Вопрос 1. Эмиттерный повторитель. Назначение, принципы построения и работы.

На рис. 1.1 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 переходе база-эмиттер: U_э = U_Б — 0,6 В.

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.

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.

Рисунок 1.1 - Эмиттерный повторитель

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. 1.2.

 

Рисунок 1.2 - Связь выходной величины с какой-либо входной

 

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). 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 удобно).

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. 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. 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 U_Б, соответствующее напряжение на эмиттере составит

Определим изменение тока эмиттера  равное

(с учетом того, что ).

Входное сопротивление схемы равно  следовательно,

= (h_21э + 1)R.

Коэффициент 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 мы использовали для обозначения некоторых величин строчные буквы, например h₂₁э, 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. Различие между коэффициен­том усиления по постоянному току (h_21э) и коэффициентом усиления по току для малого сигнала h₂I_Э не всегда очевидно, и для того, и для другого случая исполь­зуют понятие коэффициента усиления .  В полученном соотношении фигуриру­ют активные сопротивления, однако его можно обобщить и распространить на комплексные импедансы, если переменные , и др. заменить их комплекс­ными представлениями. В результате получим правило преобразования импедансов для эмиттерного повторителя:

.

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

.

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

Рисунок 1.3 – Эмиттерный повторитель с нагрузкой

 

 

Рисунок 1.4 – Эпюры входных и выходных напряжений ЭП

 

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

Некоторые замечания по поводу эмиттерных повторителей.

Транзистор n-р-n-типа в эмиттерном повторителе может только отдавать ток. Например, для схемы, по­казанной на рис. 1.3, 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. 1.4

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).

Смещение в эмиттерном повторителе

Если на эмиттерный повторитель должен поступать сигнал с предшествующего каскада схемы, то лучше всего подклю­чить его непосредственно к выходу пре­дыдущего каскада, как показано на рис. 1.5.

 

Рисунок 1.5 – Подключение эмиттерного повторителя к каскаду

 

Так как сигнал на коллекторе транзистора Т. изменяется в пределах диапазона, ограниченного значениями напряжения источников питания, то по­тенциал базы Т₂ всегда заключен между напряжением U_кк и потенциалом земли, а следовательно,  находится в активной области (не насыщен и не в отсечке). При этом переход база-эмиттер открыт, а потенциал коллектора, по крайней мере на несколько десятых долей вольта боль­ше, чем потенциал эмиттера В некоторых случаях вход эмиттерного повторителя и напряжение питания неудачно соотно­сятся друг с другом, и тогда может возникнуть необходимость в емкостной связи (или связи по переменному току) с внешним источником сигнала (напри­мер, это относится к сигнальному входу высококачественного усилителя низкой звуковой частоты). В этом случае среднее напряжение сигнала равно нулю и не­посредственная связь с эмиттерным повторителем приведет к тому, что сигнал на выходе будет изменяться относительно входа, как показано на рис 1.6.

Рисунок 1.6 - Эпюры входных и выходных напряжений ЭП

 

В эмиттерном повторителе (а фактичес­ки в любом транзисторном усилителе) необходимо создать смешение для того, чтобы коллекторный ток протекал в тече­ние полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения (рис. 1.7).

 

 

Рисунок 1.7 – Использование делителя напряжения в эмиттерном повторителе

 

Резисторы R_г и R₂ выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен половине разности между напряжением источника Нкк и потенциалом земли т. е. сопротив­ления R₁ и R₂ равны. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме в отсутствие поданных на ее вход сигналов называется установкой рабочей точки или точки по­коя. Для этой схемы, как и в большинстве случаев, точку покоя устанавливают так. чтобы на выходе формировался макси­мальный симметричный сигнал (без огра­ничений или срезов). Какими должны быть при этом сопротивления резисторов R₁ и R₂? Применяя общий подход, допустим, что импеданс ис­точника смещения по постоянному току (импеданс со стороны выхода делителя) мал по сравнению с импедансом нагрузки (импеданс по постоянному току со сторо­ны базы повторителя). Тогда

Из этого соотношения следует, что ток протекающий через делитель напряжения, должен быть больше, чем ток, протекаю­щий по цепи базы.