Что такое эмиттерный повторитель: Эмиттерный повторитель | Практическая электроника

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.

[quads id=1]

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.

2.03. 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

Основы электроники. Эмиттерный повторитель и стабилитрон.

Продолжается сага о биполярных транзисторах, и сегодня будет вторая часть из трех 🙂 В этой статье мы обсудим такую замечательную вещь, как эмиттерный повторитель. Тема эта довольно важна для понимания принципа работы транзистора, поэтому постараюсь все описать довольно подробно и главное понятно.

В общем, начинаем разбираться, и начнем мы, собственно, со схемы.

Схема эмиттерного повторителя.

Выходной сигнал тут снимается с эмиттера, а чему он равен? Правильно, напряжение на базе минус 0.6 В (прямое напряжение диода база – эмиттер). Вот и получается, что сигнал на выходе повторяет входной сигнал за той лишь разницей, что амплитуда его меньше на 0.6 В. Таким образом, эмиттерный повторитель полностью оправдывает свое название 🙂

Все это, конечно, замечательно, но может возникнуть резонный вопрос – зачем все эти пляски? Устройство то получилось бесполезное –  что на вход подали, то с выхода и сняли…

Думаю всем понятно, что смысл в этом все же есть, так что давайте разбираться, в чем тут фишка. Но сначала отвлечемся ненадолго и обсудим один важный для понимания электроники в целом момент.

Импеданс нагрузки и источника сигнала.

Строго говоря, сопротивление может быть активным и реактивным (комплексным), но все-таки, сегодня разговор не об этом, поэтому углубляться не будем, просто запомним, что импеданс – это полное сопротивление. А тонкости мы обязательно рассмотрим как-нибудь в отдельной статье.

Итак, нагрузка, источник сигнала и их импеданс!

Пусть у нас есть источник напряжения и к нему подключена нагрузка. Источник не идеальный (а вполне реальный), поэтому его внутреннее сопротивление не равно 0. И в итоге мы получаем делитель напряжения (его составляют резистор нагрузки и внутренне сопротивление источника), что приводит к тому, что на полезной нагрузке будет напряжение меньшее, чем выдает источник. Естественно, это плохо и с этим надо бороться. А как? Ну, тут только один вариант – внутреннее сопротивление источника должно быть намного меньше,  чем сопротивление нагрузки – R_{вн} << R_{н}. В случае источника тока, картинка прямо противоположная, то есть R_{вн} >> R_{н}.

В электрических схемах в качестве источника сигнала может выступать, например, выход усилительного каскада (его сопротивление R_{вых}), а в качестве нагрузки, например, другой каскад, ну или непосредственно нагрузка (с сопротивлением R_{вх}). Вспоминаем выводы, которые мы получили для примера с источником питания и нагрузкой, и получаем, что R_{вх} должно быть намного больше, чем R_{вых}. А если обобщить, то получаем Z_{вых} << Z_{вх} (символом Z обозначается величина импеданса).

А теперь вспоминаем, что мы вообще то обсуждаем тут и возвращаемся к схеме эмиттерного повторителя 🙂

Так вот важнейшее свойство эмиттерного повторителя заключается в том, что его входной импеданс намного больше, чем выходной. И это его свойство невероятно полезно. Смотрите сами – пусть у нас есть источник напряжения и нагрузка. Сопротивление нагрузки должно быть значительно больше выходного сопротивления источника. А если источник подключить к нагрузке через эмиттерный повторитель, то источник сможет работать на нагрузку с меньшим значением импеданса. То есть, если у нас R_{нагрузки}(R_{вх}) примерно равно выходному сопротивлению источника (R_{вых}), например, то потеря амплитуды сигнала будет довольно-таки велика (из-за делителя напряжения, состоящего из R_{вых} и R_{вх}). А если мы включим в цепь эмиттерный повторитель, то эти потери будут значительно уменьшены!

А, если говорить совсем просто, то эмиттерный повторитель обеспечивает увеличение тока, и, соответственно, мощности, хоть напряжение и не меняется. Теперь-то, надеюсь, ни у кого не останется сомнений в полезности этого устройства 🙂

Вот мы и разобрались с принципом работы эмиттерного повторителя. Но на этом  не заканчиваем, давайте-ка посмотрим практические схемы его использования. И в качестве примера хочу показать вам, как использовать повторитель для стабилизации напряжения.

Тут придется второй раз отвлечься от основной темы и немного уделить внимания еще одному полезнейшему элементу – а именно стабилитрону.

Стабилитрон.

