Эмиттерный повторитель на полевом транзисторе

2.5.2. Эмиттерный и истоковый повторители

Эмиттерным и истоковым повторителями называются каскады, охваченные стопроцентной последовательной отрицательной обратной связью. Поэтому ос­новные свойства этих каскадов достаточно близки, а существенные отличия обу­словлены несовпадением характеристик используемых транзисторов. Типовая схема эмиттерного повторителя показана на рисунке 6.10. Характеристи­ка этой схемы: транзисторный усилитель тока с общим коллектором, фикси­рованным напряжением смещения, последовательным коллекторным питанием и резисторно-емкостной связью с последующим каскадом. Здесь коллектор является общим электродом, поскольку он соединен с кор­пусом по переменному току через конденсатор Сф. Как будет показано в дальнейшем, каскад не усиливает напряжение при увели­чении мощности сигнала, поэтому в характеристике указано «усилитель тока».

Рисунок 6.10 – Принципиальная схема эмиттерного повторителя

Наличие стопроцентной отрицательной обратной связи предполагает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны. Последнее возможно, если в схеме отсутствует резистор RK в цепи коллектора, а выходной сигнал снимается непосредственно с резистора обратной связи Rэ. Такие преобразования изменяют схему включения транзистора, преобразуя ее в схему с общим коллектором. В отличие от усилителя с общим эмиттером схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал.

Действительно, если ко входу эмиттерного повто­рителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, это приведет к уве­личению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе. Все элементы в рассматриваемой схеме выполняют ту же роль, что и в схеме с общим эмиттером, за исключением резистора Rэ, который по переменному току не заблокирован конденсатором Сэ и является элементом последовательной отри­цательной обратной связи по напряжению и одновременно нагрузкой усилителя. В статическом режиме протекают токи базы, коллектора и делителя анало­гично тому, как в схеме с общим эмиттером. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ В динамическом режиме при включении источника сигнала часть переменного напряжения через резистор R₃ прикладывается к участку база-эмиттер транзи­стора и вызывает пульсации тока базы I_Б, который в свою очередь вызывает пуль­сации тока коллектора Iк. В составе коллекторного тока появляется переменная составляющая, источ­ником которой является транзистор. Цепь переменной составляющей коллекторного тока (рисунок 6.11): коллектор Таким образом, на сопротивлении нагрузки выделяется напряжение с часто­той сигнала. Резисторы Rэ и Rн по переменному току соединены параллельно, следова­тельно: (6.7) Рассмотрим схемотехническое построение истокового повторителя на примере полевого транзистора с управляющим рn — переходом и каналом р — типа (рисунок 6.12). Каскад с общим истоком является аналогом каскада с общим коллектором. По аналогии со схемой с общим коллектором характеристика схемы истоково­го повторителя имеет следующий вид: резистивный усилитель тока на полевом транзисторе с общим стоком, автоматическим напряжением смещения, резисторно-емкостной связью с последующим каскадом и последовательным стоковым питанием. В этом каскаде нагрузочный резистор R_И включен в цепь истока, а сток по пе­ременным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой каскада, то есть вывод стока является общим для входной и выходной цепей усилительно­го каскада. Основными элементами каскада являются резистор R_И и транзистор. Выбор и обеспечение режима покоя производятся так же, как и в каскаде с ОИ. Выходное напряжение, равное переменной составляющей падения напряже­ния на резисторе R_И, подается через разделительный конденсатор С_Р в нагрузку. Для истокового повторителя напряжение на нагрузке совпадает по фазе со входным напряжением и связано с ним равенствами: Uвых=Uвх-UЗИ; Uвых=IсRИ.

Рисунок 6.11 – принципиальная схема повторителя напряжения на полевом транзисторе

Коэффициент усиления по напряжению повторителя описывается формулой: (6.8) Коэффициент усиления по напряжению зависит от крутизны транзистора S и сопротивления резистора в цепи истока и при увеличении произведения SRИ стремится к единице. Поэтому в истоковых повторителях желательно использо­вать транзисторы с высоким значением крутизны. Входное сопротивление истокового повторителя для низких и средних частот, как и в усилительном каскаде с ОИ, определяется величиной R3 и составляет не­сколько МОм. Выходное сопротивление для каскада с ОС в области средних ча­стот определяется как Rвых = 1/S.

