Повторитель эмиттерный на транзисторе: принцип работы :: SYL.ru

История транзисторов начинается с середины 20 века, когда в 1956 году три американских физика – Д. Бардин, У. Браттейн, В. Шокли, были удостоены Нобелевской премии «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Радиотехнику, начинающему работу на своем поприще, порой бывает сложно разобраться в электронных схемах и предназначении тех или иных ее составляющих. Для этого существуют определенные наработки – уже придуманные схемы подключения транзисторов и других элементов с определенными свойствами, из которых можно составлять различные устройства. Одним из таких «кирпичиков» в здании электронных схем является эмиттерный повторитель на транзисторе.

Схемы подключения транзисторов

Существует три разновидности включения биполярных транзисторов – с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространено подключение (ОЭ), так как дает большое усиление по напряжению и току. Одной из особенностей такого подключения является инвертирование входного напряжения на 180⁰. Недостатком подключения является маленькое входное (сотни Ом) и большое выходное (десятки кОм) сопротивление.

При подаче входного напряжения, транзистор открывается и ток проходит через базу на эмиттер, при этом коллекторный ток увеличивается. Ток эмиттера суммируется из тока базы и тока коллектора: И_Е = И_Б + И_К

В цепи коллектора, на резисторе_, появляется напряжение намного большее входного сигнала, что приводит к увеличению выходного напряжения, а соответственно, и силы тока.

Включение транзистора по схеме (ОБ) дает усиление по напряжению и позволяет работать с более широким частотным диапазоном, чем схема с (ОЭ), поэтому часто используется на антенных усилителях. Эта схема позволяет в полной степени использовать способность транзистора к усилению высоких частот сигнала (частотные характеристики). Чем выше частота усиливаемого сигнала, тем меньше усиление по напряжению. Данный каскад имеет маленькое входное и выходное сопротивление.

Включение транзистора с (ОК) дает усиление по току и часто используется как переходник между высокоомным источником питания и низкоомной нагрузкой. Также, данное включение можно использовать при согласовании различных каскадных схем, оно не изменяет полярность входного сигнала.

Общие понятия о повторителе

Повторитель эмиттерный — это усилитель сигнала по току, в котором включение транзистора происходит по схеме (ОК). Коэффициент усиления сигнала по напряжению практически равен единице, напряжение эмиттера равно входному сигналу, поэтому схема носит название эмиттерный повторитель. Принцип работы устройства рассмотрим ниже.

Несмотря на то что повторитель эмиттерный имеет коэффициент передачи по напряжению единицу, его можно отнести к классу усилителей, так как он дает усиление по току, а значит, и по мощности: И_Е = (β +1) х И_Б , где И_Е — ток эмиттера, И_Б — ток базы.

При малом сопротивлении источника питания, коллектор транзистора присоединяется к общей шине, а резистор, с которого происходит снятие выходного напряжения, подключается к эмиттерной цепи. Подключение входа и выхода к внешним цепям осуществляется с помощью конденсаторов С₁ и С₂. При маленьком коэффициенте увеличения по напряжению, коэффициент увеличения по току достигает своего пика в режиме короткого замыкания зажимов на выходе.

Принцип действия

Нагрузкой каскадной схемы повторителя является резистор на эмиттере Р_Е. Входной сигнал поступает через первый конденсатор С₁, а снятие выходного сигнала происходит через второй конденсатор С₂.

Эмиттерный повторитель напряжения имеет очень маленькое входное и большое выходное сопротивление. При переменном токе, когда через транзистор п-р-п типа проходит полуволна положительного переменного напряжения, он сильнее открывается и происходит возрастание тока, при отрицательной полуволне – наоборот. В итоге выходное переменное напряжение имеет одинаковую фазу со входным и является напряжением обратной связи. Выходное напряжение направлено навстречу входному и включено последовательно, поэтому в эмиттерном повторителе используется последовательная отрицательная обратная связь. Выходное напряжение меньше входного на незначительную величину (напряжение база – эмиттер около 0,6 В).

Как сделать расчет схемы

Первоначальными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, являются ток коллектора (И_К) и напряжение питания (У_ВХ):

• Напряжение эмиттера (У_Е) должно соответствовать: У_Е = 0,5 х У_ВХ (чтобы обеспечить для выходного напряжения максимальный размах).
• Теперь нужно сделать расчет сопротивления резистора на эмиттере: Р_Е = У_Е/И_К.
• Делается расчет сопротивления резисторного делителя: Р₁-Р₂ (подбираем сопротивления так, чтобы ток на делителе был примерно в 10 раз меньше тока на базе): И_Д = 0,1 х И_К/β, где β – коэффициент усиления по току транзистора. Сопротивление Р₁+ Р₂= У_ВХ/И_Д.
• Рассчитываем напряжение базы относительно земли: У_Б = У_Е + 0,7.

Отличительные особенности

Повторитель эмиттерный обладает интересной особенностью – ток коллектора имеет зависимость только от нагрузочного сопротивления и входного напряжения, а параметры транзистора существенной роли не играют. Такие схемы считают имеющими 100-процентную обратную связью по напряжению. Можно не бояться спалить транзистор, подавая на базу питание без ограничивающего резистора.

