Глава III ДРУГИЕ ОДНОТРАНЗИСТОРНЫЕ

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С RC-СВЯЗЯМИ

Эмиттерный повторитель

Схема простого эмиттерного повторителя (ЭП) показана на рис.3.1, а. Название объясняется тем, что выходное напряжение практически совпадает с входным по величине и отсутствует фазовый сдвиг (инверсия фазы). Эквивалентная схема для области средних частот представлена на рис.3.1., б. Считаем, что нагрузка чисто активная. Резистор выполняет роль нагрузки на постоянном токе. Базовый ток задается делителем на резисторах и . Иногда резистор в схему не ставят вообще с целью повышения входного сопротивления. Поскольку резистор в цепи коллектора отсутствует, напряжение источника питания делится между транзистором и , резистор может быть выбран достаточно большим. Следовательно может быть получена высокая температурная стабильность каскада (S = 4...5). Расчет каскада на постоянном токе аналогичен расчету схемы с общим эмиттером. Базовый делитель задается из условия: . По этой причине он отсутствует в эквивалентной схеме. Направление токов соответствует транзистору n-p-n. Определим основные усилительные параметры.

Входное сопротивление

. Входное напряжение приложено

Эмиттерный повторитель (а) и его эквивалентная схема для области средних частот (б)

к резистору и цепи . По первому резистору течет ток , по второму . Тогда . Так как , то

. (3.1)

Для оптимального режима работы транзистора (не микрорежим) и

или приближенно:

Максимум будет при условии холостого хода на выходе и , то есть . Таким образом, входное сопротивление повторителя не может быть больше дифференциального сопротивления коллекторного перехода транзистора в схеме с общей базой. При работе в микрорежиме пренебрегать дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода нельзя. Для малых значений , когда , . В самом общем случае .

Коэффициент передачи по напряжению равен . Из эквивалентной схемы . Найдем ток базы. На переменном токе по эквивалентной схеме сопротивление генератора включено последовательно с входным сопротивлением каскада. По Кирхгофу , откуда . Подставим ток базы в , разделим на и получим коэффициент передачи:

. (3.2)

В обычных условиях (не микрорежим) и

Из выражений следует, что зависит от и суммарной нагрузки , а по величине он меньше единицы. Максимум получается в режиме холостого хода на выходе ( ) и при идеальном генераторе :

Получили, что коэффициент передачи каскада равен коэффициенту передачи транзистора по напряжению.

В другом частном случае, когда получим (без расшифровки входного) сопротивления:

Коэффициент передачи по току равен . Так как мы рассматриваем передачу тока, то воспользуемся эквивалентной схемой рис.3.2., где для простоты пренебрегли сопротивлением эмиттерного перехода. Обозначим . Тогда , ,

. Подставим в последнее , расшифруем и найдем ток нагрузки

Так как выходной ток это ток эмиттера, а , то

Воспользуемся выражением тока базы, полученным ранее . Подставим его в ток нагрузки и, поделив на ток генератора, получим:

Эквивалентная схема повторителя для определения коэффициента передачи по току

. (3.3)

Если , то коэффициент передачи .

Максимум будет, если генератор тока идеальный и в режиме короткого замыкания на выходе ( ): .

Таким образом, эмиттерный повторитель может использоваться как усилитель тока или как усилитель мощности.

Выходное сопротивление найдем в несколько этапов. Сначала найдем сопротивление в точке (рис.3.3.). На переменном токе генератор э.д.с подключен к каскаду через разделительный конденсатор, а выходное сопротивление определяется в режиме холостого хода на входе. Для запуска схемы приложим к участку вспомогательное напряжение . При этом потечет ток

: , , .

Выходное сопротивление в точке Э будет равно:

Эквивалентная схема повторителя для определения выходного сопротивления

Подключим параллельно

резистор

Получим . Подставим .

Так как , то

Поскольку , то окончательно имеем

Выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала и растет с увеличением .

Минимальное сопротивление получается при :

Выходное сопротивление повторителя обычно лежит в пределах от долей и единиц до одной – двух сотен Ом.