Стабилитрон, кстати, также называют зенеровским диодом. Его вольт-амперная характеристика похожа на характеристику обычного диода:

Но вот используется он буквально противоположно. Посмотрите на схему:

Обратите внимание на то, что катод подключен к плюсу(!), то есть рабочей областью для зенеровского диода является обратная ветвь ВАХ. Пусть на входе имеется нестабильный источник, тогда питающий ток меняется в некоторых пределах, что вообще-то не очень хорошо. При использовании стабилитрона достаточно большим изменениям входного тока соответствуют очень небольшое изменение выходного напряжения. Это следует из вольт-амперной характеристики – видно, что на обратной ветви, при определенном значении напряжения, характеристика круто уходит вниз. То есть при разных значениях тока (в довольно-таки широких пределах) напряжение на стабилитроне практически не изменяется, что нам собственно, и требуется 🙂 С этим вроде бы все понятно.

У этого способа стабилизации напряжения есть ряд минусов. Во-первых, мы не можем отрегулировать выходное напряжение и установить его на определенное значение, ведь оно определяется характеристикой конкретного стабилитрона. Ну а во-вторых, все-таки стабилитрон не идеален, и в связи с этим пульсации входного напряжения сглаживаются не всегда хорошо.  А если через нагрузку ток не течет, то вся мощность должна рассеяться на стабилитроне, то есть при проектировании схем нужно подыскивать стабилитрон с большой мощностью рассеяния. И тут мы возвращаемся к главной теме нашей беседы, то есть к эмиттерному повторителю, который может значительно улучшить схему стабилизации.

Стабилитрон работает так же, как и в предыдущей схеме, то есть стабилизирует напряжение на базе транзистора. Так как это повторитель, то на выходе мы также получаем стабилизированное значение напряжения. А польза такой схемы заключается в том, что теперь ток, протекающий через стабилитрон, не зависит от тока нагрузки (действительно через стабилитрон течет малый ток базы, который потом усиливается транзистором).  Ток меньше, а вместе с ним, становится меньше и мощность, рассеиваемая на стабилитроне.

А теперь давайте, вспомним, что мы уже изучили в предыдущих статьях, и прикинем, как бы еще улучшить эту схему. Было бы неплохо (даже очень хорошо!) снизить пульсации тока в стабилитроне. А как можно отфильтровать пульсации? Конечно, же фильтром! Фильтром низких частот (про фильтры уже было раньше – вот тут). Добавляем его в схему:

Вот так и получаются сложные принципиальные схемы – там что-нибудь добавить, тут что-нибудь улучшить, а здесь что-нибудь отфильтровать 🙂

Про биполярные транзисторы вообще можно разговаривать практически бесконечно, но читать это потом будет нереально, так, что, пожалуй, на этом сегодня и остановимся. Многое еще надо рассмотреть, так что до скорого, до новых статей!

Выходное сопротивление – эмиттерной повторитель

Выходное сопротивление – эмиттерной повторитель

Cтраница 3

В реальных схемах одноэлементная настройка на частоту квазирезонанса затруднительна. Сказываются производственные разбросы параметров элементов R и С и влияние выходных сопротивлений эмиттерных повторителей.  [31]

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. При малом сопротивлении источника сигнала и большом коэффициенте усиления тока транзистора выходное сопротивление эмиттерного повторителя стремится к гэ и составляет всего несколько десятков ом.  [32]

Выход ЛЗ соединяется с базой транзистора Т5, включенного по схеме ОК. Это позволяет легко согласовать ЛЗ с нагрузочным резистором из-за сравнительно небольшой входной емкости каскада, а также обеспечить регулировку усиления канала яркости ( контрастности) регулятором R8a, установленным на блоке управления, так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало.  [33]

Эмиттерный повторитель согласовывает низкое входное сопротивление УЛЗ с высоким выходным сопротивлением усилительного каскада и уменьшает влияние отражений от УЛЗ на сигнал прямого канала. Для устранения влияния отражений от линии задержки на качество изображения на входе и выходе ее применены соответственно понижающий и повышающий автотрансформаторы 2Ф6, 2Ф7 и, кроме того, последовательно с УЛЗ включен резистор 2R170, который совместно с выходным сопротивлением эмиттерного повторителя образует делитель для отраженных сигналов.  [34]

Напряжение видеосигнала, снимаемого с эмиттерного повторителя ( первого каскада видеоусилителя), составляет 0 2 – 0 5 В. Поэтому перед амплитудным селектором установлен дополнительный каскад усиления видеосигнала. Резистор Rr / включен для уменьшения шунтирования выходного сопротивления эмиттерного повторителя входным сопротивлением усилительного каскада. Каскад работает с очень малым током коллектора. Сделано это для того, чтобы он усиливал в основном синхроимпульсы и частично подавлял видеосигнал при малом его уровне на входе. При большом же уровне сигнала этот каскад полностью отделяет синхроимпульсы от видеосигнала.  [35]