Работа эмиттерного повторителя основана на высоком входном сопротивлении, что позволяет подключать к нему источник сигнала с большим комплексным сопротивлением (например, звукосниматель в радио). Усилитель мощности

Очень часто повторитель эммитерный используется в качестве усилителя мощности в выходных каскадах усилителей. Основной задачей таких узлов является передача определенной мощности на нагрузку. Наиболее важный параметр, который ставится в расчетах усилителя по мощности – это коэффициент усиления мощности, искажение передачи сигнала и КПД (его увеличение необходимо в связи с потреблением большей части мощности источника питания выходным усилителем). Усиление по напряжению не является основным параметром и обычно приближается к единице.

Бывает несколько способов работы такого усилительного каскада, в зависимости от нахождения рабочей точки на графике характеристик и, соответственно, с различным КПД и характеристиками выходного сигнала.

Режимы работы

В рассматриваемых случаях работы эмиттерного повторителя, коллекторный переход будет обратно смещен и режим работы будет зависеть от эмиттерного перехода:

1. В первом случае смещение эмиттерного перехода происходит таким образом, что транзистор стабильно не переходит в режим насыщения и повторитель работает на прямом участке графика передаточной характеристики (напряжения У_К и У_Е одинаковы). Максимальное напряжение выходного сигнала меньше входного напряжения. Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, поступающей в нагрузку к мощности от источника питания, и достигает максимума (25 %) при наивысшей амплитуде выходного напряжения. Во избежание рассогласования выходного и входного сигнала, амплитуду выходного напряжения приходится уменьшать, в итоге КПД, тоже уменьшается. Низкий КПД в данном режиме работы повторителя обусловлен независимостью тока, проходящего через транзистор, от напряжения питания и мощность, которая потребляется от источника питания является постоянной величиной. В отсутствие входного сигнала, мощность рассеиваемая транзистором, наибольшая. Поэтому в этом режиме эмиттерный повторитель не используется как усилитель мощности, а скорее как передатчик малоискаженного сигнала.
2. Еще один рабочий режим усилительного каскада, при котором смещение эмиттерного перехода приводит рабочую точку транзистора на границу области запирания. Если принять напряжение эмиттера (У_Е=0) и входной сигнал не поступает, эмиттерный переход обратно смещен и транзистор находится в закрытом состоянии. Вследствие чего, снижается потребляемая мощность. При прохождении с источника питания положительной полуволны, транзистор отпирается (открывается эмиттерный переход), а отрицательная запирает его (отсутствует выходной сигнал). Второй случай работы усилительного каскада решает проблему с увеличением КПД усилителя, потому что отсутствует ток на транзисторе, если нет напряжения питания. Но есть недостаток – сильное искажение выходного сигнала.

Двухтактная схема

Двухтактный эмиттерный повторитель позволяет сделать усиление по току в положительном и отрицательном диапазонах. Чтобы получить разнополярный выходной сигнал, можно использовать комплементарный эмиттерный повторитель. В принципе, двухтактная схема – это два повторителя, каждый из которых усиливает сигнал в плюсовой или минусовой полуволне. Схема состоит из двух типов биполярных транзисторов (с п-р-п и р-п-р – переходами).

Принцип действия комплементарной схемы

Когда входное питание отсутствует, оба транзистора выключены, в связи с отсутствием напряжения на эмиттерных переходах. При прохождении полуволны положительной полярности, происходит открытие п-р-п – транзистора, аналогично, прохождение отрицательной полуволны вызывает открытие р-п-р – транзистора.

Мощный эмиттерный повторитель имеет расчет КПД (К = Пи/4 х У_ВЫХ/У_К), где У_вых – амплитуда выходного сигнала; У_К – напряжение на коллекторном переходе.

Из формулы видно, что К возрастает при увеличении амплитуды У_ВЫХ и становится максимальным, при У_ВЫХ = У_К (К = Пи/4 = 0,785).

Отсюда видно, что эмиттерный повторитель на комплементарной схеме обладает значительно более высоким КПД, чем обычный повторитель.

Свойством этой схемы являются большие (переходные) нелинейные искажения. Они проявляют себя в большей степени, чем меньше входное напряжение (У_ВХ).

Расчет двухтактного усилителя

Так как нам нужен повторитель эмиттерный для усиления по мощности, то исходными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, будут: сопротивление нагрузки (Р_Н), мощность нагрузки (П_Н). Чтобы уменьшить рассогласованность выходного и входного сигнала, напряжение питания должно быть выше на 5 В от амплитуды выходного напряжения.

Формулы для расчета усилительного каскада:

• Выходное напряжение: У_ВЫХ = корень квадратный (2П_НР_Н).
• Напряжение источника питания: У_ВХ = У_Е + 5.
• Выходной ток: И_Е = У_Е/Р_Н.
  
• Мощность, забираемая у источника питания: П₊+ П_—= 2/Пи × У_Е/Р_Н × У_К.
• Наибольшая рассеиваемая мощность на каждом из транзисторов: П₁= П₂= У_К²/Пи²Р_Н.
  

Уменьшение искажений выходного напряжения

Двухтактный эмиттерный повторитель, принцип работы которого описан выше, можно еще улучшить, уменьшив в его схеме переходные искажения сигнала на выходе.

Чтобы уменьшить искажения напряжения на выходе каскада можно подавать на базы транзисторов напряжения, смещающие выходную характеристику.

