Точно так же связаны между собой и изменения всех трех токов. Если, например, подняв напряжение Eэб, увеличить в два раза эмиттерный ток Iэ, то одновременно в два раза возрастут и оба порождаемые им тока Iк и Iб. При этом сумма Iк + Iб опять-таки останется равной Iэ. Да иначе и быть не может: ведь эмиттерный ток распределяется только между этими двумя слагающими.
В дальнейшем нас будут интересовать не только токи, напряжения и сопротивления, но и изменения этих величин. Поэтому давайте сразу же договоримся о том, как сокращенно записывать само слово "изменение". Очень малые изменения той или иной величины принято обозначать греческой буквой Δ ("дельта"), и, пользуясь этим, все, что мы только что сказали о взаимной связи между изменениями токов в транзисторе, можно записать так:
Δ Iэ= ΔIк + ΔIб
В переводе на русский наша запись может звучать так: "Изменение эмиттерного тока равно сумме соответствующих изменений коллекторного тока и тока базы".
Для подопытной схемы, которую мы сейчас разбираем (рис. 35), введен особый показатель использования поступивших из эмиттера зарядов. Он называется коэффициентом усиления по току, обозначается греческой буквой α и численно равен:
α = ΔIк:ΔIэ
Коэффициент α показывает, какая часть эмиттерного тока достается коллекторному току. Смысл этого коэффициента проще всего уяснить на числовом примере: если при изменении тока эмиттера на 10 миллиампер, ток коллектора увеличится на 8 миллиампер, то α = 8:10 = 0,8. А это значит, что заряды, поставляемые эмиттером в базу, на 80 % используются для создания нужного нам коллекторного тока. Насколько же реальна такая цифра?
Рис. 35.Коэффициент усиления по току α показывает, какая часть вышедших из эмиттера зарядов участвует в создании коллекторного тока.
Уменьшая толщину базы и принимая ряд других мер в современных транзисторах, удается довести коэффициент α в среднем до 0,95-0,99. Это значит, что коллекторный ток (строго говоря, речь идет об изменениях тока, то есть ΔIэ, ΔIк, ΔIб) составляет 95–99 % эмиттерного тока Iэи лишь 1–5 % приходится на базовый ток. Иными словами, из каждой сотни зарядов, попавших в базу из эмиттера, лишь 1–5 уходят на "минус" батареи Бэ и через нее возвращаются в эмиттер, так ничего полезного и не сделав. Зато остальные 95–99 зарядов из ста добираются до коллекторного перехода, меняют его сопротивление, создают в коллекторной цепи постоянный ток, из которого в итоге и образуется мощная копия усиленного сигнала.
Выяснив все это, подключим к нашему транзистору, кроме источников питания, еще два элемента: источник усиливаемого сигнала и резистор Rн - нагрузку, на которой должен выделяться усиленный сигнал. Естественно, что усиливаемый сигнал вводится в эмиттерную цепь, а усиленный извлекается из коллекторной (рис. 36).
Рис. 36.Вместе с усиливаемым сигналом к транзистору подводится постоянное напряжение (смещение), и благодаря этому эмиттерный рn-переход всегда включен в прямом направлении.
После того как в цепи эмиттер - база появился входной сигнал Uсиг, так и хочется задать вопрос: а для чего же здесь теперь нужна батарея Бсм (она заменила батарею Бэ)? И чем постоянное напряжение Uсм (оно действует так же, как и Eэб) может помочь напряжению сигнала Uсиг?
Когда мы мысленно экспериментировали с транзистором, смотрели, куда в нем движутся заряды, то постоянное напряжение выполняло, если можно так сказать, учебные функции. Теперь же во входной цепи транзистора появился ее настоящий хозяин - усиливаемый сигнал. Нужно ли и после этого сохранять батарею Бэ (Бсм)? Оказывается, нужно.
Постоянное напряжение Uсм называется напряжением смещения, а созданный этим напряжением постоянный ток Iсм - током смещения. Мы договорились, что эмиттерный переход обязательно должен быть включен в прямом направлении (на этом, собственно говоря, и основан сам принцип работы транзистора), а значит, на базе всегда должен быть "минус" относительно эмиттера. (Не забудьте: "минус" на базе должен быть только в транзисторах р-n-р, где от эмиттера к базе движутся положительные заряды - дырки. В транзисторах n-р-n, где основные носители заряда в эмиттере - электроны, на базе всегда должен быть "плюс" относительно эмиттера.) Если бы во входную цепь транзистора мы ввели усиливаемый сигнал без смещения, то на базе появлялся бы то "плюс", то "минус": ведь Uсиг - это как-никак переменное напряжение.
То, что напряжение на базе меняется, - это хорошо. В этих изменениях как раз и записано все, что принес сигнал. Плохо лишь то, что, изменяясь, напряжение на базе временами залезает в запретную зону. Плохо и то, что моментами на базе появляется "плюс" и эмиттерный рn-переход запирается. Переход в этом случае просто работает как диод в выпрямителе, в его цепи появляется импульсный ток, и спектр этого тока, форма его графика (а значит, спектр и форма графика коллекторного тока, который является копией эмиттерного) уже не похожи на усиливаемый сигнал Uсиг. Проще говоря, если входное напряжение принесло с собой приятный голос диктора, то входной, а вместе с ним и выходной ток могут превратиться в рычание тигра.
Можно ли избежать этого? Можно ли, не трогая самого входного напряжения, сделать так, чтобы на базе никогда не появлялся "плюс" и чтобы график входного тока был таким же, как и график входного напряжения? Можно. И очень просто. Нужно вместе с переменным напряжением подать на базу еще и постоянный "минус". Постоянное напряжение не изменит самой формы сигнала, а лишь сместит его; отсюда и само слово "смещение" - в сторону "минуса" (рис. 36).
Все это можно проиллюстрировать простой аналогией. Во время вечера аттракционов в школе вам предложили с завязанными глазами нарисовать на листе бумаги простенькую фигуру. Вы сразу же начали рисовать неправильно - неточно нашли середину листа бумаги, съехали в сторону. Рисунок получается хороший, но только половина его попадает не на бумагу, а на стол. Что же нужно сделать, чтобы помочь вам?
Нужно лишь сдвинуть, сместить руку на некоторое постоянное расстояние, подвести к ней "постоянное смещение". При этом карандаш будет делать все то, что он и делал, но уже не попадет на территорию стола.
Итак, напряжение Uсиг усиливаемого сигнала суммируется с постоянным напряжением Uсм. В некоторые моменты общее напряжение между эмиттером и базой Uэб растет, в некоторые моменты - уменьшается, но оно всегда остается прямым напряжением. И, следуя за всеми изменениями, меняется и прямой ток Iэ во входной цепи транзистора. Точно так же меняется и коллекторный ток Iк, который теперь уже проходит по резистору нагрузки Rн (рис. 37).