Эмиттерный повторитель — Практическая электроника

Эмиттерный повторитель — это схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот нет. Так что, не забывайте об этом 😉

Схема эмиттерного повторителя

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:

R_вх = R_э  х β,

где R_э — это сопротивление резистора в цепи эмиттера

β — коэффициент усиления по току

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:

U_э = U_пит / 2 = 12/2=6 Вольт

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:

I_э=U_э / R_э

R_э=U_э / I_э

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:

I_дел  = 10 х I_б  = 10 х 3,3 = 33 мкА.

5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:

U_б = U_э + U_бэ  = 6 + 0,55 = 6,55 Вольт.

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:

t=R_вх х C1

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:

T=1/f

R_вх х C1=100 х 1/f

R_вх х С1 = 100 х 0,05

1,8 х 10⁶  х С1 = 5

С1= 5 / 1,8 х 10⁶  = 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.

Статья для Вас — электроника своими руками инструкции и схемы.

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:

Смотрим осциллограмму:

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:

β_общее = β₁  х β₂

где

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.

2.5 Пример расчета схемы эмиттерного повторителя

Исходные данные:

— схема на рис.2.4;

— напряжение питания U_п = 15 В;

— ток покоя коллектора I_к=1 мА;

— нижняя частота сигнала f_н= 20 Гц;

— тип транзистора npn.

Перед расчетом схемы по справочнику необходимо выбрать транзистор, исходя из заданного типа, напряжения питания, коллекторного тока и мощности, рассеиваемой транзистором. При расчете использовать минимальное значение из диапазона, приведенного в справочнике. В данном примере выберем транзистор КТ 373А с=100.

Расчет по постоянному току

1) Выберем напряжения U_э.

Для получения симметричного сигнала на выходе без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие U_э

=0.5 U_п.=7.5В.

2) Рассчитаем сопротивление R_э.

Ток покоя коллектора транзистора равен 1 мА и приблизительно равен току покоя эмиттера., поэтому R3=U_э / I_э= 7.5В/1мА = 7.5 Ком.

3) Определим сопротивления делителя напряжения R1, R2.

Напряжение на базе транзистора U_б= U_бэ+ U_э= 0.6В + 7.5В = 8.1В.

Определим ток базы транзистора I_б= I_к/= 1мА / 100 = 0.01мА.

Выберем ток делителя равным I_д= 10I_б=0.1мА.

R2= U_б/ I_д=8.1В / 0.1мА = 81 Ком.

R1= (U_п— U_б) / (I_д + I_б) = (15В — 8.

1В) / (1мА + 0.01мА) = 68 Ком.

После определения расчетных величин сопротивлений следует выбрать их номинальные значения из 5 % ряда номиналов, выпускаемых промышленностью.

Расчет по переменному току

Расчет по переменному току сводится к определению величин емкостей С1 и С2.

1) Емкость С1 и входное сопротивление усилителя образуют фильтр верхних частот. Из формулы для частоты среза фильтра можно найти значение С1. Частоту среза следует принять равной f_н. При определении входного сопротивления усилителя необходимо учесть, что переменный входной сигнал протекает на землю через сопротивления делителя напряженияR1 иR2 и базу транзистора. Таким образом, входное сопротивление усилителя равно параллельному включению резисторов делителяR1,R2 и входному сопротивлению усилителяr

вх, определяемого по формуле (2.2).

Определим R_д= R1R2 / (R1+R2)= 40 Ком,

r_вх= R3= 750 КОм,

R_вх= R_дr_вх/ (R_д+ r_вх) = 38 КОм.

C1 1/ 2f_нR_экв= 0.21 мкФ.

2) Емкость С2 с нагрузкой также образует RC– фильтр высоких частот. Величину сопротивления нагрузки выбираем равной сопротивлениюR_э, т.к. в этом случае в нагрузку отдаетс ямаксимальная мощность.

С2 1 / 2f_нR_э= 1 мкФ.

Так как, в схеме получили двухкаскадный фильтр высоких частот, то для предотвращения снижения амплитуды сигналов на самой низкой частоте емкости следует взять немного больше из стандартного ряда номиналов. Например С1= 1 мкФ, С2 = 3.3 мкФ.

1. Нарисуйте схему простейшего усилителя эмиттерного повторителя и объясните его работу?

2. Приведите временные диаграммы работы усилителя

3. Почему усилитель пропускает на выход тольеко положительную полуволну синусоидального входного сигнала

4. Чему равен коэффициент усиления по напряжению ЭП?

5. Выведите формулу коэффициента усиления по напряжению ЭП.

6. Дайте определение входному сопротивлению ЭП.

7. Выведите формулу для входного сопротивления.

8. Дайте определение выходному сопротивлению ЭП.

9. Выведите формулу для выходного сопротивления.

10. Чем отличается работа ЭП от однополупериодного выпрямителя?

11. Как задать напряжение смещения в ЭП?

12. Приведите схему ЭП с цепью смещения.

13. Объясните работу схемы ЭП с цепью смещения.

14. Нарисуйте временные диаграммы работы схемы ЭП с цепью смещения.

15. Выполните моделирование рассчитанной схемы ЭП.