Для смещения используются диоды либо транзисторы, подающие сигнал на базы рабочих транзисторов повторителя.

Схема с использованием диодов

На эмиттерных переходах транзисторов Т₁ и Т₂ появляется смещение за счет диодов Д₁ и Д₂, подключенных между базами транзисторов. При входном напряжении, равном нулю, транзисторы активны. Когда полярность напряжения положительна, транзистор Т₂ запирается, а при отрицательной полярности напряжения запирается транзистор Т₁. При нулевом входном сигнале один из транзисторов является активным, таким образом, схема с диодами дает характеристику выходного сигнала, очень близкую к линейной. Вместо диодов, можно использовать транзисторы с шунтированными коллекторными переходами.

Усилитель мощности с дополнительными эмиттерными повторителями

Еще одна схема, которая дает уменьшить искажение выходного сигнала, на входе которой включены два транзистора.

В этой схеме на входе размещены два повторителя на транзисторе, которые создают смещение напряжения для эмиттерных переходов двух выходных транзисторов. Существенным плюсом такого включения будет увеличенное сопротивление на входе каскада. Эмиттерные токи входных и базовые токи выходных транзисторов, задают два первых резистора_. Вторые два резистора входят в цепь обратной связи для выходных транзисторов.

Этот вариант подключения является буферным усилителем с единичным усилением по напряжению.

Составные транзисторы

Сейчас выпускаются транзисторы в виде отдельного каскада из двух транзисторов в одном корпусе (схема Дарлингтона). Они используются в микросхемах в усилителях на дискретных составляющих. При замене обычного транзистора на составной происходит увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений схемы.

Эмиттерный повторитель. Пример разработки.| Elektrolife

Шаг 1.   Выбор напряжения U_Э. Для получения симметричного сигнала без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие U_Э  = 0,5U_KK , или +7,5 В.

Шаг 2.   Выбор резистора R_Э. Ток покоя должен составлять 1 мА, поэтому R_Э  = 7,5 кОм.

Шаг 3.   Выбор резисторов R₁  и R₂ . Напряжение U_Б  – это сумма U_Э  + 0,6 В, или 8,1 В. Из этого следует, что сопротивления резисторов R₁  и R₂  относятся друг к другу как 1:1,17. Учитывая известный уже нам критерий выбора нагрузки, мы должны подобрать резисторы R₁  и R₂  так, чтобы сопротивление их параллельного соединения составляло приблизительно 75 кОм или меньше (0,1 от произведения 7,5 кОм на h_21э )· Выберем следующие стандартные значения сопротивлений: R₁  = 130 кОм, R₂  = 150 кОм.

Шаг 4  . Выбор конденсатора C₁ . Конденсатор C₁  и сопротивление нагрузки источника образуют фильтр высоких частот. Сопротивление нагрузки источника есть параллельное соединение входного сопротивления транзистора со стороны базы и сопротивления делителя напряжения базы. Предположим, что нагрузка схемы велика по сравнению с эмиттерным резистором, тогда входное сопротивление транзистора со стороны базы равно h_21эR_э , т. е. составляет ~= 750 кОм. Эквивалентное сопротивление делителя равно 70 кОм. Тогда нагрузка для конденсатора составляет 63 кОм и емкость конденсатора должна быть равна по крайней мере 0,15 мкФ. В этом случае точке –3 дБ будет соответствовать частота, меньшая чем 20 Гц.

Шаг 5.   Выбор конденсатора С₂ . Конденсатор С₂  и неизвестный импеданс нагрузки образуют фильтр высоких частот. Мы не ошибемся, если предположим, что импеданс нагрузки не будет меньше R₃ . Тогда для того, чтобы точке – 3 дБ соответствовало значение частоты, меньшее чем 20 Гц, емкость конденсатора С₂ должна быть равна по крайней мере 1,0 мкФ. Так как мы получили двухкаскадный фильтр высоких частот, то для предотвращения снижения амплитуды сигнала на самой низкой из интересующих нас частот емкости следует взять немного побольше. Вполне подойдут следующие значения: C₁ = 0,5 и С₂ = 3,3 мкФ.

РадиоКот :: О линейности и повторителях (а в конце

РадиоКот >Статьи >

О линейности и повторителях (а в конце — сюрприз)

В этой статье я постараюсь проанализировать проблему линейности каскада, построенном на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором:

..и придумать что с ней можно поделать. Такой каскад так же известен под названием “эмиттерный повторитель” и обычно используется как буфер между высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой. Он не изменяет амплитуду сигнала, но возможность подключения более низкоомной нагрузки при той же амплитуде означает усиление мощности, так что этот каскад, как и другие типы транзисторных каскадов, является усилительным. Его часто можно встретить в схемах УНЧ, стоящим в качестве входного буфера. Так же существует множество любительских и не очень конструкций усилителей для головных телефонов, “сердцем” (точнее – выхлопом J), а то и единственным органом которых и является эмиттерный повторитель, построенный на одиночном или составном транзисторе.

Начнем с определения линейности усилительной цепи. Надо признаться, я сейчас загуглил этот термин в поисках откуда бы стырить красивое объяснение этого простого вроде бы по своей сути понятия – и с ходу не нашел такого. Так что придется писать самому.

