтобы греки возразили против такого решения. Ты в восторге, и я вижу, тебе не терпится поскорее познакомиться с этой так хорошо усиливающей схемой, но мне вновь придется охладить твой юношеский пыл.

Н. — Я чувствую, что ты нанесешь мне жестокий удар, заявив, что здесь внутренние сопротивления имеют противоположное значение, чем в схеме с ОБ, и что поэтому наше прекрасное усиление по току нам ничего не дает.

Л. — Я не скрываю от тебя эту печальную истину. Как в ламповой схеме катодного повторителя, так и в схеме с ОК для транзисторов входное сопротивление может достигать 1 МОм, тогда как выходное сопротивление составляет всего лишь несколько десятков ом.

Н. — Прямая противоположность схеме с ОБ! Значит, мы не выигрываем ничего ни по напряжению, ни по мощности.

Л. — Ничего, Незнайкин, или почти ничего. Впрочем, ты мог сам прийти к такому выводу, заметив, что сопротивление нагрузки в этой схеме создает очень сильную отрицательную обратную связь. Когда полупериод сигнала стремится сделать базу отрицательной по отношению к эмиттеру, повышая ток последнего, то это увеличение тока делает эмиттер более отрицательным, что препятствует действию сигнала на входе.

Н. — Для чего же применяется эта схема, которая не может дать нам никакого усиления по напряжению?

Л. — Она используется в некоторых случаях, когда необходимо получить большой ток, например, для раскачки мощного транзистора или же когда низкое выходное сопротивление необходимо для лучшего согласования с сопротивлением нагрузки, например, при непосредственном включении звуковой катушки громкоговорителя.

Н. — Я еще раз убеждаюсь в справедливости старинной истины о золотой середине. У транзисторов этой золотой серединой бесспорно является схема с ОЭ, где входное и выходное сопротивления имеют добрые средние значения, что позволяет получить подходящее усиление как по току, так и по напряжению, и по мощности.

Л. — Ты прав, Незнайкин. Входное R_вх и выходное R_вых сопротивления представляют собой как бы две чаши весов, которые примерно уравновешены в схеме с ОЭ; для схемы с ОБ чаша R_вх резко уходит вниз, а при схеме с ОК — сильно поднимается вверх. Если ты обещаешь никому не говорить, я открою тебе один секрет: для одного транзистора произведение R_вхR_вых остается неизменным во всех трех схемах включения.

Н. — Значит, если, например, в схеме с ОЭ мы имеем R_вх = 500 Ом и R_вых = 20 000 Ом, а их произведение равно 10 000 000, то для этого же транзистора в схеме с ОБ сопротивление R_вх составляет, скажем, 50 Ом, a R_вых = 200 000 Ом, и если в схеме с ОК R_вх = 20 000 Ом, то R_вых должно иметь величину 50 Ом… Если ты разрешишь, я в заключение попытаюсь составить таблицу (рис. 80) наиболее важных характеристик всех основных схем, чтобы их можно было легче сравнивать.

Рис. 80. Сводная таблица основных характеристик трех основных схем включения транзистора.

Н. — Прекрасная идея, она позволит нам приятно завершить нашу сегодняшнюю очень полезную беседу.[17]