Качели

Л. — Хорошо, допустим, что ты прикладываешь между базой и эмиттером переменное напряжение с амплитудой примерно в 20 мВ, которое создаст изменения тока базы с амплитудой в 0,1 мА по одну и по другую сторону от среднего тока, величина которого в точке Р составляет 0,2 мА.

Н. — В результате ток базы изменяется, принимая следующие крайние значения:

0,2 + 0,1 = 0,3 мА и 0,2–0,1 = 0,1 мА.

Л. — Совершенно верно, при первом значении мы достигнем на нашей прямой точки В (где нагрузочная прямая пересекает кривую I_б = 0,3 мА), а при втором значении мы дойдем до точки Г (место пересечения с кривой I_б = 0,1 мА).

Н. — Значит, мгновенные значения u_к и i_к колеблются между точками В и Г вдоль нагрузочной прямой, как если бы они качались вокруг точки равновесия Р.

Л. — Правильно, ты видишь, что напряжение коллектора колеблется в обе стороны от точки Р между 3,2 и 6,8 В.

Н. — Следовательно, амплитуда составляет 1,8 В, так как средняя точка Р соответствует напряжению 5 В. И если это происходит при амплитуде напряжения на базе 20 мВ = 0,02 В, то можно ли сделать вывод, что усиление по напряжению составляет 1,8:0,02 = 90 раз?

Л. — Пожалуйста. А каково усиление по току?

Н. — Его рассчитать нетрудно. Между точками В и Р, с одной стороны, и Г и Р — с другой, изменения тока коллектора достигают 7 мА. Происходят же они вследствие изменения тока базы на 0,1 мА. Следовательно, усиление по току составляет 7:0,1 =70 раз.

Л. — Я начинаю думать, что ты, совершая набеги на рыбный магазин, изрядно зарядил свой мозг фосфором… Теперь ты понимаешь, что мощность, которая выражается произведением напряжения на ток, подвергалась усилению в…

Н. — …90 х 70 = 6300 раз. Просто колоссально!

Берегись искажений

Л. — Совершенно нормально, но я хотел, чтобы ты понял, что амплитуда переменного напряжения на коллекторе не должна превышать 4,5 В. При такой амплитуде значения u_к и i_к будут перемещаться вдоль всей нагрузочной прямой от точки А до точки Б. Действительно, допустив, что рабочая точка находится строго посередине линии АБ, мы увидим, что один полупериод достигает одного конца этой линии, а другой — противоположной точки.

Н. — Одним словом, это предельные мгновенные значения напряжения коллектора u_к?

Л. — Да, но не следует допускать его падения до нуля (точки Б), так как характеристики там перестают быть прямыми. Ты видел на рис. 47 и еще более ясно на рис. 49, как резко они изгибаются при малых значениях U_к. Вот почему остается зона в несколько долей вольта, именуемая областью насыщен и я, вхождение в которую запрещено из-за искажений.

Н. — А не полезно ли в связи с этим немного сдвинуть точку Р с середины прямой АБ в сторону большего напряжения?

Л. — Конечно, если хотят быть требовательными. Вот почему мы выбрали для этой точки напряжение 5 В^[13].

Н. — У меня сложилось впечатление, что 275 Ом в качестве нагрузочного резистора R_н ты взял тоже не случайно. Что было бы при ином сопротивлении?

Букет из прямых

Л. — Вот несколько нагрузочных прямых для больших или меньших нагрузок (рис. 53). На нагрузке 1000 Ом мощность выделяется меньшая, так как мы располагаем меньшими амплитудами изменений токов как на входе (тока базы), так и на выходе (тока коллектора). Нагрузки с сопротивлением, меньшим 275 Ом, увеличивают амплитуды и мощности, но, используя такие нагрузки, мы попадаем в запрещенную область мощностей выше 75 мВт.

Рис. 53. Нагрузочные прямые для различных сопротивлений резистора R_н. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше наклон линии нагрузки. При R_н = 0 линия нагрузки поднимается вертикально.

Н. — Так вот почему ты, великий хитрец, избрал эту величину 275 Ом, которая позволяет получить нагрузочную кривую в виде касательной к гиперболе, обозначающей предельную допустимую мощность… Минутку, я вижу, что ты даже провел нагрузочную кривую для R_н = 0.

Л. — Да, Незнайкин, эта строго вертикальная прямая линия — единственная среди наших нагрузочных прямых, описывающая статический режим транзистора. Разве при отсутствии сопротивления нагрузки напряжение на коллекторе не остается постоянным и неизменным?

Н. — Это очевидно. Но разве раньше не изучали мы с тобой другие сопротивления нагрузки, кроме банального омического сопротивления? Я помню симпатичное семейство реактивных сопротивлений, с которыми мы тогда познакомились: индуктивности, колебательные контуры (рис. 54)…

Рис. 54. В качестве нагрузки может использоваться не только омическое сопротивление. На этом рисунке нагрузкой служит колебательный контур LC, настроенный на частоту сигнала.

Л. — Ты хорошо сделал, что напомнил мне о них. Разумеется, что при расчете такого рода цепей часто не учитывают омическое сопротивление катушек постоянному току. В этих условиях рабочая точка коллектора совпадает с напряжением источника питания Е_к-э. Тогда без риска изменить полярность коллектора можно допуская на реактивных сопротивлениях напряжения, амплитуда которых достигает величины Е_к-э. При этом точка А (где обычная нагрузочная прямая пересекает горизонтальную ось U_к) может соответствовать удвоенной величине напряжения батареи Е_к-э. Так, если оно равно 9 В, то точка А находится при напряжении 18 В.

Н. — Подводя итоги, следует сказать, что для проведения нагрузочной прямой я ставлю точку А, откладывая на горизонтальной оси величину Е_к-э, если в цепь коллектора непосредственно включена омическая нагрузка (R_н), или 2Е_к-э, если в качестве нагрузки выступает эквивалентное сопротивление R_э, цепей, содержащих реактивности и обладающих малым сопротивлением постоянному току (колебательный контур, трансформатор). Соответственно точку Б я ставлю на вертикальной оси, откладывая Е_к-э/R_н и Е_к-э/R_э(где R_э — эквивалентные сопротивления нагрузки) в зависимости от характера сопротивления нагрузки (рис. 55).