Задача усилителя (если он усилитель, а не “улучшайзер”) заключается не только в том, чтобы повысить мощность сигнала, но и одновременно максимально сохранить его “форму”. Это значит к примеру, если у нас есть усилитель напряжения, усиливающий напряжение в 2 раза, то в штатных условиях он должен его усиливать именно в 2 раза, независимо от того какой именно величины в него пришел сигнал и какое сопротивление (из допустимого диапазона) имеет нагрузка, подключенная к его выходу. К примеру, рассмотрим гипотетический не идеальный усилитель, выполненный по идеологии УПТ (это значит что он может усиливать не только переменный, но и постоянный сигнал. Так проще.. объяснятьJ), и мысленно подадим ему на вход 0.1В – померяем мысленным вольтметром что на выходе – мысленно допустим, что вольтметр показал 0.1995В. Затем подадим на вход уже 1В, а на выходе при помощи того же вольтметра обнаружим 1.92В. Это значит что наш гипотетический усилитель не смог идеально выполнить свою задачу. Сигнал 0.1В он усилил в 1.995 раз, а сигнал в 1В – он усилил в 1.92 раза. Нелинейность таким образом составила примерно 1 — (1.995/1.92) = 0.039, или 3.9%. По меркам УНЧ – это просто ужасно много. Такое не прощается никаким УНЧ, кроме ламповых J. Потому этот воображаемый девайс, который выполнил свою задачу в качестве виртуального подопытного — мы так же мысленно отправим в топку.

Вернемся к эмиттерному повторителю. Казалось бы, раз он повторитель, то напряжение на его выходе просто повторяет напряжение на входе, а значит такие проблемы его не должны касаться. Возьмем супер-хороший вольтметр, соберем схемку, проверим — упс… Как же так? Чтобы разобраться — откроем даташит на какой-нибудь транзистор. Например, “народный” BD139. Мне первым нагуглился даташит производителя “Fairchild”. Пролистаем страничку с автопортретом транзистора, ненадолго остановимся на табличке “ Electrical Characteristics”:

Первое что бросается в глаза — всякие цифры, например: напряжение насыщения коллектор-эмиттер, прямое напряжение на переходе база-эмиттер и коэффициент передачи по постоянному току и некоторые другие, совершенно не касающиеся обычного эмиттерного повторителя.  А вторая важная деталь состоит в том, что эти цифры указаны не конкретно, а примерно, причем указано целых три разных коэффициента передачи — для разных условий, а потом еще одна табличка – которую кажется производитель добавил чтобы сбить нас с толку. На самом деле со второй табличкой все просто – у этого производителя существуют 3 модификации этого транзистора, обозначаемые как BD139-6, BD139-10 и BD139-16. Они различаются коэффициентом передачи. Скорее всего все они штампуются на одних и тех же линиях, затем замеряются и маркируются согласно тому что получилось в итоге из-за технологических разбросов. Цифры в первой табличке соответствуют всей линейке BD139, а вторая конкретизирует hfe3, и на основе этой конкретики можно прикинуть каков будет hfe2 и hfe1. На самом деле это еще хороший производитель, многие другие штампуют те же BD139 с максимально широким допуском, но совершенно не озабочиваются сортировкой котлет по размеру.  А у этого можно хоть прикидочно узнать этот немаловажный параметр перед покупкой. А вот с первой табличкой все намного интереснее и имеет самое прямое отношение к теме статьи. Дело в том что параметры транзистора имеют не только технологический разброс, но так же могут изменяться в зависимости от режима его работы, и судя по цифрам в табличке – могут изменяться значительно. Чтобы понять как именно и от чего они зависят – пролистаем даташит дальше, до прикольных картинок в разделе “Typical Performance Characteristics”. Вот две самые важные для нас картинки оттуда:

Разберемся, что они значат. Оба эти графика отображают зависимость характеристик транзистора от режима его работы, а точнее – от силы тока, проходящего через переход коллектор-база. Первая картинка – показывает зависимость коэффициента передачи от тока коллектора, а вторая – зависимость падения напряжения на переходе база-эмиттер от тока коллектора. На самом деле эти графики не показывают абсолютно всего, что влияет на эти два параметра, но в нормальном режиме работы каскада они таки характеризуют самый главный фактор влияния. Снова вернемся к эмиттерному повторителю. Рассмотрим, что же такого ужасного с ним будет происходить, описанного в этих двух графиках, что вместо повторителя сигнала он окажется немного “искажателем”. Если мы на вход нашего повторителя, сделанного по обычной классической схеме как в картинке из Википедии будем подавать различный сигнал, к примеру напряжением 3 и 5V, то произойдут следующие Очень Важные Вещи:

1)      Напряжение на выходе высокоомного источника сигнала будет немного зависеть от силы тока, которую с него будет тянуть повторитель.

2)      Напряжение на выходе повторителя (то есть на эмиттере транзистора) будет равняться напряжению приложенному к его входу (то есть на базе транзистора) минус падение напряжение на переходе база-эмиттер

3)      Сила тока через переход эмиттер-база будет равна напряжению на выходе повторителя, поделенному на всю ту нагрузку, которая на нем бедном висит. Закон Ома, однако: 

4)      Сила тока через коллектор будет равна силе тока, которую транзистор сосет из источника сигнала помножить на его коэффициент передачи в этот самый момент

5)      А еще сила тока через эмиттер будет  равна силе тока через коллектор + сила тока через базу. Правило Кирхгофа работает и для транзисторов тоже. Жаль только что в этих ваших интернетах не нашлось прикольной картинки для него.