Напряжение на выходе эмиттерного повторителя меняется приблизительно так же, как и на входе ( Иэ Uc – ( / б-э) – ПРИ этом растет отрицательное напряжение на аноде диода Д, поскольку оно равно U0 Ua. Когда это напряжение превысит Ек, диод запирается. Дальнейший заряд конденсатора С происходит от конденсатора С0 через выходное сопротивление эмиттерного повторителя и резистор R. Достаточно высокая линейность выходного напряжения обеспечивается при С0 С, потому что при этом напряжение С / о остается приблизительно постоянным в течение всего рабочего хода.  [36]

Чтобы улучшить работу схемы привязки и повысить четкость изображения, необходимо между резистором 8Rsz ( регулятором контрастности) и триодом 2Ля включить эмяттерный повторитель на транзисторе 7Y Под действием отрицательных импульсов видеосигнала, поступающих на базу транзистора, крутизна его увеличивается, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя уменьшается. Это позволяет существенно уменьшить длительность переднего фронта импульсов видеосигнала, выделяющегося на переменном резисторе 8Кзг, несмотря на то, что он вносит значительную паразитную емкость в нагрузку эмиттерного повторителя. Кроме того, заряд конденсаторов С2 и 8С2з в схеме привязки будет происходить через уменьшенное выходное сопротивление эмиттерного повторителя, что существенно улучшает работу этой схемы.  [37]

Под действием отрицательных импульсов видеосигнала, поступающих на базу транзистора, крутизна его увеличивается, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя уменьшается. Это позволяет существенно уменьшить длительность фронта импульсов видеосигнала, выделяющегося на переменном резисторе 8R32, несмотря на то, что он вносит значительную паразитную емкость в нагрузку эмиттерного повторителя. Кроме того, зарядка конденсаторов С2 и 8С23 в цепи привязки будет происходить через уменьшенное выходное сопротивление эмиттерного повторителя, что существенно улучшает работу этой цепи.  [38]

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящего в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.  [40]

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящею в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.  [41]

Если составной транзистор подключается после каскада ОЭ, сопротивление источника сигнала Rc соответствует выходному сопротивлению транзистора в схеме с общим эмиттером. Это сопротивление велико и, следовательно, фазовый сдвиг мал. Для схемы, изображенной на рис. 5 – 7, фазовый сдвиг на входе второго каскада будет значительным, так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя весьма мало.  [43]

Ом соответствует комнатной температуре. Это собственное сопротивление эмиттера гэ выступает в качестве последовательного для эмиттерной цепи во всех транзисторных схемах. Оно ограничивает усиление усилителя с заземленным эмиттером, приводит к тому, что коэффициент усиления эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше единицы и не позволяет выходному сопротивлению эмиттерного повторителя стать равным нулю. Этот параметр относится к параметрам малого сигнала. Отметим, что крутизна для усилителя с заземленным эмиттером определяется следующим образом: gm 1 / гэ.  [44]

Другое не рассмотренное при анализе работы схемы явление возникает при восстановлении напряжений на конденсаторе С. Для повышения коэффициента передачи эмиттерного повторителя и улучшения линейности выходного напряжения резистор Кв должен иметь большое сопротивление. Но при этом зарядный ток конденсатора С0, протекая через резистор Ra, создаст на нем падение напряжения положительной полярности, вызывающее запирание транзистора Га-Зарядка конденсатора С0 происходит не через выходное сопротивление эмиттерного повторителя гвых2, а через резистор Ra с большим сопротивлением. Время восстановления схемы резко увеличивается, а ее быстродействие снижается. Возможность появления указанных процессов является недостатком схемы.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

Презентация “Эмиттерный повторитель.Истоковый повторитель” – прочее, презентации

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Тема: Эмиттерный повторитель, истоковый повторитель

Номер слайда 2

План1 Эмиттерный повторитель2 Истоковый повторитель

Номер слайда 3

Эммитерным и истоковым повторителем называются каскады, охваченные 100% отрицательной ОС. 