Калькулятор проектирования конфигурации эмиттерного повторителя

BJT — Калькулятор проектирования конфигурации эмиттерного повторителя

ОБЗОР Это простой инструмент для расчета значений резисторов смещения. слабосигнальное усиление и входные/выходные сопротивления усилителя BJT с эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель обычно используется в качестве буфера, который обеспечивает высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Просто заполните поля ввода ниже в заданном порядке сверху вниз. Порядок полей служит пошаговым руководством для процесса проектирования. Значения базовых резисторов смещения рассчитываются автоматически (с использованием сопротивлений с допуском 5%), но можно указать пользовательские значения, и они не будут перезаписаны. После повторения любого значения сопротивления всегда нажимайте кнопку «Рассчитать результаты», чтобы обновить результаты. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Значения слабого сигнала оцениваются в средней полосе, CB закорочен. Усиление слабого сигнала оценивается как VO/VS, а вход/выход сопротивления оцениваются, как показано на рис.
Выберите рабочее напряжение VCC. Обычно достаточно 9 вольт.	ВКК:	вольт	Результаты .0032    дБ AC Входное сопротивление: Ri : Ом AC Выходное сопротивление: Ro : 41 Ом
Выберите BJT, который вы хотите использовать, из его технического описания. найдите текущий коэффициент усиления и поместите его здесь в качестве параметра.	hFE:	константа
Для удобства можно изменить напряжение база-эмиттер, который по умолчанию установлен на 0,65 В. Типичное напряжение VBE составляет 0,55–0,75 В.	ВБЕ:	вольт
Выберите требуемое напряжение смещения эмиттера. Обычно напряжение смещения коллектора составляет половину рабочего напряжения VCC.	ВЭ:	вольт
Выберите эмиттерный резистор RE для лучшей стабильности смещения и входного сопротивления. Значение RE влияет на номинал резистора смещения базы и входной импеданс.	RE:	Ом
Множитель для номиналов базовых резисторов, получаемых на следующем шаге. Слишком большое сопротивление у основания влияет на стабильность смещения. Используйте значения от 4 до 16.	Бх:	константа
Используйте кнопку «Рассчитать значения», чтобы определить точные значения базовых резисторов. Затем используйте кнопки со стрелками для округления вверх или вниз до ближайшего стандартного значения или оставьте как есть.	РБ1: РБ2:	Ом Ом
Также необходимо указать внутреннее сопротивление источника сигнала. Для идеального источника это значение мало, но для гитарного выхода это несколько кОм.	RS:	Ом

Базовое входное сопротивление эмиттерного повторителя

спросил

6 лет, 4 месяца назад

Изменено 10 месяцев назад

Просмотрено 4к раз

\$\начало группы\$

Я пытаюсь решить эту схему и запутался в том, как рассчитывается входное сопротивление базы транзистора. Я в замешательстве, как это делается? Каковы общие правила определения входных импедансов при рассмотрении базы, эмиттера или коллектора? Нужно ли полагаться на модели с малым сигналом?

• входное сопротивление
• эмиттерный повторитель

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Каковы общие правила определения входного сопротивления при смотреть в базу, эмиттер или коллектор?

Общие правила: —

Заглянув в коллектор, вы, как правило, обнаружите высокий импеданс (при условии, что транзистор работает линейно в «активной области»): —

В активной области видно, что при увеличении Vce ток коллектора увеличивается лишь на небольшую величину. Посмотрите на график, где базовый ток равен 0,3 мА; когда Vce составляет 5 В, Ic составляет около 10 мА, и, если вы увеличили Vce до 20 вольт, возможно, Ic увеличился до 10,5 мА. Итак, есть динамическое сопротивление 15 вольт деленное на 0,5 мА и, это динамическое сопротивление 30 кОм.

Если вы заглянете в эмиттер, то обнаружите более сложное место с импедансом, и, как правило, импеданс составляет всего несколько десятков Ом — подумайте об эмиттерном повторителе — у него низкий выходной импеданс (такой же, как у входное сопротивление смотрит внутрь), потому что, если сопротивление нагрузки уменьшится, то база-эмиттер будет включаться немного больше, а ток коллектора будет компенсировать это, сохраняя напряжение на эмиттере почти одинаковым.

При изучении базы необходимо учитывать эмиттерный резистор, а в цепи эмиттерного повторителя этот эмиттерный резистор иногда нагружается другим резистором, как показано на рисунке в вопросе.

Итак, эмиттерный резистор становится Re||Rload или \$\dfrac{R_e. R_{load}}{R_e + R_{load}}\$, и это должно показаться вам знакомым как часть уравнения в вашем вопрос. Из-за усиления по току это комбинированное сопротивление эмиттера переносится на базу путем умножения на hFE. В конечном итоге импеданс, который вы рассчитываете, будет параллелен резисторам смещения базы, поэтому есть еще один шаг для расчета входного импеданса, а не только импеданса, смотрящего на базу.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Входное сопротивление в базовом узле:

Это довольно простая процедура, начиная с определения входного сопротивления: rin=Vin/Iin=Vb/Ib с Iin=Ib и Vin=Vb .

• Используя дифференциальное сопротивление база-эмиттер rbe=h21=1/yie, мы можем записать

  In=Ib=Vbe/rbe=(Vb-Ve)/rbe=Vb/rbe — IeRe/rbe (Re=Remitter||Rload)=5k||3k).

• Ib=Vb/rbe — Ib(hfe+1)Re/rbe (поскольку Ie=(hfe+1)Re ; hfe=beta).