2.2. Базовые схемы на транзисторах

2.2.1Транзистор как выключатель

Типичная задача: маленький выключатель на панели (или вывод микроконтроллера) должен зажигать лампу, которая потребляет в десятки раз больше тока, чем допускает его контакт. Решение на схеме ниже — лампа 12 В, 0,25 А в коллекторе, выключатель подаёт ток в базу через резистор 470 Ом. Проследим, что происходит, пользуясь правилами из раздела 2.1.

Контакт разомкнут. В базу ничего не течёт, значит, нет и коллекторного тока — лампа не горит. Резистор 4,7 кОм от базы к общему проводу гарантирует, что база действительно на нуле, а не «ловит» наводки.

Контакт замкнут. Переход база–эмиттер открывается, база встаёт на 0,6 В, и на базовом резисторе оказывается $12-0,6=11,4$ В. Ток базы — $11,4/0,47\approx 24$ мА (резистор 4,7 кОм отбирает из него всего 0,13 мА).

Соблазнительно умножить на $\beta =100$ и получить 2,4 А в коллекторе. Это неверно: соотношение $I_{К}=\beta I_{Б}$ действует только при коллекторе выше эмиттера. Уже при 0,25 А на лампе падают все 12 В; чтобы ток вырос ещё, коллектор должен был бы уйти ниже общего провода, а неоткуда. Поэтому коллектор опускается почти до эмиттера и останавливается — транзистор в насыщенииНасыщение — внешняя цепь не может пропустить ток $\beta I_{Б}$; коллектор опускается почти до эмиттера ($U_{КЭнас}$ = 0,05–0,2 В), и ток задаёт нагрузка, а не база., на нём остаётся $U_{КЭнас}$ = 0,05–0,2 В, а лампа получает практически всё питание. Ток задаёт лампа, а не база.

Почему ток базы взят с таким запасом — 24 мА вместо необходимых $250/100=2,5$ мА? Причин две:

• у холодной нити накала сопротивление в 5–10 раз ниже, чем у раскалённой, и в момент включения лампа берёт ток в несколько раз больше номинального; с запасом по базе транзистор и в этот момент остаётся насыщенным, а не греется в активном режимеАктивный режим — переход база–эмиттер открыт, коллектор выше эмиттера хотя бы на несколько десятых вольта; только в нём $I_{К}=\beta I_{Б}$.;
• когда $U_{КЭ}$ мало, $\beta$ заметно снижается, и для глубокого насыщения нужен ток базы больше расчётного.

Резистор между базой и эмиттером (у нас — на общий провод) ставить не обязательно, но полезно: он сливает наведённые и утечечные токи и чётко держит транзистор закрытым. На включённое состояние он почти не влияет.

Как проектировать ключ

1. Базовый резистор выбирают так, чтобы ток базы был в 5–10 раз больше минимального $I_{К}/{\beta }_{мин}$, где ${\beta }_{мин}$ — гарантированное справочником значение. Для ламп это обязательно из-за броска тока. Для быстрых ключей — тоже: на частотах в единицы мегагерц сказываются ёмкости переходов и $\beta$ падает; чтобы ускорить переключение, параллельно базовому резистору ставят небольшой «форсирующий» конденсатор.
2. Если коллектор может оказаться ниже общего провода — нагрузка питается переменным напряжением или это индуктивность, — переход база–коллектор при этом откроется и пропустит ток в обратную сторону. Спасает диод последовательно с коллектором.
3. Индуктивную нагрузку всегда шунтируют диодом (схема выше). Обмотка поддерживает ток, который в ней шёл, и при резком обрыве цепи развивает $U=LdI/dt$ — об этом шла речь в разделе 1.4.