Итак, режим работы транзистора определяется вышеописанными факторами. Внимательно посмотрим на первый график, для определенности уточню– на левый график. Из него получается, что коэффициент передачи тока зависит от… тока через коллектор. А ток через коллектор – определяется током через базу помножить на коэффициент передачи, который от него же зависит.. Мозг еще не сломался? Тогда продолжаем. На самом деле самое важное тут то, что с изменением напряжения на выходе транзистору будет сосать из источника ток не пропорционально ЭДС которую тот создает, а с учетом того, что его коэффициент передачи при этом так же изменяется. Источник сигнала на выходе, как помним, довольно высокоомный (по сравнению с нагрузкой). Иначе зачем мы бы вешали после него повторитель? А значит при изменении напряжения источника в N раз, напряжение на входе транзистора упадет на сопротивлении источника в не равное N раз число, ну и напряжение на выходе от этого так же пострадает. Вот она – причина нелинейность. Говоря умным языком – нелинейность коэффициента передачи транзистора в такой схеме ведет к нелинейности ее входного сопротивления, а она в свою очередь ведет к нелинейности функции Выход(вход). Но на самом деле – это не самая страшная причина. Дело в том, что нынче научились делать транзисторы с достаточно линейным коэффициентом передачи, который практически не зависит от тока коллектора. Для примера, график hfe транзистора 2sc4883:

Как видно, сумасшедшие ученые в тайных лабораториях производителей транзисторов свой кофе употребляют совершенно не напрасно и hfe от тока в адекватных пределах оного — практически не зависит. Гораздо больше кстати он зависит только от температуры, что, говорят, может являться причиной искажений термодинамической природы, но рассмотрение и практический анализ этого момента сделало бы написание статьи и ее саму капец каким долгим делом.

Теперь самое время отмотать статью назад и еще раз внимательно посмотреть на оставшийся график, отражающий зависимость падения напряжения на переходе база-эмиттер от того самого тока коллектора. Вспомним опять же, что напряжение на нагрузке зависит от этого падения и что ток коллектора зависит от нагрузки. Сложим эти два печальных факта и поймем что вот она — еще одна причина нелинейности эмиттерного повторителя. Причем, если с предыдущей можно бороться, выбирая транзисторы подороже, то с этой как следует справиться сумасшедшим ученым еще не удалось. Слишком мало кофе они еще выкурили. Но все же у разных транзисторов и в различных диапазонов тока коллектора эта зависимость имеет различный характер, потому выбирая транзистор для УНЧика стоит изучить этот график у кандидатов. К слову в связи с тем что график рисуют в самых различных масштабах — изучать его нужно только с помощью калькулятора, — поделив Vbe при крайних значениях рабочего диапазона тока.  А “на глазок” это сделать сложно.

А теперь — слайды.. То есть, практические выводы и эксперименты. Я не первый, кто заметил эту неприятность — люди борются с нею по мере возможности. Самый распространенный метод борьбы – использовать в качестве рабочей (не путать с полезной) нагрузки эмиттерного повторителя источник тока:

Чего только не используют в качестве источника тока – и токовые зеркала, и одиночные биполярные транзисторы с фиксированным смещением базы и фиксированной нагрузкой в эмиттере, и на полевых транзисторах чета мутят.. Но суть одна — стабилизация тока через эмиттер ведет к стабилизации тока через коллектор, ибо как мы помним – ток через эмиттер равен сумме токов через коллектор и базу, причем ток через базу очень мал (в hfe раз меньше тока через коллектор), а значит стабилизация тока эмиттера — неплохо стабилизирует и ток коллектора, а значит – и все характеристики транзистора, которые очень подвержены его влиянию. Беда лишь в том, что помимо рабочей нагрузки к эмиттеру обычно еще подключают и полезную нагрузку, а иначе кому такой повторитель-в-себе был бы нужен. И ток через эту нагрузку стабилизировать никак нельзя, по очевидным причинам. А значит, ток через эмиттер транзистора будет не таким уж стабильным, а сам повторитель – просто более линейным чем в случае применения резистивной нагрузки, но не настолько линейным как хотелось бы например мне. И чем больший ток через нагрузку будет отдавать повторитель по сравнению с током через ИТ — тем все печальнее с линейностью всего повторителя.
Чтобы выжать из повторителя максимальную линейность нужно как-то застабилизировать ток коллектора. Но тут возникает неприятный момент – если мы стабилизируем ток коллектора в типовой схеме повторителя, то оный перестанет выполнять свои прямые функции, так как ток через эмиттерный переход будет почти константным, а значит – будет почти константным и напряжение на нагрузке… Казалось бы — печаль-беда, самое время бахнуть пивка и забить на эти транзисторы, поставив на вход повторителя ОУ и связав их обоих воедино леденящими объятиями ООС… Но настоящий джедай — всегда сражается световым мечом. Даже если в него стреляют из светового калаша. И вот извращение, применить которое можно, если очень получить хочется повторитель линейный:

“Хм, что-то это напоминает”, правда? На самом деле напоминать это должно две вещи. Во-первых то, что эта картинка скопирована из симулятора Multisim, и далее я с помощью него кое что продемонстрирую. Во-вторых – эта схема – возникла из одной из широко применяемых простейших схем источника тока:

… в которую несколько противоестественным путем был внедрен эмиттерный повторитель. В результате чего организм носителя по мере возможности стал стабилизировать ток через коллектор организма-паразита. Строго говоря это уже не каскад с общим коллектором но… Но воспользуемся мультисимом чтобы посмотреть что это нам дало, и вообще дало ли это нам хоть чтото. Итак, как пример для старта — базовый вариант эмиттерного повторителя, работающего на резистивную нагрузку:

Видим, что при потребляемом токе в 10мА повторитель повторяет сигнал в 500 Омную нагрузку, внося в него 0.087% искажений, имеющих характерный для однотактовых схем красиво спадающий спектр. Хорошо это или плохо? Все познается в сравнении. Сравним это, поставив вместо R1 источник тока (идеальный!) «размером» в те же 10мА:

 

Хм, искажений осталось только 0.024%, неплохо. А теперь этот Франкенштейн — “один-из-трех“:

Ух ты – всего 0.001%! Неплохо. Осталось проверить на практике… Но чтобы проверять на практике было интересно, я решил сделать что-нить более практичное, чем слабенький повторитель. К примеру – повторитель, способный работать в качестве того же буфер-усилителя для низкоомных наушников. Напрямую данную схему нельзя переделать для этого просто подправив номиналы резисторов. Не хватит коэффициента передачи использованных транзисторов, но — можно попробовать использовать составные. В результате в мультисиме родилась следующая схема:

(На самом деле получилось еще несколько вариантов, некоторые из которых включали полевой транзисторв вместо Q1/Q2 и были способны отдавать 3В в нагрузку 8Ом при потребляемом токе 280мА. Но я решил выбрать этот, как вроде самый лучший для данной задачи.) 

Помимо использования составных транзисторов, я тут добавил еще вспомогательный ИТ, который еще немного повысил линейность всей схемы. Так же появилась антивозбудная цепочка R3C2, но о ней позже. А вот для сравнения искажения, которые выдает повторитель с нагрузкой-ИТ с аналогичным потребляемым током в аналогичном сигнальном режиме (2Vpk on 32 Ohm load):

Но симулянтор – это конечно показательно и практично, но гораздо показательнее и практичнее – реальная практика. Потому в этот выходной я на скорую руку собрал на макетке девайс:

Первое что я обнаружил при включении – возбуд на мегагерцовых частотах. Но с высокочастотными Дарлингтонами я это уже проходил, и в схеме появились R3/C2. Фактические условия возникновения такого возбуждения зависят от применяемых элементов и разводки, так что указанные номиналы – полезны лишь как ориентир. Более того R3 поставил от балды, возможно схема будет стабильно и при меньшем его значении.  Далее я обнаружил, что рабочий ток заметно выше чем расчетный, потому сопротивление R2 на физическом макете составляло 8.2 Ома, а не 6.8 как в модели. По-видимому это объясняется или не точностью данных модели или особенностями конкретно этих транзисторов. После устранения этих мелких неприятностей схема заработала как полагается, нарисовав мне красивейший меандр от генератора осциллографа. Потом я подключил схему к EMU0404 USB и сделал несколько тестов в RMAA под нагрузкой 34 Ома (2 резистора по 68Ом спаянных).  Тест показал совпадение с точностью до погрешности предсказанного уровня THD на амплитудах 1В и 3В. После чего я сложил все в тумбочку и сел писать эту статьюJ

Файлы:
модельки для 13го Мультисима

Все вопросы в Форум.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Эмитерный повторитель

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет МОРСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Кафедра Систем Автоматического Управления и Бортовой Вычислительной Техники

Реферат

По дисциплине «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА»

Тема: «Эмиттерный повторитель»

Выполнил: Рачек О.М. (группа 3230)

Проверил: Кавокин В.П. (каф. морской электроники)

Санкт-Петербург

2015

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

Схемы включения транзисторов

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунках:

Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала  β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h31э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.

Коэффициент h31э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h31э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, — защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h31э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.

Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во – первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, — с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи – ООС.

На рисунке показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током.

Схемы с термостабилизацией

В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.

Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, — при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.

В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?

Схема ОК усиливает сигнал по току в h31э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h31э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.

Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, — «радио играть не будет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх – Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх – Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь – сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31э.

Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31э ≈ Iн/Iб.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства.

2.03. Эмиттерный повторитель

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

На рис. 2.6 показан эмиттерный повторитель. Он назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база-эмиттер): U_э = U_б — 0,6В. Выходной сигнал по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6 — 0,7 В ниже. Для приведенной схемы входное напряжение U_вх должно составлять по крайней мере 0,6 В, иначе выходное напряжение будет равно потенциалу земли. Если к эмиттерному резистору подключить источник отрицательного напряжения, то входной сигнал может быть отрицательным. Обратите внимание, что в эмиттерном повторителе отсутствует резистор в коллекторной цепи.

Рис. 2.6. Эмиттерный повторитель.

На первый взгляд эта схема может показаться бесполезной, но дело в том, что ее входной импеданс значительно больше, чем выходной. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему не непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним импедансом источник (имеется в виду его эквивалентная схема) может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала (эта потеря неизбежна при прямом включении из-за эффекта делителя напряжения). Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиления по напряжению. Он также обеспечивает усиление по мощности. Как видите, усиление по напряжению — это еще не все!