Номер слайда 4

1 Эмиттерный повторитель

Номер слайда 5

Номер слайда 6

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

Номер слайда 7

Схема однотактного эмиттерного повторителя

Номер слайда 8

Принцип действия. Нагрузкой каскадной схемы повторителя является резистор на эмиттере Rе. 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 n-р-n 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). –

Номер слайда 9

Двухтактная схема эмиттерногоповторителя

Номер слайда 10

Принцип действия. 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 n-р-n и р-n-р – переходами). –

Номер слайда 11

Принцип действия. Когда входное питание отсутствует, оба транзистора выключены, в связи с отсутствием напряжения на эмиттерных переходах. При прохождении полуволны положительной полярности, происходит открытие n-р-n – транзистора, аналогично, прохождение отрицательной полуволны вызывает открытие р-п-р – транзистора. Мощный эмиттерный повторитель имеет расчет КПД (К = Пи/4 х УВЫХ/УК), где Увых – амплитуда выходного сигнала; УК – напряжение на коллекторном переходе. Из формулы видно, что К возрастает при увеличении амплитуды УВЫХ и становится максимальным, при УВЫХ = УК (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 (УВХ). –

Номер слайда 12

Выводы Входное сопротивление – Rвх = h31 Rэ, т.е. эммитерный повторитель обладает большим входным сопротивлением. Rвых ≈ rэ (сопротивление эмиттера)– невелико. Эмиттерный повторитель обладает большим коэффициентом усиления по току: к. I = h31 + 1 и, следовательно, большим кp. Он наиболее удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкой нагрузкой.

Номер слайда 13

2 Истоковый повторитель

Номер слайда 14

Номер слайда 15

Особенности Повторители на ПТ имеют высокое входное сопротивление (>100 МОм) и выходное сопротивление равное сопротивлению канала в рабочей точке. Сопротивление канала обратно пропорционально значению крутизны при рабочем токе стока.

Номер слайда 16

Схемы истоковых повторителей

Номер слайда 17

Особенности схем. Наиболее распространен истоковый повторитель по схеме рис. А. Т.к. ПТ нагружен на сопротивление R1, то его сопротивление вместе с сопротивлением канала транзистора образуют делитель напряжения, уменьшающий Ku до значения 0,8-0,9 (типичные значения для подобных схем). Коэффициент усиления по напряжению несложно приблизить к 1, заменив резистор в цепи истока источником тока (рис. В). Кроме того, использование источника тока в цепи истока значительно снижает нелинейные искажения, вызываемые изменением сопротивления канала при работе с сигналами большого уровня. Такой каскад можно рекомендовать как преобразователь импеданса для организации «байпаса» или при использовании в последующих каскадах малошумящих ОУ на биполярных транзисторах и т.д. Схема (рис. С) построена на ПТ с каналами разного типа. Среди отечественных ПТ такие пары образуют КП303 Ж-КП103 Ж; КП303 А-КП103 И; КП303 В-КП103 К. При использовании транзисторов с отсечкой менее 1 V (КП303 Ж-КП103 Ж) и отличающихся друг от друга начальным током стока не более чем на 20%, резисторы R2 и R3 можно исключить совсем. Емкость затвор-исток ПТ с каналом р-типа в несколько раз выше входной емкости n-канальных ПТ, поэтому единственный недостаток такого повторителя – примерно в пять раз большая входная емкость. Выходное же сопротивление такого повторителя приблизительно в два раза ниже, чем на схемах А или В.

Номер слайда 18

Практические схемы

Номер слайда 19

Схема с общим истоком

Номер слайда 20

Литература1 https://www.syl.ru/article/312483/povtoritel-emitternyiy-na-tranzistore-printsip-rabotyi

Биполярные транзисторы.часть 3.усилительный каскад.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.

Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, C_p1 и C_p2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор R_э выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.

Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через R_экв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

. (2.74)

Если R_э > R_вх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

. (2.76)

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

. (2.77)

Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_Э сильно зависит от тока эмиттера i_Э, то с увеличением тока эмиттера сопротивление r_Э существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается R_вых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, R_вых = 100 . 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что r_Э > R_н, при выполнении условия R_н > R_э выражение (2.78) можно записать в виде

. (2.79)

Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений K_U = 0,9 . 0,9995.

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: r_Э > R_э÷çR_н. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

. (2.80)

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

— высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Классы работы усилителя

Прежде чем говорить о режимах работы усилителя необходимо сказать несколько слов о транзисторах, а точнее о проходной характеристике транзистора. Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от напряжения или тока на входе.

Проходная характеристика транзисторов

На данной характеристике хорошо видно, что при напряжении коллектор-эмиттер, большем порогового напряжения, зависимость имеет экспоненциальный характер, а при напряжении, меньшем порогового, отклоняется от экспоненциальной зависимости. Таким образом режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на проходной характеристики усилительного транзистора.

При работе в классе А рабочая точка Т лежит примерно в средней части проходной характеристики транзистора и выходной ток транзистора (коллекторный ток I_C) протекает в течении всего периода гармонического колебания. В этом случае транзистор работает без отсечки тока (угол отсечки θ = 180°). Другими словами транзистор в усилителе постоянно находится в активном режиме, а в режим отсечки никогда не переходит. При работе в данном режиме усилители характеризуются наибольшей линейностью, но в тоже время значение КПД никогда не превышает 47,5%, а в большинстве случаев едва достигает нескольких десятков процентов.