Есть у транзисторного ключа и менее очевидные достоинства. Он переключается за доли микросекунды. Один управляющий сигнал может управлять сразу несколькими нагрузками. И он позволяет управлять мощной цепью на расстоянии: к выключателю на пульте тянут только тонкий провод со слабым постоянным током, а силовая цепь остаётся короткой и находится возле нагрузки — без потерь в длинном кабеле и без ёмкостных наводок от него.

2.2.2Эмиттерный повторитель

Представьте делитель из двух резисторов по 100 кОм, с которого снимают половину питания, и нагрузку 1 кОм, которую этим напряжением надо питать. Подключите нагрузку напрямую — и от «половины» почти ничего не останется. Вставьте между ними транзистор, как на схеме ниже, — и напряжение почти не просядет. Эта схема называется эмиттерным повторителемЭмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором) — выход с эмиттера: $U_{вых}\approx U_{вх}-0,6$ В; усиления по напряжению нет, зато входной импеданс в $\beta +1$ раз больше нагрузки.: сигнал подают на базу, снимают с эмиттера, коллектор подключён прямо к шине питания, резистора в нём нет.

Работает она на уже знакомом соотношении: открытый переход база–эмиттер держит эмиттер на 0,6–0,7 В ниже базы, поэтому $U_{Э}\approx U_{Б}-0,6$ В — форма сигнала повторяется, а уровень сдвинут на одно диодное падение. С однополярным питанием и резистором на общий провод вход не должен опускаться ниже +0,6 В: иначе транзистор закроется и выход ляжет на ноль. Если же нижний конец эмиттерного резистора подключить к отрицательной шине, повторитель пропустит и отрицательные сигналы.

По напряжению выигрыша нет — коэффициент передачи чуть меньше единицы. Зато входной импеданс у повторителя во много раз больше выходного. Источник, который сам по себе «не вытянул» бы низкоомную нагрузку, через повторитель работает на неё без потери амплитуды. Повторитель усиливает ток и мощность, и это не менее ценно, чем усиление напряжения.

Почему важны импедансы источника и нагрузки

Пример с делителем — частный случай общего правила, которое пригодится на протяжении всего курса. Любой выход можно заменить идеальным источником напряжения и последовательным импедансом $Z_{вых}$, любой вход — импедансом $Z_{вх}$ на общий провод (схема выше). Вместе они дают делитель напряженияДелитель напряжения — два последовательных сопротивления; выход с нижнего: $U_{вых}=U_{вх}{R}_2/(R_1+R_2)$ (без нагрузки). из раздела 1.1, и до входа доходит только доля $Z_{вх}/(Z_{вх}+Z_{вых})$ сигнала. Отсюда требование

а в цифрах — запас примерно в десять раз: тогда подключение следующего каскада меняет сигнал всего на несколько процентов.

Иногда этим правилом можно пренебречь — например, если нагрузка постоянна, известна заранее и её влияние просто учтено в расчёте. Но и тогда удобнее, когда уровень не зависит от нагрузки. А если $Z_{вх}$ к тому же нелинеен (зависит от уровня сигнала, как у входа с диодами), «мягкий» источник вместе с ним образует нелинейный делитель и искажает сигнал; без искажений его передаст только «жёсткий» источник.

Есть и два случая, где правило работает иначе. На радиочастотах импедансы согласуют: делают $Z_{вых}=Z_{вх}$, обычно 50 Ом, — почему, станет ясно, когда речь пойдёт о линиях передачи. А если информация передаётся не напряжением, а током, требование переворачивается: $Z_{вх}\ll Z_{вых}$; у идеального источника токаИсточник тока — устройство, ток которого почти не зависит от напряжения на нагрузке (бесконечное дифференциальное сопротивление); идеал — $Z_{вых}=\infty$. $Z_{вых}$ бесконечен.

Сколько «весит» нагрузка со стороны базы и источник со стороны эмиттера

Будем считать нагрузкой сам эмиттерный резистор $R$. Если снаружи подключено что-то ещё, оно оказывается параллельно $R$, и в формулы подставляют их параллельное соединение.