ВЫВОДЫ: 1. Из практических применений эмиттерного повторителя, которые очень многочисленны, можно отметить его использование для согласования источника колебаний, обладающего высоким внутренним сопротивлением, с низккоомной нагрузкой. 2. Малое значение постоянного напряжения на резисторе Rэ позволяет в ряде случаев обойтись без конденсатора Ср и тем самым улучшить частотную характеристику в области нижних частот. Ввиду слабого влияния изменений полезной нагрузки на входное сопротивление повторителя его часто применяют в качестве буферного каскада для развязки нестабильной нагрузки от источника колебаний.

4. Повторитель напряжения.

Существуют три способа включения биполярного транзистора:

— с общим коллектором (ОК — эмиттерный повторитель (ЭП);
— с общим эмиттером (ОЭ);
— с общей базой (ОБ). Аналогично для полевых транзисторов:
— с общим стоком (ОС);
— с общим истоком (ОИ), истоковый повторитель (ИП);
— с общим затвором (ОЗ).

В общем случае ЭП (ИП) имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное. Этот тип каскада используют для усиления сигнала по току. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице, потому он и называется повторителем. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремится к R_вых каскада с ОЭ, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б — сопротивление базы (1. 20 Ом и более);
h_21э — безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ — температурный потенциал,
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определённых С_н ЭП могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее «опасным» следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала (рис.60) [8].

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.

При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вx будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.

Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений f_max = I_э/2_пU_mC_н, где U_m — амплитуда сигнала.

Как видно из формулы, расширить полосу пропускания ЭП можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в ЭП носят пилообразный характер (рис.61).

Истоковый повторитель (по сравнению с ЭП) имеет значительно большие значения как выходного сопротивления (несколько сот Ом при токах стока в несколько мА), так и коэффициента гармоник. Замена полевого транзистора составным (рис. 12,14,17,18) уменьшает как выходное сопротивление, так и вносимые искажения (см. 1 часть статьи).

Применение составного транзистора позволяет увеличить входное сопротивление и повысить нагрузочную способность. К примеру, повторитель на составном транзисторе Шиклаи (рис.62) имеет R_вх >= 1 МОм, R_вых

В повторителе на составном транзисторе по схеме Дарлингтона входное сопротивление 2-го транзистора играет роль эмиттерной нагрузки для первого транзистора. Отсюда, если пренебречь сопротивлением базы, получим: Rвх~=B₁*B₂*R_н.

В связи с огромным входным сопротивлением повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт вопрос о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор либо следящую связь в цепи базы (рис.63). Сопротивление R3 искусственно повышается в 1/(1-К_u) раз и может достигать десятков мегаом и не будет существенно шунтировать вход повторителя. Во столько же раз повышается и сопротивление резистора R4, а также уменьшается ёмкость С_б в схеме (рис.59).

Для того чтобы искусственно увеличить сопротивление r_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо чтобы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_k1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через r_к и С_к станет равным нулю, а это равносильно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная, составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости (рис.64), стабилитрона, схемы сдвига уровня (рис.65), либо с помощью ИП (рис.66). При этом сопротивление r_к увеличивается в сотни раз, полоса пропускания максимально расширяется, а коэффициент передачи К_u приближается к единице.

Аналогичная идея реализована и в широкополосном повторителе (рис.67) [9].

ЭП с повышенным быстродействием (рис.68) [10] реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи (ЛПОС) с помощью транзисторов VT1-VT3.

Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности, показан на рис.69 [11]. Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1 ,VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно Rвх, равному бесконечности.

Замена эмиттерного резистора на нелинейный элемент с большим дифференциальным сопротивлением и малым сопротивлением постоянному току позволяет увеличить входное сопротивление и сделать его практически независимым от h_21э (рис.70).

Высоколинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью показан на рис.71 [12]. Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки:

Для того чтобы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо чтобы напряжение U_эб было постоянно во всем диапазоне изменения входного напряжения.

Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого достаточно в схеме (рис.71) токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки (рис.72). В этом случае ток коллектора транзистора VT3

Простейший двухтактный ЭП показан на рис.73. Резистор R уменьшает искажения типа «ступеньки» в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0,4. 0,5 В) нецелесообразно.

Введение смещения с помощью диодов (рис.74) или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

Эмиттерный повторитель по [13] показан на рис.75. Увеличение входного сопротивления выполнено с помощью следящей обратной связи, рассмотренной выше.

Выходные каскады первых бестрансформаторных усилителей мощности выполнялись по схеме (рис.76) на так называемой квазикомплементарной паре, т.е. верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, а нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогичного VT4, VT5, симметрирует входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2. 3 раза.

Наиболее распространённые двухтактные каскады показаны на рис.77 и 78 на комплементарных транзисторах Шиклаи и Дарлингтона соответственно. Повторитель, показанный на рис.79 [14, 15], сочетает в себе оба типа составных транзисторов. Недостаток схемы (рис.77) в том, что в ней возникают большие сквозные токи при перегрузках, особенно на высоких частотах.

Схемотехнические решения, показанные на рис.80 и 81, позволяют достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

В повторителе (рис.82) оригинально решена проблема смещения выходных транзисторов при достаточно высокой термостабильности. Основной недостаток такого повторителя — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник. Возможный путь усовершенствования заключается во введении вольтдобавки в эмиттеры входных транзисторов. Другой способ состоит в том, что между базами выходных транзисторов включают обратновключённый диод. В результате при перегрузке, например, положительной полуволной закрывается транзистор VT1, а транзистор VT2 через открывшийся диод подключается к базе транзистора VT3 и тем самым составляет обычную схему Дарлингтона. При этом, естественно, возникают дополнительные коммутационные искажения.

Существенно повысить нагрузочную способность такого повторителя при сохранении высокой термостабильности и КПД можно, если параллельно резисторам R1, R2 включить активные источники тока (АИТ), как показано на рис. 83. Резисторы R3, R4 выбирают из расчёта, чтобы максимальный ток АИТ был больше тока баз выходных транзисторов при максимальной амплитуде сигнала.

Нагрузочная способность повторителя на базе рис.67 также повышена за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов (рис.84) [16].

Возможный вариант повышения быстродействия за счёт следящей обратной связи, описанной выше, показан на рис.85. В отличие от предыдущей схемы, входные транзисторы работают при большем примерно на 0,6 В напряжении питания за счёт дополнительных транзисторов.

Увеличить выходную мощность повторителя в 4 раза при том же напряжении питания позволяет мостовая схема (рис.86). Управление таким повторителем осуществляют парафазным сигналом.

Парафазного управляющего сигнала требует и схема (рис.87), питание которой осуществляют от двух незаземлённых источников тока постоянного напряжения. Достоинство схемы в том, что она не требует комплементарных транзисторов. А, как известно, абсолютно комплементарных транзисторов практически не существует.

Несколько слов о применении полевых транзисторов в мощном повторителе. Вследствие меньшей чем у биполярных транзисторов крутизны и её нелинейной зависимости от уровня входного сигнала, нелинейные искажения больше. Поэтому такие каскады должны работать в усилителях с более глубокой ООС.

Очень важным преимуществом мощных полевых транзисторов, особенно СИТ (статических индукционных полевых транзисторов), является высокое быстродействие благодаря отсутствию основных носителей в цепи затвора. Мощность на раскачку, как правило, не превышает нескольких мВт. Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект термостабилизации [17].

5. А.с. 1327271 публ. 133-22-87 с.8.
6. Патент ЕПВ 0109080 публ. 3-126-85 с.20.
7. Патент США 4536662 публ. 9-1 26-86.
8. М.Гальперин. Промышленная схемотехника в промышленной автоматике. М, Энергоатомиздат, 1987.
9. Радио 4/81, с.61. За рубежом. Широкополосной повторитель напряжения.
10. А.с. 1298853.
11. А.с 1264303 публ. 133-03-87, с.5.
12. Радио 5/79, с.61. За рубежом. Эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.
13. А.с.1167694.
14. А.с.769703.
15. Пат. США 4454479, публ. 3-126-85, с. 37
16. А.с. 1224966, публ. 14-126-86, с.14
17. П.Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М, Мир, 1991, с.204.