Импеданс источника и нагрузки. Последнее замечание очень важно, поэтому задержим на нем свое внимание, прежде чем приступить к вычислениям, связанным со свойствами эмиттерных повторителей. При анализе электронных схем всегда стремятся связать выходную величину с какой — либо входной, как например на рис. 2.7. В качестве источника сигнала может выступать выход усилительного каскада (с эквивалентным последовательным импедансом Z_вых), к которому подключен еще один каскад или нагрузка (обладающая входным импедансом Z_вх). Вообще говоря, нагрузочный эффект следующего каскада проявляется в ослаблении сигнала, о чем шла речь ранее в разд. 1.05. В связи с этим обычно стремятся к тому, чтобы выполнялось условие Z_вых « Z_вх (практическое правило рекомендует использовать коэффициент 10, что на самом деле весьма добно).

Рис. 2.7. Представим «нагрузку» схемы как делитель напряжения.

В некоторых случаях вполне можно пренебречь этим общим требованием для обеспечения стабильности источника по отношению к нагрузке. В частности, если нагрузка подключена всегда (например, входит в состав схемы) и если она представляет собой известную и постоянную величину Z_вх, то нет ничего опасного в том, что она «нагружает» источник. Тем не менее, хуже не будет, если уровень сигнала не изменяется при подключении нагрузки. Кроме того, если Z_вх изменяется при изменении уровня сигнала, то стабильный источник (Z_вых « Z_вх) обеспечивает линейность, а делитель напряжения дает искажение линейной зависимости.

Наконец, в двух случаях условие Z_вых « Z_вх соблюдать просто нельзя: в радиочастотных схемах импедансы обычно выравнивают (Z_вых = Z_вх). Второе исключение относится к случаю, когда передаваемым сигналом является не напряжение, а ток. В этом случае ситуация меняется на противоположную, и нужно стремиться к выполнению условия Z_вх « Z_вых (для источника тока Z_вых = ∞).

Входной импеданс и импеданс эмиттерного повторителя. Итак, эмиттерный повторитель обладает способностью согласовывать импедансы источников сигналов и нагрузок. В этом и состоит его назначение.

Давайте подсчитаем входной и выходной импеданс эмиттерного повторителя. Предположим, что в приведенной схеме в качестве нагрузки выступает резистор R (на практике иногда так и бывает, в других случаях нагрузку подключают параллельно резистору R, но при параллельном соединении преобладает сопротивление R). Пусть напряжение на базе изменилось на величину ΔU_б; соответствующее напряжение на эмиттере составит ΔU_э = ΔU_б. Определим изменение тока эмиттера: ΔU_э = ΔU_б/R. равное ΔI_б = [1/(h_21э + 1)]I_э = ΔU_б/R(h_21э + 1) (с учетом того, что I_э = I_к + I_б). Входное сопротивление схемы равно ΔU_б/ΔI_б, следовательно,

r_вх = (h_21э + 1)R.

Коэффициент β (h_21э) обычно имеет значение около 100, поэтому подключение нагрузки с небольшим импедансом приводит к тому, что импеданс со стороны базы становится очень большим; с такой нагрузкой схеме легко работать.

В выполненном только что преобразовании, как и в гл. 1, мы использовали для обозначения некоторых величин строчные буквы, например h_21э, тем самым мы указали, что имеем дело с приращениями (малыми сигналами). Чаще всего нас интересует изменение напряжения (или тока) в схеме, а не постоянные значения (или значения по постоянному току) этих величин. Очень часто эти изменения малых сигналов и представляют собой реальный сигнал, например в усилителе звуковых частот, который имеет устойчивое «смещение» по постоянному току (см. разд. 2.05). Различие между коэффициентом усиления по постоянному току (h_21э) и коэффициентом усиления по току для малого сигнала h_21э не всегда очевидно, и для того, и для другого случая используют понятие коэффициента усиления β. Если учесть, что h_21э ≈ h_21э (за исключением очень высоких частот) и в большинстве случаев интерес представляет не точное, а приблизительное значение этого коэффициента, то использование коэффициента β вполне допустимо.

В полученном соотношении фигурируют активные сопротивления, однако его можно обобщить и распространить на комплексные импедансы, если переменные ΔU_б, ΔI_б и др. заменить их комплексными представлениями. В результате получим правило преобразования импедансов для эмиттерного повторителя:

Z_вх = (h_21э + 1)Z_нагр.

Проделав аналогичные преобразования, найдем выходной импеданс эмиттерного повторителя Z_вых (импеданс со стороны эмиттера) при использовании источника сигнала с внутренним импедансом Z_ист:

Z_вых = Z_ист/(h_21э + 1).

Строго говоря, в выходной импеданс схемы надо включить и сопротивление параллельного резистора R, но Z_вых (импеданс со стороны эмиттера) играет основную роль.

Упражнение 2.1. Покажите, что приведенное выше соотношение справедливо. Подсказка: найдите изменение выходного тока при фиксированном напряжении источника и заданном изменении выходного напряжения. Учтите, что напряжение источника подается на базу через его последовательно включенное внутреннее сопротивление.