Работа транзистора в режиме усиления класса A.

При работе в классе В в идеальном случае рабочая точка Т находится на пересечении проходной характеристики с осью абсцисс и коллекторный ток (I_C) в отсутствие сигнала равен нулю. Транзистор в таком усилителе работает с отсечкой тока (угол отсечки θ = 90°). Таким образом, транзистор усиливает только одну полуволну гармонического колебания и переходит в режим отсечки сигнала. Теоретически значение КПД в данном режиме имеет максимальное значение 78,5%, но практически никогда не достигает этого значения. В связи с тем, что транзистор при работе в данном режиме усилителя работает также в линейном режиме и режиме отсечки тока, усиленный сигнал имеет несколько большие искажения, чем при работе усилителя в режиме А, поэтому чистый режим В применяют редко. Значительно чаще применяют усилители, в которых транзисторы работают в режиме АВ.

Работа транзистора в режиме усиления класса B.

Режим усилителя класса АВ. Как ясно из названия в данном случае рабочая точка лежит на проходной характеристике несколько выше, чем при режиме В и коллекторный ток (I_C) имеет небольшое значение, практически, чтобы только выйти из режима отсечки. Транзистор в таком режиме усиления работает с отсечкой тока (угол отсечки 180° > θ > 90°). В данном случае происходит усиление одной полуволны и некоторой части другой полуволны, что при наличии двух усилительных приборов работающих в режиме АВ и усиливающих разные полуволны получить полный усиленный сигнал. Режим АВ характеризуется лучшей линейностью, чем режим В и большим значением КПД, чем режим А.

Работа транзистора в режиме усиления класса AB.

Существуют так же и другие классы работы усилителей, но они имеют значительные недостатки или сложны в управлении. Например, в классе С транзистор работает с отсечкой тока (угол отсечки θ < 90°), что приводит к ещё большим искажениям усиленного сигнала, чем в классе В, но в тоже время КПД больше, чем при классе В. Класс работы D практически представляет собой ключевой режим работы транзистора, при котором усилительный транзистор большую часть времени находится либо в режиме отсечки, либо режиме насыщения.

Навигация

• МИКРОСХЕМЫ
• ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
• АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
• ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
• ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
• АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
• ДИНАМИЧЕСКИЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
• ЭЛЕКТРОСТАТЫ
• РУПОРНЫЕ КОЛОНКИ
• САБУФЕР
• ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ТЕЛЕФОНЫ
• МИКРОФОНЫ
• АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
• УСИЛИТЕЛИ
  • Бестрансформаторные двухтактные каскады на транзисторах
  • Влияние ОС на параметры усилителей
  • Выходные каскады усилителей
  • Выходные усилители мощности
  • Двухтактный каскад, работающий в классе А
  • Дифференциальный усилитель
  • Дрейф нуля.
  • КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ
  • КПД усилителей, работающих в классе А
  • Каскады мощного усиления (входные каскады).
  • Каскады предварительного усиления
  • Каскады предварительного усиления
  • Классификация и основные параметры усилителей
  • Классы AB и В работы двухтактного каскада
  • Классы усиления транзисторных усилительных каскадов
  • Новые режимы работы (классы)
  • ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ
  • ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ОДНОТАКТНЫЕ И ДВУХТАКТНЫЕ
  • Обратная связь в усилителях
  • Обратная связь в усилителях и схемы их построения
  • Общие сведения о уси­лителях гармонических и импульсных сигналов
  • Однотактный трансформаторный каскад, работающий в классе А
  • Основные механические показатели усилителей
  • Основные показатели
  • Основные характеристики и параметры усилителей
  • Рабочие режимы усилительных элементов
  • Способы обеспечения рабочего режима транзистора
  • Сравнение схем включения транзисторов
  • Схемы межкаскадной связи.
  • Усилители постоянного тока
  • Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером
  • Усилитель на полевом транзисторе
  • Факторы, влияющие на тепловой режим РЭА
• ЭЛЕМЕНТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
• «THX» Tomlinson Holman eXperiment
• HI-FI И HIGH-END
• МИРОВЫЕ ШКОЛЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИКИ
• «СТАРЫЙ ВИНИЛ»
• ЗВУКОВЫЕ КОМПАКТ-ДИСКИ
• МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ
• ЦИФРОВЫЕ МАГНИТОФОНЫ
• ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ
• ЗВУК И КОМПЬЮТЕР
• MIDI
• ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ
• Операционные усилители.
• ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ
• КАНАЛЫ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
• ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
• РАДИОПРИЁМ
• АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА
• ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛЫ
• ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
• ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
• РЕЗИСТОРЫ
• СТАБИЛИТРОНЫ
• ВАРИКАПЫ
• ДИОДЫ
• ТИРИСТОР
• ТРАНЗИСТОРЫ
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР
• ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА
• АКУСТИКА ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
• КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
• ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ
• ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
• Карта сайта
• статьи
• СИГНАЛЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
• sitemap

