ФИНИШ, КОТОРЫЙ МОЖНО СЧИТАТЬ СТАРТОМ

Что же можно сказать в конце нашего долгого пути?

Оглядываясь назад, можно отметить, что путь этот прошел по многим интересным территориям. Мы увидели немало конкретных практических транзисторных схем и, что особенно важно, познакомились с некоторыми общими принципами построения схем, с важными для транзисторной техники физическими процессами, с главными законами электрических цепей.

В то же время нужно честно признать, что многие важные и интересные проблемы нам так и не удалось внимательно рассмотреть. Всем известно, что «нельзя объять необъятное», но, оказывается, и «объятное» объять не так‑то просто.

Хорошо было бы, например, подробней остановиться на том, что такое генератор тока и что такое генератор напряжения (см. стр. 222). Первое из этих условных названий относится к электрической цепи, в которой сопротивление нагрузка R_н значительно меньше, чем внутреннее сопротивление генератора R_г . Второе название относится к цепи, где, наоборот, R_н >>R_г .

Само название «генератор тока», если его понимать буквально, не отражает всего, что происходит в цепи, потому что никак не может быть так, чтобы генератор давал нагрузке только ток: раз в нагрузке есть ток, то, значит, на ней действует и какое‑то напряжение. Название «генератор тока» лишь подчеркивает следующую важную особенность – в электрической цепи, в которой R_г >>R_н как бы ни менялось сопротивление нагрузки R_н , через нее все равно будет идти один и тот же ток. То есть в цепи генератора тока, а значит, в цепи подключенной к нему нагрузки величина тока практически не зависит от самого сопротивления нагрузки.

Объясняется это, кстати, довольно просто. Ток в цепи, в которую входят два последовательно соединенных резистора (в данном случае R_г и R_н ), зависит от общего сопротивления цепи. А поскольку сопротивление одного из двух резисторов во много раз больше, чем другого (мы ведь назвали генератором тока именно такой генератор, внутреннее сопротивление которого R_г во много раз больше, чем сопротивление нагрузки R_н ), то общее сопротивление цепи, а значит, и ток в ней в основном и будет определяться величиной R_г . Представьте себе, что к генератору с внутренним сопротивлением 100 ом поочередно подключают три разные нагрузки с сопротивлениями 1, 2 и 3 ом. Во всех этих случаях общее сопротивление цепи окажется примерно равным 100 ом и ток в цепи при замене нагрузки не изменится. Именно в этом смысле подобный генератор и называют генератором тока.

Нам полезно было бы подробней познакомиться с генератором тока именно потому, что он довольно часто встречается в транзисторных схемах. Возьмем, к примеру, простейшую цепь подачи смещения на базу от коллекторной батареи (рис. 76). Мы представили себе эту цепь как некий делитель напряжения, в который входит резистор R_б и сопротивление эмиттерного перехода R_вх= для постоянного тока. Это действительно так: все напряжение коллекторной батареи делится между участками делителя, и та часть напряжения, которая достается эмиттерному рn ‑переходу, является для транзистора начальным отрицательным смещением. От смещения, то есть от отрицательного напряжения на базе, зависит коллекторный ток транзистора: чем больше это отрицательное напряжение, тем больше и коллекторный ток (рис. 64).

То, что входное напряжение, в частности напряжение смещения, стало в нашем рассказе о транзисторах главным действующим лицом, ни в какой степени не искажает истины – ко входу транзистора подводится некое напряжение, оно создает входной ток, а он, в свою очередь, вводит электрические заряды в базу. (В схеме ОБ все происходит в точности так; в схеме ОЭ число введенных в базу зарядов тоже определяется входным током, однако нужно умножить входной ток на коэффициент β , чтобы количественно подсчитать ток, который входит в базу.) Из базы заряды попадают в коллекторный переход и затем проходят по коллекторной нагрузке. Первопричиной всей этой длинной цепочки событий, как видите, является напряжение, подведенное ко входной цепи транзистора.

Однако в некоторых случаях для упрощения картины полезно забыть об этой первопричине и начинать все рассуждения прямо с тока, протекающего во входной цепи, именно его считая главным действующим лицом. Подача отрицательного смещения от коллекторной батареи – это как раз один из таких случаев.