Благодаря таким полезным свойствам эмиттерные повторители находят широкое практическое применение, например при создании внутри схем (или на их выходе) источников сигналов с низким импедансом, при получении стабильных эталонных напряжений на основе эталонных источников с высоким импедансом (сформированных, скажем, с помощью делителей напряжения) и для изоляции источников сигналов от влияния последующих каскадов.

Упражнение 2.2. На основе эмиттерного повторителя, к базе которого подключен делитель напряжения, создайте схему источника напряжения +5 В при условии, что используется стабилизированный источник напряжения питания +15 В. Ток нагрузки (максимальный) равен 25 мА. Сопротивление резисторов следует выбрать так, чтобы при подключении полной нагрузки напряжение на выходе изменялось не более чем на 5%.

Некоторые замечания по поводу эмиттерных повторителей.

Рис. 2.8. Из эмиттерного повторителя n-p-n — типа, может вытекать большой ток, который будет протекать через транзистор, втекать же может ограниченное количество тока и лишь через эмиттерный резистор.

1. Отметим (разд. 2.01, правило 4), что транзистор n-p-n — типа в эмиттерном повторителе может только отдавать ток. Например, для схемы, показанной на рис. 2.8, выходное напряжение в положительной полуплоскости изменяется в пределах напряжения насыщения транзистора U_кк (что составляет +9,9 В), в отрицательной полуплоскости оно ограничено значением -5 В. Это связано с тем, что при увеличении отрицательного напряжения на входе транзистор в определенный момент просто выключается, напряжение на входе составляет при этом -4,4 В, а не выходе -5 В. Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения на входе приводит лишь к обратному смещению перехода база-эмиттер, но на выходе это никак не проявляется. Выходной сигнал для входного синусоидального напряжения с амплитудой 10 В показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Эмиттерный повторитель n-p-n — типа, как схема формирования асимметричного токового сигнала.

Можно также рассматривать поведение эмиттерного повторителя, исходя из того, что он обладает небольшим выходным импедансом для малого сигнала (динамический импеданс). Его выходной импеданс для большого сигнала может быть значительно больше (равен R_э). Изменение импеданса от первого значения ко второму происходит в тот момент, когда транзистор выходит из активного режима (в нашем примере при напряжении на выходе -5 В). Иначе говоря, небольшой выходной импеданс для малого сигнала не означает еще. что схема может создавать большой сигнал на низкоомной нагрузке. Если схема имеет небольшой выходной импеданс для малого сигнала, то из этого не следует, что она обладает способностью передавать в нагрузку большой ток.

Для того чтобы преодолеть ограничение, присущее схеме эмиттерного повторителя, можно, например, в эмиттерной цепи использовать резистор с меньшим сопротивлением (тогда на резисторе и транзисторе будет рассеиваться большая мощность), или использовать двухтактную схему, в которой два транзистора (n-p-n — типа и p-n-p — типа) взаимно дополняют друг друга (разд. 2.15). Проблемы такого рода возникают также в тех случаях, когда нагрузка эмиттерного повторителя имеет внутри собственный источник напряжения или тока. Примером такой схемы служит стабилизированный источник питания (на выходе которого стоит обычно эмиттерный повторитель), работающий на схему, содержащую собственный источник питания.

2. Не забывайте, что напряжение пробоя перехода база-эмиттер для кремниевых транзисторов невелико и часто составляет всего 6В. Входные сигналы, имеющие достаточно большую амплитуду для того, чтобы вывести транзистор из состояния проводимости, могут вызвать пробой перехода (и последующее уменьшение значения коэффициента h_21э). Для предохранения от пробоя можно использовать диод (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Диод предохраняет переход база-эмиттер от пробоя.

3. Коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше 1,0, так как падение напряжения на переходе база-эмиттер фактически не является постоянным, а немного зависит от коллекторного тока. Далее в этой главе мы вернемся к этому вопросу, когда будем рассматривать уравнение Эберса-Молла.

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

Эмиттерный повторитель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эмиттерный повторитель на основе npn-транзистора Используемая на практике схема усилителя на эмиттерном повторителе. Резисторы R₁ и R₂ задают начальный режим работы транзистора («смещение»), C₁ и C₂ устраняют постоянную составляющую входного и выходного сигналов

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

I _вх = I _б

I _вых = I _э

U _вх = U _бэ + U _Rэ

U _вых = U _Rэ

• Коэффициент усиления по току:

Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β  [β>>1]

• Коэффициент усиления по напряжению:

Uвых/Uвх = URэ/(Uбэ+URэ) < 1

• Входное сопротивление:

Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ+URэ)/Iб

• Выходное сопротивление:

Rвых = Uвых/Iвых = URэ/Iэ = Rэ

Достоинства:

• Большое входное сопротивление
• Малое выходное сопротивление

Недостатки:

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

См. также

Ссылки

Эмиттерный повторитель — это… Что такое Эмиттерный повторитель?

Эмиттерный повторитель на основе npn-транзистора Используемая на практике схема усилителя на эмиттерном повторителе. Резисторы R₁ и R₂ задают начальный режим работы транзистора («смещение»), C₁ и C₂ устраняют постоянную составляющую входного и выходного сигналов

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель,а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_э/I_б=I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бэ+U_кэ)/I_б

Достоинства:

• Большое входное сопротивление
• Малое выходное сопротивление

Недостатки:

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

См. также

Ссылки