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E_0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр R_фC_ф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор R_ф включают последовательно с нагрузкой R_Н, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление R_ф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_CE выбирается в пределах

При этом минимальное значение U_C не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Литература

• Данилов, А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. — М.: Горячая линия-Телеком, 2004. — 352 с. — ISBN 5935171341.
• Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — издание 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Энергия, 1977. — 672 с.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том I. — 12-е изд.. — М.: ДМК-Пресс, 2008. — 832 с. — ISBN 5940741487.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том II. — 12-е изд.. — М.: ДМК-Пресс, 2008. — 942 с. — ISBN 5940741487.
• Цыкин, Г. С. Электронные усилители. — 2-е изд. — М.: Связьиздат, 1963. — 512 с. — 21,000 экз.
• Шкритек П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике. — Мир, 1991. — ISBN 5030016031.
• Cordell, B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244.
• Hood, J. L. Valve and Transistor Audio Amplifiers. — Newnes, 2006. — ISBN 0750633565.
• Duncan B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293.
• Self D. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 3rd ed.. — Newnes, 2002. — ISBN 0750656360.

Технология

• Каскадный сход, возможное катастрофическое орбитальное событие, заключающее во взрывном разрушении спутника на орбите
• Биохимический каскад, последовательная серия химических реакций
  • Комплементный каскад или система комплемента, биохимический каскад в иммунной системе
  • MAPK каскад, процесс действия раковых генов
• Каскад реакций, последовательная серия химических реакций внутри молекулы
• Электронный каскад или электронная лавина, процесс в физике
• Каскад событий, проблема управлемом событиями компьютерном программировании
• Информационный каскад, экономическая теория
• Каскад аварий, авария в системе из связанных частей
• Каскад (химическая инженерия), серия химических процессов
• Каскадный откат, множественная ошибка после отката базы данных
• Каскадные таблицы стилей специальное отображение веб-информации
• Дробный каскадинг, техническая структуризация данных для ускорения двоичных поисков

5.1. Общие сведения

В настоящее время в усилительной технике наиболее хорошо используются биполярные (БТ) и полевые (ПТ) транзисторы. Для построения усилителей используются ИМС. При этом ИМС при определённых условиях можно рассматривать в целом как некоторый самостоятельный своеобразный усилительный элемент (прибор).

В цепях питания усилительных элементов (УЭ) обычно протекают переменные токи и постоянные составляющее токов. Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току.

Рис. 5.1. Цепи питания электродов биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером.

На рис. 5.1. показаны цепи питания БТ для случая, когда напряжение (ток) смещения (i_Б0) создаётся отдельным источником питания Е_СМ. Резистор R_СМ в данной схеме является ограничивающим величину тока базы (смещения) i_Б0. В выходной электрод включен второй, основной источник питания Е_П. С помощью резистора R_К обеспечивается необходимый режим работы транзистора.

Для данной схемы напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ (U_К0) будет равно:

U_К0 = Е_П – i_К0·R_К ;

в цепи эмиттера протекает сумма токов i_Б0 и i_К0:

i_Э0 = i_Б0 + i_К0.

Ёмкость С_Р является разделительной. Для расчета используют семейство статических характеристик, рис. 5.2:

Рис. 5.2. Семейство входных а) и выходных б) статических характеристик для схемы с общим эмитером

Р.Т. – рабочая точка.

Использовать два источника питания для маломощных каскадов усиления нерационально. Поэтому практические схемы обычно имеют один источник питания Е_П, а смещение и стабилизацию обеспечивают с помощью специальных цепей, называемых цепями смещения и стабилизации. Для этой же цели разработаны специальные схемы, к рассмотрению которых мы перейдём.