Рис. 125. Понятие «генератор тока» или «генератор напряжения» прежде всего отражает соотношение между сопротивлением генератора и нагрузки.

Сопротивление резистора R_б , через который коллекторное напряжение попадает на базу, во много раз больше, чем сопротивление R_вх= эмиттерного рn ‑перехода. Это ясно хотя бы из того, что коллекторное напряжение составляет 5–10 в, а на базе должно остаться смещение всего 0,1–0,2 в. Подобное деление возможно лишь в том случае, если сопротивление верхней части‑делителя R_б в несколько десятков раз больше, чем сопротивление его нижней части R_вх= . Такое соотношение сопротивлений позволяет рассматривать всю цепь смещения как цепь с генератором тока, внутреннее сопротивление которого R_б , а нагрузка R_вх= .

Мы уже говорили, что в цепи генератора тока сама величина тока почти не зависит от сопротивления нагрузки и в основном определяется большим сопротивлением генератора, в нашем случае – сопротивлением резистора R_б . Представьте себе, что в схеме, где смещение подается от коллекторной батареи через резистор R_б , вы меняете транзисторы, и у них, в силу известного разброса параметров, оказываются различными сопротивления эмиттерного рn ‑перехода R_вх= . В этом случае ток в цепи, по сути дела, меняться не будет, так как небольшое сопротивление рn ‑перехода мало влияет на ток в цепи, куда включен резистор R_б с большим сопротивлением.

Но если через какой‑нибудь участок цепи проходит неизменный ток и меняется сопротивление этого участка, то неизбежно (согласно закону Ома – U =I ·R ) будет меняться действующее на участке напряжение. Иными словами, при включении транзисторов с разными R_вх= будет меняться напряжение на этих сопротивлениях, будет меняться начальное отрицательное смещение, которое подается на вход триодов.

Из всего сказанного так и хочется сделать вывод: «Это недопустимо! При смене транзисторов нужно менять и резистор R_б , с тем чтобы всегда делить коллекторное напряжение в одной и той же пропорции. Смещение на базе всегда должно быть одинаковым!!!» Несмотря на кажущуюся логическую безупречность этого вывода, он все же неверен. Точнее, не совсем верен.

Напряжение смещения, которое мы подводим к транзистору, – это не самоцель. Мы подводим напряжение смещения для того, чтобы создать во входной цепи определенный ток, который затем попадет в коллекторную цепь и, по сути дела, определит все события, происходящие в транзисторном усилительном каскаде. Чтобы установить режим транзистора, нужно задать в его входной цепи определенный ток, и только поэтому нужно подвести к ней определенное напряжение. А если сопротивление эмиттерного рn ‑перехода у транзисторов окажется различным, то к ним придется подводить и разные напряжения– лишь в этом случае можно будет установить во входной цепи этих транзисторов один и тот же ток.

Из этого рассказа можно сделать несколько полезных выводов. Прежде всего, рассматривая процессы в схеме, о которой идет речь, и, что еще важнее, при ее налаживании, можно вообще исключить из рассуждений подводимое ко входу транзистора постоянное напряжение U_см и сразу же учитывать ток смещения I_см во входной цепи. А поскольку у нас генератор тока, то величина I_см будет всегда одинаковой и режим транзистора всегда будет определяться лишь сопротивлением R_б . Именно подбором этого сопротивления можно установить необходимый начальный ток во входной цепи, установить режим транзистора.

Все сказанное совершенно не противоречит тому, что говорилось раньше: мы рассматривали всю цепь подачи смещения как делитель напряжения, и из наших рассуждений также следовало, что режим устанавливается подбором резистора R_б . От того, что мы перешли к иному описанию процесса, сам этот процесс не изменился: как и прежде, на эмиттерном переходе действует напряжение; как прежде, во входной цепи протекает ток. Перейдя к новому описанию, рассматривая всю цепь как генератор тока, мы лишь несколько упростили картину, нарисованную в своем сознании, сделали ее более удобной для мысленного анализа. Не думая ни о каком напряжении U_см , мы просто считаем, что нужно установить во входной цепи заданный ток I_см (обычно задается ток коллектора I_к= , который зависит от I_см ), а значит, нужно подобрать резистор R_б , определяющий величину этого тока.

Следующий вывод носит более общий характер – он касается распространенного выражения: «транзистор – это прибор, управляемый током».