1. Эмиттерный повторитель.

Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремиться к R_вых каскада с общим эмиттером, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б — сопротивление базы (1. 20 Ом и более);
h_21э — безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ — температурный потенциал,
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определении Сн эмиттерный повторители могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее опасным следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала:

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.
При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вх будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.
Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений F_max=I_э/2_nU_mC_n , где U_m — амплитуда сигнала.
Как видно из формулы, расширить полосу пропускания эмиттерного повторителя можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в эмиттерном повторителе носят пилообразный характер:

2. Повторитель на составном транзисторе Шиклаи.

R_вх>=1МОм, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10Гц до 100 кГц.

3. Составной транзистор со следящей связью в цепи базы.

Из-за огромного входного сопротивления повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор или следящую связь в цепи базы:

Для того что бы искусственно увеличить сопротивление R_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо что бы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_к1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через R_к и С_к станет равным нулю, а это равноценно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости:

или с помощью стабилитрона,схемы сдвига уровня:

или с помощью истокового повторителя:

Аналогичная идея реализована в широкополосном повторителе:

4. Эмиттерный повторитель с повышенным быстродействием.

Реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи с помощью транзисторов VT1-VT3.

5.Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности.

Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1, VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно R_вх, равному бесконечности.

6. Повторитель с увеличенным входным сопротивлением.

Rвх практически не зависит от h_21э.

7.Высоколинейный эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.

Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки: R_н=>R3/2

Для того,что бы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо что бы напряжение U_эб было постоянно во всём диапазоне изменения входного напряжения.
Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого надо в предыдущей схеме токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки:

8. Простейший двухтактный эмиттерный повторитель.

Резистор R уменьшает искажения типа «ступенька» в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0.4. 0.5 В) не целесообразно.

Введение смещения с помощью диодов или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

9.Эмиттерный повторитель с увеличенным входным сопротивлением с помощью следящей обратной связи.

10. Выходной каскад на квазикомплементарной паре.

Верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогично VT4, VT5, симметрируют входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2..3 раза.

11. Двухтактные каскады.

По схеме Шиклаи (недостаток — возникновение больших сквозных токов при перегрузках, особенно на высоких частотах)

По схеме Дарлингтона

Повторитель по схеме Шиклаи и Дарлингтона

12. Схемы, позволяющие достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

13. Повторитель с высокой термостабильностью.

Недостаток — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник.

С повышенной нагрузочной способностью

14. Повторитель с повышенной нагрузочной способностью.

Повышенная нагрузочная способность достигнута за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов.

Эмиттерный и истоковый повторители

Эмиттерный и истоковый повторители представляют собой усилители тока и мощности, выполненные на транзисторах по схеме с ОК (ОС), охваченные 100%-ной последовательной ООС.

Основные свойства этих каскадов близки, а существующие отличия обусловлены несовпадением характеристик используемых транзисторов. Pассмотрим схему эмиттерного повторителя (ЭП), отмечая для истокового повторителя только его характерные особенности. Сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь транзистора. ЭП обладает повышенным входными и пониженным выходным сопротивлениями. Его входное и выходные напряжения совпадают по фазе и незначительно отличаются по величине. Отмеченные свойства ЭП позволяют использовать его для согласования (разделения) высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Рис.11.14. Схемы эмиттерного (а) и стокового (б) повторителейЭП можно рассматривать как усилительный каскад с ОЭ, у которого RК = 0, а резистор в цепи эмиттера не зашунтирован конденсатором. В этом случае все выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во входную цепь усилителя, где вычитается из напряжения входного сигнала UВХ, снижая его. В схеме действует 100%-ая последовательная ООС по напряжению, увеличивающая входное и уменьшающая выходное сопротивление ЭП. В отличие от усилителя с общим эмиттером, ЭП не инвертирует входной сигнал. Действительно, если к входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в одинаковой фазе.