Комментарии

1. Квазилинейный режим — режим усиления, характеризующийся предсказуемой, плавной зависимостью уровня искажений от амплитуды входного напряжения. По мере его роста уровни второй, третьей, четвёртой и так далее гармоник плавно нарастают в соответствии с расчётным разложением передаточной функции в ряд Тейлора. При достаточно больших амплитудах сигнала схема переходит в режим слабой перегрузки, в котором суммарный коэффициент гармоник растёт быстро, но уровень каждой отдельно взятой гармоники может и нарастать, и падать до нуля. Дальнейший рост входного сигнала порождает сильную перегрузку (амплитудное ограничение, клиппинг) каскада; выходной сигнал принимает форму, близкую к прямоугольной.
2. В литературе нет единого мнения о классификации двухтактных транзисторных каскадов, работающих при малых (минимально необходимых) токах покоя. Титце и Шенк, Джон Линдси Худ, Боб Корделл, Пауль Шкритек считают, что такие усилители работают в режиме AB. По мнению же Г. С. Цыкина, Дугласа Селфа и А. А. Данилова такие каскады работают в режиме B. С точки зрения второй группы авторов полноценный режим AB начинается при существенно бо́льших токах покоя, при достаточно широкой области работы в чистом режиме A.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина – эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного усилителя на транзисторах представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Примечания

1. ↑ , с. 568.
2. ↑ , с. 195.
3. ↑ , с. 196.
4. ↑ , с. 198.
5. , с. 706.
6. ↑ , с. 707.
7. ↑ , с. 111.
8. Amplifier // Van Nostand’s Scientific Encyclopedia / ed. D. M. Considine, G. D. Considine. — Springer, 2013. — P. 149. — 3524 p. — ISBN 9781475769180.
9. Gibilisco, S. The Illustrated Dictionary of Electronics, 8th Edition. — McGraw-Hill, 2001. — P. 564. — ISBN 9780071372367.
10. Хайкин, C. Э. Словарь радиолюбителя. — Госэнергоиздат, 1960. — С. 89. — (Массовая радиобиблиотека).
11. ↑ Двухтактный усилитель // Гроза — Демос. — М. : Советская энциклопедия, 1952. — С. 517. — ( :  / гл. ред. Б. А. Введенский ; 1949—1958, т. 13).
12. Пушпульный усилитель // Прокат — Раковины. — М. : Советская энциклопедия, 1955. — С. 352. — ( :  / гл. ред. Б. А. Введенский ; 1949—1958, т. 35).
13. — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
14. , p. 111: «Output Triples: At least 7 types».
15. , pp. 100—102.
16. , p. 114.
17. ↑ , с. 54—55.
18. ↑ , pp. 88—89.
19. Malanowski, G. The Race for Wireless: How Radio was Invented (or Discovered). — AuthorHouse, 2011. — P. 142. — ISBN 9781463437503.
20. ↑ , p. 30.
21. Лаврентьев, Б. Ф. Схемотехника электронных устройств. — М.: ИЦ «Академия», 2010. — С. 128. — ISBN 9785769558986.
22. , с. 273—274.
23. , p. 91.
24. , pp. 88, 91.
25. , p. 96.
26. ↑ , p. 95.
27. , p. 103.
28. , pp. 108—109.
29. , p. 85.
30. ↑ , с. 275—276.
31. ↑ , p. 92.
32. , p. 106.
33. , p. 186.
34. , p. 166.
35. , с. 193.
36. , p. 119.
37. , с. 195—196.
38. ↑ , p. 127.
39. ↑ , с. 197.
40. ↑ , p. 128.
41. ↑ , p. 105.
42. ↑ , с. 425.
43. , с. 484—485.
44. , с. 64, 484—485.
45. , p. 88.
46. , p. 93.
47. , с. 481—482.
48. , с. 64, 486.
49. , pp. 163, 176.
50. , p. 98.
51. , с. 199—200.
52. , с. 78.
53. , pp. 37, 107.
54. , pp. 101—102.
55. ↑ , p. 129.
56. , p. 123.
57. , p. 122.
58. ↑ , с. 198—199.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

РК-02-18.

Искажения сигналов в приемных устройствах

   В силу неидеальности активных и пассивных элементов устройств приема и обработки сигналов (в первую очередь их нелинейности) могут возникать следующие типы искажений:

1. линейные
   • по основному каналу – при приеме помехи на частоте основного канала;
   • по соседнему каналу – при приеме помехи с частотой близкой к частоте основного канала;
   • по зеркальному каналу – при приеме помехи с частотой зеркального канала;
   • по прямому каналу – при приеме помехи с частотой равной промежуточной частоте;
   • по дополнительным каналам;
2. нелинейные
   • блокирование — при сдвиге рабочей точки усилительного (преобразовательного) прибора в область насыщения либо отсечки мощным помеховым сигналом, что делает невозможным прохождение полезного сигнала на выход каскада;
   • перекрестная модуляция — при модуляции параметров полезного сигнала под воздействием помехового;
   • интермодуляция — при прохождении на выход каскада нелинейных продуктов двух и более помех на частоте основного канала;
3. нелинейно-параметрические

   Все эти виды помех определяются нелинейным характером зависимости выходного воздействия от входного и при воздействии в комплексе в большинстве случаев делают невозможным прием полезного сигнала.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике – системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.