Иногда это говорится для того, чтобы подчеркнуть отличие транзистора от лампы, во входной цепи которой ток очень мал и которую поэтому считают усилительным прибором, управляемым напряжением. Разумеется, в работе лампы и транзистора есть различия, но вряд ли стоит пытаться описать их короткой фразой, которая к тому же относится лишь к одному из отличий, определяет его неточно (события во входных цепях транзистора и лампы характеризуются и током, и напряжением– этими двумя показателями единого процесса), а некоторые важные различия, в частности рекомбинацию зарядов в рn ‑переходах, не учитывает совсем.

Часто говорят о токовом принципе управления транзистором, имея в виду, что его входная цепь, в большинстве случаев обладающая малым сопротивлением, подключена к высокоомному источнику сигнала, то есть к генератору с очень большим внутренним сопротивлением R_вых (имеется в виду сопротивление переменному току). В этих случаях выражение «прибор, управляемый током», опять‑таки нужно для того, чтобы упростить картину, исключить из нее второстепенные детали и выделить главное. А главным в этом случае как раз и является высокое сопротивление генератора, с которого транзистор получает сигнал, и низкое входное сопротивление самого транзистора R_вх (для переменного тока). Генератор сам определяет входной ток транзистора, а этот ток уже своим обычным порядком управляет работой всего усилительного каскада. Конечно, на входе транзистора, как всегда, действует управляющее напряжение, но для простоты дела его можно не учитывать.

Все описание работы транзистора и его характеристики мы в свое время строили на том, что ко входу подводится управляющее напряжение U_эб , что именно оно создает входной ток и управляет выходным током. В том случае, когда входная цепь транзистора питается от генератора тока (то есть от источника с сопротивлением, значительно превышающим R_вх ), можно все рассуждения сразу начинать со входного тока. А входное напряжение считать при этом «побочным продуктом» – каким оно получится, таким пусть и будет. Так, кстати, поступают довольно часто. И поэтому не удивляйтесь, если вы встретите семейство выходных характеристик, построенных не для разных напряжений U_эб , а для разных входных токов – I_э для схемы ОБ или I_б для схемы ОЭ.

Этими характеристиками можно пользоваться довольно часто, но не всегда. В тех случаях, когда источник сигнала обладает низким внутренним сопротивлением, его нужно рассматривать как генератор напряжения и все рассуждения о работе транзистора, как мы это и делали, начинать с того, что к его входу подводится напряжение U_эб .

«Цепь тока» и «цепь напряжения», «генератор тока» и «генератор напряжения», «прибор, управляемый током», и «прибор, управляемый напряжением», – все эти понятия отражают лишь соотношение сопротивлений в электрических цепях и зависимость событий в этих цепях от их элементов. Пользоваться перечисленными понятиями весьма удобно, но делать это можно лишь тогда, когда выяснено, почему в той или иной цепи ток или напряжение мало зависят от того или иного элемента и почему от другого элемента они зависят сильно. И во всех случаях, рассматривая электрическую цепь и при этом обращая внимание только на ток или только на напряжение, не забывайте, что вы лишь упрощаете истинную картину, чтобы легче разобраться в происходящих событиях. И что на любом участке любой реальной цепи ток протекает под действием напряжения, или, если говорить иначе, наличие тока обязательно сопровождается появлением напряжения.

Поняв, что «генератор тока» и «генератор напряжения» создаются лишь определенным соотношением сопротивлений, мы можем в случае необходимости и сами вводить в схему такие генераторы. Один из примеров искусственного генератора тока – это выпрямитель для зарядки аккумулятора (рис. 42–4, 5 ). Известно, что при зарядке нужно поддерживать заданную величину тока, которая определяется типом аккумулятора и его емкостью. Однако постоянство зарядного тока всегда находится под угрозой, и прежде всего на него покушается сам аккумулятор. В процессе зарядки его внутреннее сопротивление может резко меняться, и это влечет за собой опасные изменения тока в цепи.

Чтобы стабилизировать зарядный ток, выпрямитель искусственно превращают в генератор тока, включив в его цепь последовательный резистор с сопротивлением около одного ома. Эта величина во много раз превышает внутреннее сопротивление аккумулятора (обычно сотые доли ома), и поэтому он, по сути дела, оказывается подключенным к генератору тока. Теперь величина зарядного тока уже мало зависит от самого аккумулятора и практически остается неизмененной.