В цифрах: при $\beta \approx 100$ резистор 1 кОм в эмиттере для источника на базе выглядит как 100 кОм.

Мы говорим о приращениях, потому что нас интересует малый сигнал поверх постоянного режима (о том, как этот режим задают, — в пункте о смещенииСмещение — постоянный режим транзистора (ток покоя, напряжения на выводах), при котором он работает в активном режиме в течение всего периода сигнала. ниже). Коэффициент $\beta$ для постоянного тока ($h_{21Э}$) и для малого сигнала ($h_{21э}$) вообще-то различаются, но вдали от высоких частот они близки, а нам нужна оценка, а не три знака.

Если заменить приращения комплексными амплитудами, тот же вывод проходит для любых импедансов, включая ёмкостные. Итог — пара формул, которые стоит помнить:

Строго говоря, параллельно $Z_{ист}/(\beta +1)$ на выходе стоит ещё и резистор $R$, но он обычно намного больше и почти ничего не меняет.

Поэтому повторитель встречается почти в каждой аналоговой схеме:

• как низкоомный выход — внутри устройства или на его разъёме;
• как способ сделать из «мягкого» опорного напряженияОпорное напряжение — точное и стабильное напряжение, с которым схема сравнивает выход (стабилизатор, АЦП, ЦАП, вольтметр). Его стабильность ограничивает точность всего прибора. (с делителя, с RC-цепи) «жёсткое»;
• как развязка: источник сигнала не чувствует, что подключено дальше.

Подводные камни повторителя

Несимметричный размах. Транзистор n-p-n может только отдавать ток в эмиттер, но не принимать его. Возьмём схему ниже: питание ±12 В, $R_{Э}=2,2$ кОм к −12 В, нагрузка 1 кОм на общий провод, на входе синусоида амплитудой 8 В. Вверх выход послушно идёт за входом (вплоть до почти +12 В, где транзистор насытился бы). Вниз же он опускается только до −3,75 В. Причина: когда вход становится достаточно отрицательным, транзистор закрывается, и выход определяет уже не он, а делитель из $R_{Э}$ и нагрузки между −12 В и землёй: $-12\cdot 1/(1+2,2)=-3,75$ В.

Транзистор закрывается при входе $-3,75+0,6=-3,15$ В. Дальнейшее понижение входа лишь сильнее запирает переход база–эмиттер, выход стоит на месте — нижние полуволны срезаны (график под схемой).

Ту же мысль можно выразить через импеданс: для малых отклонений выходной импеданс повторителя мал, но для большого сигнала, при котором транзистор закрывается, выход «держит» только $R_{Э}$.

Что с этим делать:

• уменьшить $R_{Э}$, т. е. поднять ток покоя, — ценой нагрева резистора и транзистора;
• перейти на двухтактный выход из n-p-n и p-n-p (см. раздел 2.4).

Та же беда подстерегает, когда в нагрузке есть свой источник: например, стабилизатор с повторителем на выходе питает узел, который сам может «подталкивать» напряжение вверх, — стабилизатор не сумеет его осадить.

Обратный пробой перехода база–эмиттер. У кремниевых транзисторов этот переход выдерживает в обратном направлении немного — часто около 6 В. Большой входной сигнал, запирающий транзистор, легко превысит этот предел; после такого пробоя $\beta$ деградирует навсегда. Защищают переход диодом, включённым встречно-параллельно ему (вторая схема выше).

Передача чуть меньше единицы. $U_{БЭ}$ не строго постоянно: оно слегка растёт с током. Насколько это важно, посчитаем в разделе 2.3 с уравнением Эберса — МоллаУравнение Эберса — Молла: $I_{К}=I_{нас}(e^{U_{БЭ}/U_T}-1)$ — ток коллектора задаётся напряжением база–эмиттер по экспоненте..

