Эмиттерный повторитель
На рисунке 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): UЭ = UБ – 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 Uвх 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 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.
Импеданс источника и нагрузки. При анализе электронных схем всегда стремятся связать выходную величину с какой‑либо входной, как например на рисунке
В качестве источника сигнала может выступать выход усилительного каскада (с импедансом Zвых), к которому подключен еще один каскад или нагрузка (обладающая входным импедансом Zвх). Обычно стремятся выполнить условие Zвых<< Zвх (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 Zвх, 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 Zвх 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 Zвых<< Zвх 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 = ).
Эмиттерный повторитель обладает способностью согласовывать импедансы источников сигналов и нагрузок.
Правило преобразования импедансов для эмиттерного повторителя:
Z вх = (h21э + 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/(h21э + 1).
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.
Замечания
1. Отметим (правило4 для биполярного транзистора), что транзистор n р n типа в эмиттерном повторителе может только отдавать ток. Например, для схемы, показанной на рисунке ниже, выходное напряжение в положительной полуплоскости изменяется в пределах напряжения насыщения транзистора Uкк (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 рисунке.
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 RЭ). 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).
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. Напряжение пробоя перехода база‑эмиттер для кремниевых транзисторов невелико и часто составляет всего 6 В. Входные сигналы, имеющие достаточно большую амплитуду для того, чтобы вывести транзистор из состояния проводимости, могут вызвать пробой перехода (и последующее уменьшение значения коэффициента h21э). Для предохранения от пробоя можно использовать диод.
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.
Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения
Простейшим стабилизатором напряжения служит обычный зенеровский диод (стабилитрон)
Через него должен протекать некоторый ток, поэтому нужно обеспечить выполнение следующего условия:
(Uвх – Uвых )/R = Iвых (макс)
Так как напряжение Uвх не стабилизировано, то в формулу нужно поставить наименьшее возможное значение Uвх . Это пример того, как следует проектировать схему для жестких условий работы. На практике учитывают также допуски на параметры компонентов, предельные значения напряжения в сети и т. п., стремясь предусмотреть наихудшее возможное сочетание всех значений.
На стабилитроне рассеивается мощность:
Pстаб = [(Uвх – Uвых )/R – Iвых ]Uвых
Для того чтобы предусмотреть работу в жестких условиях, при расчете Рстаб также следует использовать значения Uвх (макс), R (мин.) и Iвых (мин.).
Стабилизированный источник с стабилитроном, как правило, используют в некритичных схемах или в схемах, где потребляемый ток невелик.
Ограничения такой схемы проявляются в следующем:
Напряжение Uвых нельзя отрегулировать или установить на заданное значение.
Стабилитроны имеют конечное динамическое сопротивление, а в связи с этим они не всегда достаточно сильно сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения нагрузки.
При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать стабилитрон с большой мощностью рассеяния, так как при малом токе нагрузки он должен рассеять на себе значительную мощность, равную максимальной мощности в нагрузке.
На рисунке представлена улучшенная схема, в которой стабилитрон отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. В такой схеме дела обстоят лучше.
Ток стабилитрона теперь относительно независим от тока нагрузки, так как по цепи базы транзистора протекает небольшой ток и мощность, рассеиваемая на стабилитроне, значительно меньше (уменьшение в h21Э раз). Резистор Rк можно добавить в схему для того, чтобы он предохранил транзистор от выхода из строя при кратковременном коротком замыкании выхода за счет ограничения тока, и, хотя эмиттерный повторитель нормально работает и без этого резистора, его присутствие в схеме вполне обоснованно. Резистор Rк следует выбирать так, чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем было меньше, чем на резисторе R.
Для снижения пульсаций тока в стабилитроне (протекающего через резистор R) иногда применяют метод, основанный на использовании в цепи питания стабилитрона фильтра низких частот
Резистор R выбирают так, чтобы обеспечить необходимый ток в стабилитроне. Конденсатор С должен иметь емкость, достаточно большую для того, чтобы выполнялось условие RC >> 1/f . (В одном из вариантов этой схемы верхний резистор заменен диодом).
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 рисунке
Так как сигнал на коллекторе транзистора Т1 изменяется в пределах диапазона, ограниченного значениями напряжения источников питания, то потенциал базы Т2 всегда заключен между напряжением UKK и потенциалом земли, а следовательно, Т2 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 рисунке
В эмиттерном повторителе (а фактически в любом транзисторном усилителе) необходимо создать смещение для того, чтобы коллекторный ток протекал в течение полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения.
Резисторы R1 и R2 выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен половине разности между напряжением источника UKK 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 ?
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 параллельное соединение резисторов
R1 ||R 2 << h21ЭRЭ
Из этого соотношения следует, что ток, протекающий через делитель напряжения, должен быть больше, чем ток, протекающий по цепи базы.
Пример разработки схемы эмиттерного повторителя. В качестве примера разработаем схему эмиттерного повторителя для сигналов звуковой частоты (от 20 Гц до 20 кГц). Напряжение UKK составляет +15 В, ток покоя равен 1 мА.
Шаг 1. Выбор напряжения UЭ. Для получения симметричного сигнала без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие UЭ = 0,5UKK , или +7,5 В.
Шаг 2. Выбор резистора RЭ. Ток покоя должен составлять 1 мА, поэтому RЭ = 7,5 кОм.
Шаг 3. Выбор резисторов R1 и R2 . Напряжение UБ – это сумма UЭ + 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 h21э )· 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 h21эRэ , 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.
Эмиттерный повторитель с учетом поправок уравнения Эберса-Молла.
Согласно модели Эберса‑Молла эмиттерный повторитель должен иметь ненулевой выходной импеданс даже в том случае, когда схемой управляет источник напряжения, так как эмиттерный повторитель обладает вполне определенным сопротивлением rЭ. По той же причине усиление по напряжению будет немного меньше единицы, так как rЭ и резистор нагрузки образуют делитель напряжения.
Эти явления нетрудно описать математически. При фиксированном напряжении на базе импеданс со стороны эмиттера есть не что иное, как Rвых = dUБЭ /dIЭ, но IЭ = IК, поэтому Rвых ~= rЭ ‑ собственное сопротивление эмиттера [rЭ = 25/IК (мА)]. Например, на рисунке а импеданс со стороны нагрузки rЭ = 25 Ом, так как IК = 1 мА. (Если используется эмиттерный резистор RЭ, то образуется параллельное соединение, на практике RЭ всегда значительно больше, чем rЭ). На рисунке б представлена более распространенная ситуация – источник имеет конечное сопротивление R ист (для простоты в схеме опущены компоненты смещения – базовый делитель и блокировочный конденсатор – эти компоненты присутствуют на рисунке в).
