Л. — Осторожнее, мой друг! Еще раз говорю тебе: остерегайся поспешных выводов. У ламп коэффициент усиления представляет собой отношение двух напряжений, у транзисторов — это отношение двух токов. Точно так же, говоря о внутреннем сопротивлении ламп, имеют в виду часто выходное сопротивление, тогда как у транзисторов, как мы уже видели, говорят о входном сопротивлении или сопротивлении эмиттер — база. И, как всякое сопротивление, оно представляет собой отношение напряжения к величине тока, как сказал бы покойный физик Ом.
Н. — Или, строго говоря, это — отношение малого изменения напряжения базы к вызываемому им малому изменению тока базы. А применяя для обозначения этих малых изменений милые твоему сердцу «дельты», я бы написал следующую формулу входного сопротивления:
Л. — Незнайкин, не съел ли ты гигантскую камбалу, фосфор которой заставляет твою голову так интенсивно работать? Коль скоро ты продемонстрировал свои способности, попробуй-ка рассчитать по одной из своих кривых входное сопротивление твоего транзистора?
Н. — Нет ничего проще. Для этого нужно вернуться к кривой на рис. 44, показывающей, как изменяется Iб в зависимости от Uб. Мы видим, что при переходе от 0,5 к 0,6 В ток изменяется примерно на 1 мА, a Rвх, как известно, можно рассчитать, разделив 0,1 на 1, что даст нам 0,1 Ом.
Л. — Не стыдно ли тебе, Незнайкин, в твои годы путать миллиамперы с амперами?
Н. — О, прости! Я должен был разделить 0,1 В на 0,001 А, что даст мне Rвх = 100 Ом.
Очень полезное соотношение
Л. — Вот это лучше, А чтобы наказать тебя за эту ужасную ошибку, я дам тебе решить небольшую задачу: помножь крутизну на внутреннее сопротивление, используя определения этих величин.
Н. — Ну, это просто:
Раньше я сомневался, что когда-нибудь справлюсь с подобными задачами. Итак, усиление по току[11] равно произведению крутизны на входное сопротивление. Это напоминает мне соотношение, выведенное ранее для ламп: μ = SRi, где Ri, однако, обозначает внутреннее сопротивление.
Л. — Можешь ли ты проверить, соответствует ли это равенство параметрам, которые ты рассчитал для своего транзистора?
Н. — По кривой на рис. 45 в районе 0,5 В крутизна составляет 500 или 600 мА/В, или в среднем 0,55 А/В. Если умножить крутизну на входное сопротивление в той же точке (а там оно равно 100 Ом), то получим 55, что как раз соответствует найденному нами усилению по току.
Л. — Все к лучшему в этом лучшем из миров! Заметь попутно, Незнайкин, что обычно коэффициент усиления почти не изменяется от увеличения тока коллектора. Что же касается крутизны, то, как мы видели, она возрастает при повышении тока Iк.
Н. — Отсюда я делаю вывод, что если наше равенство SRв = β остается в силе, то при увеличении тока коллектора входное сопротивление должно снижаться.
Все кривые на одном графике
Л. — Устами младенца глаголет истина… А теперь надо сказать, дорогой друг, что различными данными, распыленными по снятым тобой кривым, будет значительно легче пользоваться, если ты возьмешь на себя труд составить по результатам своих измерений график, показывающий, как изменяется ток коллектора при изменении напряжения на нем.
Н. — Если я правильно понял, речь идет о кривых, аналогичных кривым, характеризующим анодный ток в зависимости от анодного напряжения.
Л. — Совершенно верно.
Н. — А при каком напряжении на базе я должен снимать такие кривые?
Л. — Вычерти серию кривых для ряда значений Uб. Установи, например, для начала 0,2 В. Затем начиная от нуля повышай постепенно напряжение на коллекторе и записывай соответствующие значения тока Iк (рис. 47).
Рис. 47. Зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектора Uк при различных значениях базы Uб и тока базы Iб (для того же транзистора средней мощности, что и на рис. 44–46).
Н. — Это очень любопытно. Начиная от нуля ток достигает 20 мА при напряжении менее 2 В и затем совершенно перестает возрастать, даже если напряжение на коллекторе довести до 24 В. Чем это объяснить?
Л. — Ты столкнулся с явлением насыщения. Когда все носители зарядов, вызванные к жизни приложенным между базой и эмиттером напряжением, участвуют в образовании тока коллектора, ты можешь сколько угодно повышать напряжение коллектора…
Н. — …Самая красивая девушка в мире не может дать больше, чем она имеет.
Л. — Теперь, когда ты снял кривую при Uб = 0,2 В, можешь снять другие кривые, например, при Uб = 0,3 В и т. д. Впрочем, ты можешь устанавливать не то или иное значение напряжения базы, а ряд значений тока базы Iб. Кривые для такого случая показаны на рис. 47 пунктиром. Как видишь, мы можем получить два семейства кривых, показывающих зависимость тока коллектора от напряжения коллектора при различных значениях либо напряжения базы, либо тока базы. Говорят, что эти последние значения, которые устанавливаются для каждой из кривых, являются параметрами семейства характеристик.
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 Iа пентода от анодного напряжения Uа 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 Iб 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 β = 55:1 = 55. Это достаточно просто… но что за странная кривая спускается слева направо, которую ты пометил надписью 350 мВт (рис. 47)?