2.2.3Стабилизатор напряжения: стабилитрон и повторитель

Нужно получить ровные 9 В из нестабилизированного блока питания, у которого напряжение в зависимости от сети и нагрузки гуляет от 13 до 17 В. Самое простое решение — стабилитрон с гасящим резистором (схема ниже), знакомый по разделу 1.6. Стабилитрон держит напряжение лишь пока через него течёт ток, поэтому резистор $R$ должен пропускать больше, чем может забрать нагрузка:

Входное напряжение здесь берут самое низкое из возможных — так рассуждают при проектировании на наихудший случай. В реальной разработке к нему добавляют допуски деталей, просадки сети, нагрев и стараются найти то сочетание, при котором схеме хуже всего. Для нагрева стабилитрона наихудший случайПроектирование на наихудший случай — расчёт при самом неблагоприятном сочетании входного напряжения, нагрузки, допусков и температуры. другой:

Такой стабилизатор хорош для маломощных и некритичных цепей. Его слабости:

1. выходное напряжение задано стабилитроном, подстроить его нечем;
2. у стабилитрона конечное динамическое сопротивлениеДинамическое (дифференциальное) сопротивление — $dU/dI$ в рабочей точке; у стабилитрона — единицы–десятки ом. (от единиц до десятков ом), поэтому и пульсации на входе, и изменения нагрузки проходят на выход, хоть и ослабленными;
3. при широком диапазоне нагрузки нужен мощный стабилитрон: стоит отключить нагрузку, и вся её мощность достаётся ему.

Все три беды смягчает один транзистор (вторая схема ниже). Стабилитрон теперь не питает нагрузку, а только задаёт напряжение на базе повторителя, а ток в нагрузку отдаёт транзистор. Из резистора $R$ уходит в базу лишь доля $1/(\beta +1)$ тока нагрузки, поэтому ток стабилитрона почти не зависит от нагрузки, а его нагрев падает во столько же раз.

Резистор $R_1$ в коллекторе не обязателен для работы, но полезен: при случайном замыкании выхода он ограничит ток и спасёт транзистор. Его выбирают так, чтобы при полном токе нагрузки падение на нём было меньше, чем на $R$, — иначе коллектор опустится ниже базы и транзистор насытится.

ПульсацииПульсации — периодические колебания выпрямленного напряжения на конденсаторе фильтра; у мостового выпрямителя частота пульсаций — удвоенная частота сети (100 Гц). тока стабилитрона — а с ними и пульсации выходного напряжения — можно уменьшить ещё сильнее:

• питать стабилитрон не от резистора, а от источника тока (о нём — чуть ниже в этом разделе);
• сгладить напряжение, от которого питается стабилитрон: гасящий резистор делят на две половины и в среднюю точку ставят конденсатор на общий провод, выбирая $RC\gg 1/f$ для частоты пульсаций (последняя схема в пункте). Верхнюю половину иногда заменяют диодом.

Это, впрочем, полумеры. Настоящие стабилизаторы с обратной связью, о которых пойдёт речь дальше, позволяют плавно задавать выходное напряжение, имеют выходное сопротивление в миллиомы и температурный дрейф порядка миллионных долей на градус.

2.2.4Как задать режим повторителя по постоянному току

До сих пор мы молча подавали на базу «правильное» напряжение. В настоящей схеме его кто-то должен обеспечить. Проще всего, когда повторитель стоит после другого каскада и база подключена прямо к его коллектору (схема ниже): коллектор $T_1$ при любом сигнале находится где-то между общим проводом и $U_{КК}$, а значит, база $T_2$ тоже, и $T_2$ остаётся в активном режиме — переход база–эмиттер открыт, коллектор выше эмиттера.