Динамический диапазон входных сигналов у эмиттерного повторителя самый большой из всех усилительных каскадов. Объясняется это тем, что потенциал эмиттера из-за того, что значительно превышает сопротивление участка база-эмиттер, практически повторяет потенциал базы, то есть входной сигнал. Принято считать, что верхний предел равен условно В. Нижний предел определяется условием . Сопротивление эмиттерного перехода и нагрузочные резисторы образуют резистивный делитель напряжения, коэффициент передачи которого при невыполнении условия становится существенно меньше единицы.

Частотные и временные свойства повторителя в области больших времен и низших частот не отличаются от других усилительных каскадов Можно воспользоваться формулами схемы с общим эмиттером, подставив в них значения входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя.

В области высших частот и малых времен повторитель существенно отличается от схемы с общим эмиттером. Основной параметр повторителя – входное сопротивление зависит от частоты. Комплексный входной импеданс записывается так [1]:

, где ,

, , , , .

Эмиттерные повторители могут применяться как согласующие каскады (малое выходное и большое входное сопротивления) или как усилители мощности.

Каскад с эмиттерным входом

Рис.3.4. Каскад с эмиттерным входом (а) и его эквивалентная схема для области средних частот (б)

На рис.3.4, а показана принципиальная, а на рис.3.4, б эквивалентная схема для области средних частот. Как видно, транзистор включен по схеме с общей базой. На эквивалентной схеме отсутствует резистор

. По аналогии с

схеме с общим эмиттером он выбирается из условия и не влияет на работу каскада на переменном токе. По схеме , а при параллельном соединении общее сопротивление определяет меньшее, то есть сопротивление базы транзистора. Входная цепь будет состоять, таким образом из резисторов Найдем входное сопротивление. , , . Вспомним, что . Тогда

Из формулы следует, что входное сопротивление каскада мало.

Вывод формулы входного сопротивления можно было бы не проводить, так как структурное подобие схем ОЭ и ОБ позволяет во всех выражениях схемы с общим эмиттером просто провести замену:

Коэффициенты передачи по напряжению и току в схемах ОЭ и ОБ:

, .

. .

В обеих схемах .

Из формулы коэффициента передачи тока схемы ОБ следует, что , а многокаскадные усилители вообще не имеют смысла. Действительно, пусть , что является лучшим случаем для передачи напряжения. Пусть генератором для него является такой же каскад, то есть . Тогда

В схеме ОБ как и в схеме ОЭ существует внутренняя обратная связь (ОС) по току. Поэтому есть и вторая форма записи основных усилительных параметров каскада – с учетом внутренней обратной связи. Однако в отличие от схемы ОЭ ОС будет не отрицательной, а положительной. В схеме ОЭ

В схеме ОБ

, ,

а если , то . Чем больше , тем больше (ОС отрицательная). Чем больше , тем меньше (ОС положительная). В схемах ОЭ и ОБ:

, .

С ростом обратной связи в схеме ОЭ уменьшается, а в схеме ОБ растет. В схеме ОЭ

в схеме ОБ

Точное значение выходного сопротивления с учетом обратной связи в схемах ОЭ и ОБ:

, .

В области больших времен и низших частот различия в схемах ОБ и ОЭ практически нет. В области малых времен и высших частот схема ОБ имеет лучшие характеристики. Действительно,

Вспомним, что

Заменим на , а на . Получим

Так как , то , а . Вернемся к верхней граничной частоте и проведем замену, чтобы перейти к схеме ОБ. Получим

, где , .

Время нарастания фронта импульса .

АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика записываются по общим формулам усилительных каскадов. Следует только отметить, что схема ОБ имеет существенную особенность состоящую в том, что входное сопротивление имеет не емкостной, как в схемах ОЭ и ОК, а индуктивный характер. Действительно, с ростом частоты коэффициент передачи уменьшается, а входное сопротивление растет.

Фазоинверсный каскад

Фазоинверсный каскад предназначен для получения сразу двух выходных сигналов, имеющих сдвиг по фазе в 180 градусов. Принципиальная схема каскада показана на рис.3.5. По выходу 1 транзистор работает по схеме с общим эмиттером и дает фазовый сдвиг на . По выходу 2 имеем эмиттерный повторитель, не дающий фазового сдвига.