Шаг за шагом. Транзисторы

Из всех высказанных предложений остановимся на двух.

Первое предложение. Ввести регулярные круглогодичные тренировки и занятия по тактике футбола, улучшить физическую подготовку, условия отдыха и питание игроков. Результат — усиление команды.

Второе предложение. Тренера сменить, команду расформировать, пригласить новых, более сильных игроков. Результат — усиление команды. Правда, в этом случае фактически произойдет не усиление, а замена команды. Но это уже деталь, которая в данном случае никого не интересует. Болельщикам важен только результат — футбольная команда «Шайба» стала играть лучше. А разве это не усиление команды «Шайба»?

Примерно в таком же смысле применяется слово «усиление» и в радиоэлектронике. Если у нас был слабый электрический сигнал, а затем был создан такой же, но более мощный сигнал, то мы говорим, что произошло усиление сигнала, хотя правильнее было бы говорить о замене. Самым сложным здесь, так же как и при усилении футбольной команды путем замены игроков, является сам процесс создания «мощной копии» усиливаемого сигнала. Об этом процессе мы сейчас и поговорим.

Итак, при усилении слабого электрического сигнала создается такой же, но только более мощный сигнал. Но что означает в данном случае понятие «такой же»? Какие черты слабого, усиливаемого сигнала должны сохраниться в мощном, в усиленном? Если эти сигналы — слабый и усиленный — различаются по мощности, то в чем же они тогда должны быть похожи?

При усилении нужно сохранить форму сигнала, характер его изменения. Дело в том, что электрический сигнал — это изменяющийся ток. И именно в характере его изменения — в скорости, в «резкости» или «плавности» нарастания (или убывания) тока — и записана та информация, те сведения, которые этот сигнал переносит. Только характером изменения отличается ток, который возникает в микрофонной цепи, когда вы произносите «а», от тока, который возникает при произнесении звука «о». Только характером изменения отличается ток, создающий на экране телевизора изображение лошади, от тока, создающего на том же экране портрет осла. Отсюда вывод: при усилении нужно сохранить сам характер усиливаемого сигнала, характер изменения электрического тока.

Согласитесь, что «характер изменения» очень уж расплывчатое понятие. И если мы хотим не потерять при усилении этот самый «характер», то должны научиться описывать его конкретно и точно.

Описывать характер изменения тока словами не только неудобно, но просто невозможно. Представьте себе такое описание. «Достигнув двух миллиампер, ток в течение половины микросекунды оставался неизменным, затем начал равномерно нарастать и уже через пять тысячных микросекунды достиг трех с четвертью миллиампер. После этого ток плавно, но со все возрастающей скоростью в течение четырех микросекунд уменьшался, приближаясь, но так и не приблизившись к величине, от которой он начал возрастать, после чего…» и т. д.

Много томов понадобилось бы, чтобы подобным способом рассказать, что происходит с каким-нибудь одним электрическим сигналом в течение нескольких секунд. Нет, описывать электрический сигнал словами, конечно, не стоит: для этого есть более простые и наглядные способы описания. И среди них прежде всего графики (рис. 3).

Рис. 3. Информация, которую несет электрический сигнал, записана в изменениях тока (напряжения) в форме графика этого сигнала.

График — это особый деловой рисунок, такой же, скажем, как географическая карта или чертеж. График тока показывает, как меняется этот ток с течением времени, каких значений он достигает в тот или иной момент. Горизонтальная ось графика, подобно циферблату часов, размечена в единицах времени, а по вертикальной оси откладывается значение тока или напряжения. Разумеется, это относится лишь к графику, описывающему характер электрического сигнала. Существует множество других графиков, которые показывают совершенно другие зависимости и соответственно имеют другую разметку осей. Встреча с некоторыми из них у нас еще впереди.

Сама линия, показывающая, как изменяется ток с течением времени, называется кривой тока или графиком тока. Это, конечно, не очень строгие выражения, но они уже давно существуют в языке математиков и инженеров, и мы будем этими выражениями пользоваться без всяких оговорок.

Итак, сохранить характер сигнала при усилении — это значит создать более мощный сигнал, график которого по форме был бы таким же, как и график слабого, усиливаемого сигнала. Иными словами, график усиливаемого сигнала и построенный в ином масштабе график усиленного сигнала (деления на вертикальной шкале нужно сжать во столько же раз, во сколько усиливается сигнал) должны быть одинаковыми (рис. 4).

Рис. 4. Усилить сигнал — это значит создать более мощный сигнал, но с неизменной формой графика.

Теперь уже, пожалуй, можно определить, из каких основных узлов должен состоять любой электронный усилитель сигналов. Во-первых, в нем должен быть источник энергии, которая и пойдет на создание мощного, усиленного сигнала. Во-вторых, в усилителе должен быть своего рода копировальный аппарат — устройство, которое, используя энергию имеющегося источника и взяв за образец слабый усиливаемый сигнал, создаст по его подобию новый, мощный сигнал.

Здесь уместно такое сравнение. Представьте, что у вас есть маленькая скульптурка и вам хочется сделать такую же точно скульптуру больших размеров. Что для этого нужно?

Во-первых, нужен большой кусок глины или другого материала, из которого можно было бы слепить большую скульптуру.

Ну, а во-вторых, нужен скульптор, который сумеет, глядя на маленький образец, создать его большую копию из бесформенного куска. В электронном усилителе энергию, которую дает мощный источник, можно сравнить с большим куском глины, а «копировальный аппарат» должен делать примерно то же, что и скульптор в нашем примере.

Что касается источника энергии, то здесь дело обстоит просто: его роль прекрасно выполняет батарея или выпрямитель, дающий постоянный ток. Из постоянного тока сравнительно просто можно «лепить» самые сложные по форме сигналы. Был бы только «скульптор». А вот с ним-то дело обстоит намного сложнее.

Сейчас мы начнем поиски скульптора, начнем поиски устройства, которое может слепить из постоянного тока мощную копию слабого сигнала. Поиски в итоге приведут к транзистору: усиление сигнала, точнее, лепка мощного сигнала по образцу слабого, — это и есть главная роль, которую играет транзистор в электронной аппаратуре.

Конечная цель наших поисков недалека. Но не будем торопиться. Давайте пройдем свой путь, как подобает настоящим следопытам. Давайте внимательно присматриваться к дороге, при любой остановке задумываться, куда идти дальше, и, конечно, отмечать на карте все интересное, что встретится в пути.

Прежде чем отправляться в дорогу, попытаемся как-то изобразить на путевой карте свои исходные позиции.

Начнем с того, что нарисуем источник энергии для создания усиленного сигнала — батарею Б (рис. 5).

Рис. 5. Источником энергии для создания усиленного сигнала может служить батарея.

Подключим к батарее резистор R_вых (почему мы назвали этот резистор «выходным» — сокращенно «вых», — будет объяснено немного позже) и создадим таким образом замкнутую цепь. Теперь батарея Б не бездействует, а гонит по этой цепи постоянный ток. Из него-то мы и будем лепить мощную копию слабого сигнала.