Сложнее с внешним сигналом. Возьмём звуковой сигнал с линейного выхода: он колеблется вокруг нуля, а схема питается от одной батарейки +9 В. Подайте его на базу напрямую — и все отрицательные полуволны просто пропадут, потому что транзистор с положительным питанием не может опустить эмиттер ниже общего провода. Выход — передать только переменную часть через конденсатор (ёмкостная связьЁмкостная связь (связь по переменному току) — сигнал передаётся через разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую.), а постоянный уровень базы задать отдельно.

Такой постоянный режим называют смещением: транзистор должен проводить ток в течение всего периода сигнала, ни на миг не закрываясь и не насыщаясь. Самый простой способ задать смещение — делитель напряжения на базе (вторая схема ниже).

Набор постоянных напряжений и токов в отсутствие сигнала называют рабочей точкойРабочая точка (точка покоя) — постоянные напряжения и токи схемы без сигнала; задаётся смещением. (точкой покоя). Для повторителя разумная рабочая точка — эмиттер ровно посередине между общим проводом и $U_{КК}$: тогда выходу есть куда качаться и вверх, и вниз на одинаковую величину.

Чтобы делитель держал базу и не «прогибался» под её током, его выходное сопротивление должно быть заметно меньше того, что он нагружает, — сопротивления со стороны базы по постоянному току, которое, как мы знаем, примерно равно $\beta R_{Э}$. Это то же правило «запаса в десять раз», только применённое к цепи смещения:

Другая формулировка того же: ток через делитель должен во много раз превышать ток базы.

Считаем повторитель с батарейным питанием

Задача: буфер для звукового сигнала с полосой 30 Гц–15 кГц, питание от батарейки +9 В, ток покоя около 1 мА, $\beta \approx 100$.

Фильтров верхних частот в схеме два, и на нижней границе полосы их спады суммируются, поэтому ёмкости берут с запасом в 3–4 раза: $C_1=0,47$ мкФ, $C_2=4,7$ мкФ.

Двуполярное питание

Если в устройстве есть и плюс, и минус питания (схема ниже), всё упрощается: эмиттерный резистор подключают к отрицательной шине, и сигнал, «живущий» около нуля, подают на базу непосредственно — ни делителя, ни разделительных конденсаторов не нужно, рабочая точка складывается сама.

Как не надо задавать смещение

В любительских схемах часто встречается вариант «экономный»: вместо делителя — один резистор от питания к базе (схема ниже). Его подбирают так: прикидывают ток базы при $\beta =100$ и выбирают $R_{Б}$, чтобы на нём упало нужное напряжение. На макете всё работает. Беда в том, что ток покоя такой схемы задан током базы, т. е. прямо пропорционален $\beta$, а $\beta$ у соседних экземпляров отличается в разы.

У делителя ситуация другая: базу держит жёсткий источник, и $\beta$ влияет лишь через небольшую поправку. В нашем батарейном примере замена транзистора с $\beta =100$ на $\beta =200$ поднимает эмиттер с 4,17 до 4,35 В — на 0,18 В, около 4 %.

2.2.5Транзисторный источник тока

Светодиоду нужен определённый ток, а не напряжение. Аккумулятор правильно заряжать заданным током. Пилообразное напряжение получают, заряжая конденсатор постоянным током. Во всех этих случаях нужен источник тока — устройство, которое поддерживает ток через нагрузку почти неизменным, как бы ни менялось её сопротивление. О нём говорят реже, чем об источнике напряжения, но в схемотехнике он встречается на каждом шагу:

• им задают режим транзисторов — например, ток эмиттеров дифференциального каскада;
• он служит активной нагрузкой в каскадах с очень большим усилением;
• на нём строят интеграторы, генераторы пилы, стабилизаторы, усилители с широким диапазоном выходных напряженийДиапазон выходных напряжений (compliance) источника тока — в каких пределах может меняться напряжение на нагрузке, пока ток остаётся заданным.;
• постоянный ток нужен и вне электроники: при гальванике, электрофорезе, электрохимических измерениях.