Другой пример – включение выравнивающих резисторов последовательно с параллельно соединенными диодами (рис. 123). Диоды соединяют параллельно, если необходимый выпрямленный ток превышает допустимую для одного диода величину. Соединив диоды параллельно, мы как бы разделяем между ними общий ток. Так, если нужно получить I_вып = 3 а, а в нашем распоряжении есть диоды, у которых I_пр = 0,3 а, то следует соединить параллельно десять (для безопасности лучше одиннадцать) таких диодов.

Однако прямое сопротивление R_пр у разных экземпляров одного и того же типа диодов может резко отличаться, а в этом случае общий ток распределяется между диодами неравномерно. В итоге одни диоды недогружены, а другие могут перегрузиться и выйти из строя. А вслед за одним вышедшим из строя диодом в некоторых случаях (например, если в результате перегрева диода «отгорит» от кристалла один из выводов) могут выйти из строя и все остальные.

Чтобы избежать этой страшной картины, достаточно последовательно с диодами включить одинаковые резисторы по 3–5 ом каждый. Эта величина во много раз больше, чем прямое сопротивление плоскостного диода, и поэтому каждый диод окажется включенным в цепь генератора тока. Причем все генераторы будут одинаковыми, и общий ток распределится между ними равномерно, несмотря на разброс параметров диодов.

Теперь от общего разговора о генераторах тока вернемся к конкретной цепи, с которой мы начали этот разговор, вернемся к входной цепи транзистора.

Есть одно обстоятельство, из‑за которого удобно вести разговор о напряжении на входе транзистора, причем даже в тех случаях, когда он включен в цепи генераторов тока, то есть в цепи источников постоянного или переменного напряжения с большими внутренними сопротивлениями. Дело в том, что при налаживании электронной аппаратуры значительно удобней измерять напряжения, чем токи. Для измерения тока нужно разрывать цепь, так как амперметр включается в цепь последовательно, а для измерения напряжения этого делать не нужно. Поэтому везде, где только возможно, стараются указать режим транзисторного усилителя, отмечая, какие на том или ином участке цепи должны быть напряжения. Даже в генераторе тока, в цепи подачи смещения на базу через R_б , часто ограничиваются указанием напряжения на базе, которое соответствует нормальному режиму для среднего по параметрам транзистора. Это напряжение, как уже неоднократно указывалось, обычно составляет 0,1–0,2 в.

И, наконец, последний вывод – предостережение против неверного вывода из того, что было только что рассказано. Может сложиться впечатление, что необходимый ток смещения устанавливается сам по себе для всех триодов, так как величина этого тока определяется только сопротивлением резистора R_б . Так действительно было бы, если бы транзисторы отличались только сопротивлением эмиттерного перехода R_вх=^. Но в действительности различие в параметрах транзисторов значительно «богаче», и поэтому при желании установить определенный коллекторный ток покоя I_к‑п величину R_б довольно часто приходится подбирать. Так, в частности, чтобы в схеме ОЭ получить одну и ту же величину I_к‑п , ток смещения у транзистора с коэффициентом β = 100 должен быть в два раза меньше, чем для транзистора с β = 50. В большинстве приведенных в книге схем резистор, определяющий смещение на базе, приходится подбирать довольно редко, так как в этих схемах смещение подается с делителя напряжения. Кроме того, в эмиттерную цепь транзистора включен резистор, который автоматически «подгоняет» смещение к заданной величине.

Рис. 126. В электронных приборах используются разные физические процессы для выпрямления, усиления, генерирования и других операций электрическими сигналами.

Мы с вами попробовали несколько подробней разобрать лишь один вопрос, мимо которого с легкостью прошли раньше, и, как видите, узнали немало интересных и важных подробностей о работе транзисторного каскада. Много важного и интересного можно было узнать, рассмотрев подробней и другие лишь слегка затронутые нами проблемы. Например, особенности работы транзистора на высоких частотах, влияние внутренних обратных связей, зависимость параметров транзистора от температуры и уровня сигнала, изменение параметров усилителя при смене транзистора, возникновение искажений в усилителях с отсечкой и многие другие. Одним словом, мы поднялись лишь на несколько ступеней по лестнице понимания транзисторных схем, и можно еще очень долго продолжать этот подъем, всякий раз открывая для себя новые горизонты.