Эмиттерный повторитель

Давайте разберемся, что значит словосочетание «эмиттерный повторитель»? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение U_вых меньше U_вх на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2)U_вых в точности повторяет по форме и фазе U_вх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Входное и выходное сопротивление эмиттерного повторителя

Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:

где R_э — это сопротивление резистора в цепи эмиттера

Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно R_э мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.

Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в β раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а β в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.

Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6-0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?

Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет). Вот тебе и транзистор — усилитель сигналов)) Но-но! Рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем подключить низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть 😉

Так, а теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы в несколько раз! Чтобы это понять, читаем статью про входное и выходное сопротивление.

Для чего нужна эта схема

Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль миротворца между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике 😉

Также запомните простое правило: эмиттерный повторитель дает усиление по току, а не по напряжению. А так как повышается сила тока, следовательно, и мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже будет больше, так как P=IU , где P — это мощность, I — сила тока, U — напряжение.

Расчет эмиттерного повторителя

Наше техническое задание звучит так:

Ра НННННннванвыавпНннаНаНННГггываYfit YFutYfsdfYYYYyhfsdfYf Рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +Uпит=12 Вольт.

1) Так как звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, следовательно, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно, в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буквами:

2) Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло, оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В——> коллектор——-> эмиттер——>R_э ——>земля должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:

R_э=6 В/0,001 А=6 000 Ом = 6 КилоОм.

Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма

3) Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА? Так как в нашем примере ток эмиттера I_э почти равен току коллектора I_к (если, конечно, не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:

Я взял транзистор КТ817Б, замерял его коэффициент усиления по току , то есть β, и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:

Итого, β (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения 0,55 Вольт.

Следовательно, I_б = I_к / β = 1/300 = 3,3 мкА

4)Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: R_б и R_э. Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:

5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:

6)Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:

Из закона Ома получаем следующие расчеты:

R_бэ = 6,55 В / 33 мкА = 200 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 200 КилоОм.

Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется Uпит, следовательно, на R_б будет напряжение 12-6,55 = 5,45 Вольта.

R_б = 5,45 В / 33 мкА = 165 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 150 КилоОм.

7)Конденсаторы в схеме нам служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока, так ведь? Для выбора конденсаторов правило простое: постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз.

Не будем сейчас говорить от дифференциальных и интегральных цепях (блин, голова заболела от одного их упоминания ), а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC- цепи. Назовем ее t . Вычисляется она по формуле:

Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:

R_вх = R_э х β = 6000 х 300 = 1,8 МегаОм.

Для звукового сигнала самая низкая частота — это 20 Герц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:

1,8 х 10 6 х С1 = 5

С1= 5 / 1,8 х 10 6 = 2,7 мкФ. То есть берем конденсатор от 2,7 мкФ. Думаю, 10 мкФ будет самое оно.

С2 — это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.

Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:

Собираем схему в реале и проверяем в деле:

Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной — желтым. Подаем сигнал с генератора частоты амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:

Как вы видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга. Короче говоря, что на входе, то и на выходе.

Но фишка немного в другом. Давайте я сейчас нагружу входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.

Какое напряжение U_вх у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивление генератора. Так как я подаю сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, у меня красный сигнал очень сильно просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.

Но что будет, если я нагружу этот сигнал тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:

Входной сигнал даже не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель ;-).

А где же та самая обещанная просадка напряжения в 0,6-0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах R_б и R_{бэ ,} то мы увидели бы просадку.

Недостатки эмиттерного повторителя

Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

Но почему так произошло?

Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо «затыкается», так как в этом случае PN-переход оказывается включен в обратном направлении.

Как же с этим бороться?

Можно уменьшить R_э , но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.

Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 Мегаом и обладает большим коэффициентом усиления β . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:

β₁ — коэффициент усиления первого транзистора

β₂ — коэффициент усиления второго транзистора

Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

Если Вам будет понятнее в видео, то вот для Вас:

Заключение

Также в ретроусилителях мощности уже не парятся и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, лучше вообще забить на этот эмиттерный повторитель, так как есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя и без всяких заморочек.