Можно ли обойтись резистором

Самое простое решение — высокое напряжение и последовательный резистор (схема ниже). Если на нагрузке падает намного меньше, чем на резисторе ($R_{н}\ll R$, $U_{н}\ll U$), ток почти не зависит от нагрузки: $I\approx U/R$. По этому принципу, кстати, работает и зарядка конденсатора через большой резистор от высокого напряжения — пока конденсатор заряжен слабо, мы находимся на почти прямом начале экспоненты.

Но платить за это приходится дорого:

• чем ближе к идеалу, тем выше нужно напряжение;
• резистор рассеивает намного больше мощности, чем получает нагрузка;
• управлять таким током от сигнала внутри схемы неудобно.

Источник тока на одном транзисторе

Возьмём схему из раздела 2.1, где мы обнаружили, что ток эмиттера не зависит от $\beta$, и посмотрим на неё по-новому (вторая схема выше). На базу подано постоянное напряжение $U_{Б}>0,6$ В, переход база–эмиттер открыт, эмиттер на 0,6 В ниже базы, и через $R_{Э}$ идёт ток

Коллекторный ток отличается от эмиттерного лишь на ток базы, и при большом $\beta$ $I_{К}\approx I_{Э}$. Самое важное: в формулу не входит напряжение на коллекторе. Нагрузка между питанием и коллектором может быть любой — ток через неё тот же, — до тех пор, пока транзистор не насытится, т. е. пока $U_{К}>U_{Э}+0,2$ В.

Чем задать напряжение на базе

Варианты показаны на схеме ниже. Делитель (а) подходит, если его выходное сопротивление намного меньше того, что «видно» в базу, — $\beta R_{Э}$. В нашем примере плечи 6,8 и 1,5 кОм дают выходное сопротивление 1,2 кОм против примерно 150 кОм со стороны базы, так что даже заметные изменения $\beta$ (а $\beta$ немного меняется и с напряжением на коллекторе) база почти не замечает.

Вместо делителя годится стабилитрон, питаемый от $U_{КК}$ (б), или цепочка диодов в прямом направлении между базой и шиной, к которой подключён эмиттер (в). Резистор, питающий стабилитрон или диоды, выбирают так, чтобы через них шли единицы миллиампер.

Вариант в выполнен на p-n-p-транзисторе: он отдаёт ток в нагрузку, другой конец которой на общем проводе. Схемы на n-p-n, строго говоря, ток не отдают, а принимают — нагрузка включена между питанием и коллектором, — но по традиции и те и другие называют источниками тока.

Рабочий диапазон

Бесконечно поддерживать ток не может ни один источник — иначе на большой нагрузке он отдавал бы бесконечную мощность. Интервал напряжений на выходе, в котором ток действительно держится, называют рабочим диапазоном (в английской литературе — compliance). Для транзисторного источника граница простая: транзистор должен оставаться в активном режиме, коллектор не должен приближаться к эмиттеру.

Когда в нагрузке есть собственные источники (скажем, заряжаемый аккумулятор), коллектор может оказаться даже выше $U_{КК}$. Тогда проверяют два ограничения: $U_{КЭ}$ не должно достигать пробивного напряжения, а мощность $I_{К}{U}_{КЭ}$ — превышать допустимую; у мощных транзисторов к этому добавляется область безопасной работыОбласть безопасной работы (ОБР) — допустимые сочетания тока и напряжения на графике $I(U)$; у биполярных транзисторов её урезает вторичный пробой. (раздел 6.2).

Напряжение на базе не обязано быть постоянным. Подайте на базу сигнал — и получите управляемый источник тока: $\Delta I=u_{вх}/R_{Э}$. Единственное условие — эмиттер не должен опускаться до нуля ни в какой момент, иначе транзистор закроется.

Насколько он хорош: эффект Эрли и температура

Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление: ток не меняется вообще. У транзисторного ток всё же немного зависит от напряжения на нагрузке, и причин две.