Кроме того, у нас есть возможность продолжить путешествие в соседние, незнакомые пока области полупроводниковой электроники. Полупроводниковый диод и транзистор – это хотя и главные, но далеко не единственные представители большой семьи полупроводниковых приборов. Так, в частности, даже у простейшего диода есть немало ближайших родственников, обладающих интересными специальностями.

Фотодиод пропускает ток лишь в том случае, когда на него падает свет. Другой специальный диод – кремниевый стабилитрон – меняет свое сопротивление при изменении тока и тем самым стабилизирует «гуляющее» напряжение. Специальный диод – варикап – устроен так, что его емкость в сильной степени зависит от приложенного напряжения, и такой диод используют в качестве конденсатора переменной емкости. Наконец, туннельный диод попал в семейство диодов только потому, что у него всего два вывода. А по своим характеристикам туннельный диод – это самый настоящий усилительный прибор.

На некотором участке вольтамперной характеристики туннельный диод обладает отрицательным сопротивлением: при уменьшении подводимого к диоду напряжения ток через него растет. Это странное явление связано с очень тонкими физическими процессами в рn ‑переходе. Если туннельный диод, работающий в режиме отрицательного сопротивления, включить, например, в контур, то он скомпенсирует потери в контуре – разумеется, за счет энергии внешней батареи – и, по сути дела, полностью заменит транзисторный генератор.

Много интересных приборов входит и в семейство транзисторов. Это, в частности, фототриод, который не только превращает вспышку света в электрический импульс, но еще и усиливает его. Это и четырехслойные управляющие приборы, например, со структурой n‑р‑n‑р , предназначенные специально для переключающих схем. Это, наконец, полевые (иногда говорят – канальные) транзисторы, в которых управление коллекторным током осуществляется «без касания» – с помощью электрического поля, как бы сужающего или расширяющего путь тока. Входная цепь такого транзистора почти не потребляет тока, и поэтому он обладает очень высоким входным сопротивлением.

Рис. 127. В современных электронных приборах используется широкий «ассортимент» физических явлений.

Развитие полупроводниковой техники пошло не только по пути создания новых приборов – новых диодов и транзисторов, – но и по пути создания в одном полупроводниковом кристалле целых электронных блоков. Представьте себе схему триггера, мультивибратора или простейшего усилителя НЧ с резистором в нагрузке. Из каких элементов состоят эти схемы? В них входят транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и соединительные провода. А все эти элементы можно изготовить из полупроводникового материала. Чтобы сделать в кристалле конденсатор, нужно создать в нем две полупроводниковые зоны с высокой проводимостью, а между ними – участок полупроводника с низкой проводимостью. Дозируя примеси, можно получить в кристалле и резистор с нужным сопротивлением или соединительную цепь с очень малым сопротивлением. И, конечно же, в полупроводниковом кристалле можно получить диод и транзистор.

А теперь представьте себе, что все эти элементы с помощью какой‑то фантастической технологии созданы в одном кристалле, причем в таких количествах, с такими данными и при таком взаимном соединении, что в итоге образовалась нужная нам схема усилителя или генератора. Это значит, что в одном кристалле мы получили целый электронный блок, получили так называемую твердую интегральную схему.

Технология, которую мы назвали фантастической, в действительности существует. И с ее помощью ученые и инженеры уже научились создавать в небольшом кристаллике самые различные твердые схемы.

Как видите, финиш нашего долгого путешествия можно одновременно считать и стартом в новые интересные области – в область более сложных и совершенных транзисторных схем, в область более глубокого их исследования и в область новых направлений полупроводниковой техники и технологии. Однако продвижение вперед по всем этим интересным направлениям– это уже новые задачи, которые в этой книге решаться не будут. Потому что задача этой книги состояла лишь в том, чтобы помочь читателю сделать трудный первый шаг в транзисторную электронику. Первый шаг, но, хочется верить, не последний.

[1]Цветные вклейки (рис. 42, 43, 44, 45) см. между стр. 128–129.

[2]Рис. 110–113 см. на цветной вклейке между стр. 288–289.