Первая — зависимость от $U_{КЭ}$. При неизменном токе коллектора напряжение $U_{БЭ}$ и коэффициент $\beta$ слегка меняются с напряжением коллектор–эмиттер. Это эффект Эрли: с ростом $U_{КЭ}$ сужается эффективная толщина базы. Последствия:

• база закреплена, а $U_{БЭ}$ сдвигается — значит, сдвигается эмиттер и меняется ток через $R_{Э}$;
• меняется $\beta$ — значит, чуть иначе делится ток эмиттера между базой и коллектором ($I_{К}=I_{Э}-I_{Б}$), а ток базы чуть иначе нагружает делитель.

Величины небольшие. У типичного малосигнального транзистора при изменении напряжения на нагрузке на 8 В ток меняется на десятые доли процента из-за эффекта Эрли и примерно на 0,2 % из-за нагрева — ведь вместе с $U_{КЭ}$ меняется и рассеиваемая мощность. Изменение $\beta$ при жёстком делителе даёт лишь сотые доли процента. Эффект Эрли удобно описывать одним коэффициентом:

Вторая — температура. При нагреве $U_{БЭ}$ уменьшается примерно на 2,1 мВ/°C, а $\beta$ растёт. Ток поэтому уходит и при изменении температуры в помещении, и от собственного нагрева транзистора.

Температурный уход $U_{БЭ}$ можно погасить вторым переходом с такой же зависимостью (схема ниже). Транзистор $T_2$ включён p-n-p-повторителем: его эмиттер на одно $U_{БЭ}$ выше опорного напряжения делителя, а эмиттер $T_1$ — на одно $U_{БЭ}$ ниже своей базы. Два сдвига взаимно вычитаются, и эмиттер $T_1$ стоит ровно на опорном напряжении, как бы ни менялась температура (если транзисторы нагреты одинаково). $R_1$ питает $T_2$ током и заодно пропускает ток базы $T_1$.

Как сделать источник лучше

Самый дешёвый приём — поднять эмиттер, хотя бы до 1 В. Милливольтовые сдвиги $U_{БЭ}$ (от нагрева или эффекта Эрли) при неподвижной базе прямо переходят в изменение напряжения на $R_{Э}$, а относительная погрешность тока равна отношению этого сдвига к $U_{Э}$. Сравните: при базе на 0,7 В и эмиттере на 0,1 В сдвиг $U_{БЭ}$ на 10 мВ меняет ток на 10 %, а при эмиттере на 1,0 В — только на 1 %.

Радикальнее решает задачу каскод (вторая схема выше). Нижний транзистор $T_1$ — обычный источник тока, но его коллектор подключён не к нагрузке, а к эмиттеру $T_2$, чья база сидит на постоянных +3 В. Эмиттер $T_2$ поэтому неподвижен (2,4 В), и у $T_1$ постоянны и $U_{КЭ}$, и рассеиваемая мощность, как бы ни менялось напряжение на нагрузке. Ток $T_2$ передаёт нагрузке почти без потерь — его эмиттерный и коллекторный токи различаются лишь на ток базы. В итоге погрешности от эффекта Эрли и нагрева у $T_1$ исчезают.

Ток каскодного источника меняется примерно на 0,1 % во всём рабочем диапазоне; чтобы такая точность имела смысл, и резисторы нужны соответствующие — с допуском 1 % и стабильные. Каскод ещё встретится нам в высокочастотных усилителях (раздел 2.4).

Ещё лучше источники тока на операционных усилителях: обратная связь в них полностью убирает влияние $U_{БЭ}$. С влиянием $\beta$ борются выбором транзистора с большим $\beta$ — тогда ток базы составляет ничтожную долю эмиттерного.

Наконец, источник, которому безразлично напряжение питания (последняя схема пункта). Здесь опорой служит переход база–эмиттер транзистора $T_2$. Как только напряжение на $R_2$ дорастает до его $U_{БЭ}$, $T_2$ открывается и уводит часть тока, текущего через $R_1$ в базу $T_1$; так $T_2$ не даёт напряжению на $R_2$ превысить одно $U_{БЭ}$, и

$R_1$ задаёт ток $T_2$ и потенциал базы $T_1$ — она на два $U_{БЭ}$ выше общего провода, поэтому коллектор $T_1$ может опускаться почти до 1,4 В. Платой за простоту служит температурная зависимость: напряжение на $R_2$ падает вместе с $U_{БЭ}$ на 2,1 мВ/°C, и ток уменьшается примерно на 0,35 % на градус.

2.2.6Усилитель с общим эмиттером

У нас уже есть источник тока, которым можно управлять напряжением на базе. Осталось сделать шаг: включить в коллектор резистор $R_{К}$. Ток через него задан транзистором, значит, напряжение на коллекторе $U_{К}=U_{КК}-I_{К}{R}_{К}$ меняется вместе с напряжением на базе. Подадим на базу через конденсатор переменный сигнал — и коллектор начнёт качаться с заметно большей амплитудой. Пример на схеме ниже.

Сначала постоянный режим. Делитель 56 кОм / 6,2 кОм от +12 В даёт на базе 1,16 В, эмиттер на 0,6 В ниже — 0,56 В, и через $R_{Э}=560$ Ом идёт ток покоя 1 мА. Он же течёт через $R_{К}=5,6$ кОм, на котором падает 5,6 В, так что коллектор в покое на $12-5,6=6,4$ В — примерно посередине, есть куда качаться.

Разделительный конденсатор вместе с входным сопротивлением каскада образует фильтр верхних частот, и его выбирают так, чтобы срез лежал ниже самой низкой рабочей частоты:

Сопротивлением со стороны базы здесь пренебрегли: обычно оно заметно больше, чем у делителя.

Теперь сигнал. Пусть база сдвинулась на малую величину $u_{Б}$. Эмиттер повторяет базу, $u_{Э}=u_{Б}$, поэтому ток эмиттера меняется на $i_{Э}=u_{Б}/R_{Э}$; ток коллектора при большом $\beta$ меняется практически так же. Этот добавочный ток проходит через $R_{К}$, и коллектор смещается на

Знак минус потому, что рост тока увеличивает падение на $R_{К}$ и коллектор опускается.

Получился усилитель напряжения:

У нас $K=-5600/560=-10$: входной сигнал амплитудой 0,1 В превращается в 1 В на коллекторе, перевёрнутый по фазе. Полное название схемы — усилитель с общим эмиттером и отрицательной обратной связьюОтрицательная обратная связь (ООС) — часть выхода подаётся на вход так, что вычитается из входного сигнала. Усиление падает, зато схема становится линейной и предсказуемой. через эмиттерный резистор: именно $R_{Э}$ делает усиление предсказуемым, не зависящим от транзистора.

Что видит источник и что видит нагрузка

Источник сигнала нагружен тремя параллельными ветвями: $R_1$ (56 кОм), $R_2$ (6,2 кОм) и сопротивлением со стороны базы $\beta R_{Э}\approx 56$ кОм. В сумме около 5,1 кОм, и решает здесь $R_2$. С конденсатором 0,47 мкФ это даёт срез около 67 Гц, а выше этой частоты конденсатор можно считать перемычкой.

Со стороны выхода видно $R_{К}$ параллельно выходному сопротивлению самого коллектора. Без $R_{К}$ схема была бы чистым источником тока, а у коллектора дифференциальное сопротивлениеДифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитрона $r_{\text{д}}=\Delta U/\Delta I$ — наклон его характеристики в рабочей точке: на сколько вольт сдвигается напряжение на ампер изменения тока. огромно — мегаомы. Поэтому выходное сопротивление каскада практически равно $R_{К}=5,6$ кОм. Сравните с повторителем: там всё наоборот.