БЕСЕДА ДВЕНАДЦАТАЯ. УСИЛИТЕЛЬ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Усилитель колебаний ЗЧ — составная часть каждого современного радиоприемника, радиолы, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств. Но в этой беседе я буду говорить о немногом: об элементах и работе транзисторных усилителей применительно к очень узкой области радиотехники — для усиления и преобразования электрических колебаний звуковой частоты в звук.

КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЯ

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Усилитель, который ты делал к детекторному приемнику (см. рис. 92), был однокаскадным. Его транзистор может быть составным (см. рис. 95), но усилитель все равно останется однокаскадным. Но однокаскадный транзисторный усилитель не может обеспечить усиление сигнала звуковой частоты, достаточное для громкого звуковоспроизведения.

Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух-трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными — все находящиеся перед ним каскады.

Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки.

Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления

Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая — от нескольких десятков до 100-150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок

Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы.

Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов?

Схему простого транзисторного двухкаскадного усилителя ЗЧ ты видишь на рис. 173. Рассмотри ее внимательно. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором — транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй — выходным. Между ними — разделительный конденсатор С2. Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому тебе принципу работы однокаскадного усилителя.

Оцените статью:

Эмиттерный повторитель — Студопедия

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.

I_вых = I_э

I_вх = I_б

U_вх = U_бк

U_вых = U_кэ

• 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.

30. Параметрический стабилизатор повышенной мощности с эмиттерным повторителем (сравнительный анализ).

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей – стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рис. 1 – Параметрический стабилизатор напряжения

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).

К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.

Рис. 2 – Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.

Типовые схемы параметрических стабилизаторов обеспечивают приемлемые параметры только при достаточно малых тока нагрузки (не более 0,5…1⋅Iст max). Для питания более мощных цепей требуются дополнительные меры.

Может показаться, что проблема разрешима при параллельном включении нескольких однотипных стабилитронов на выходе стабилизатора. Однако делать это недопустимо, поскольку из-за разброса параметров стабилитроны будут работать в существенно различающихся режимах. В крайнем случае можно применить стабилитрон с большей мощностью. Если же таким образом повысить ток нагрузки до требуемого уровня не удается, то можно применить дополнительный транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя (рис. 3.5-6).

Рис. 3.5-6. Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

В такой схеме максимально допустимый ток нагрузки повышается в h31э раз (h31э — статический коэффициент усиления тока базы транзистора). Значение резистора R1 (балластный резистор) должно подбираться в зависимости от конкретного тока нагрузки (Iн max=IVT1⋅h31э–Iст min⋅h31э). Резистор R2 обеспечивает нормальный режим работы транзистора при малых токах. Выходное напряжение стабилизатора равно: Uвых=Uст–Uб−э,где\(Uст — напряжение стабилизации применяемого стабилитрона, Uб−э — напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора при включении эмиттерного повторителя не увеличивается.

Чтобы увеличить коэффициент стабилизации (в 5…10 раз) необходимо обеспечить постоянство тока стабилитрона при изменениях входного напряжения стабилизатора. Для этого балластный резистор заменяют источником тока. На рис. 3.5-7 приведена схема стабилизатора с источником тока на биполярном транзисторе, а на рис. 3.5-8 схемы стабилизаторов с эмиттерным повторителем и источником тока на полевом транзисторе.

Рис. 3.5-7. Параметрический стабилизатор с источником тока (Внимание! на картинке замечена ошибка: по питанию не минус, а плюс. И первый стабилитрон наоборот должен стоять)

Рис. 3.5-8. Параметрические стабилизаторы с эмиттерным повторителем и источником тока

Если в стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 3.5-8а выбрать R1=0, то допустимый ток нагрузки достигнет максимального значения. Однако при этом несколько снижается коэффициент стабилизации. Его можно улучшить, если включить цепь обратной связи, обозначенную пунктиром. Эта цепь вместе с резистором R1 образует для переменной составляющей напряжения на транзисторе VT2 делитель, с выхода которого напряжение поступает в цепь управления этим транзистором таким образом, что ток базы транзистора изменяется в противофазе с напряжением пульсаций.

Применение источника тока для питания стабилитрона позволяет ограничить ток базы транзистора эмиттерного повторителя и, следовательно, ток коллектора этого транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки. Однако в стабилизаторах с большим значением выходного напряжения (особенно при применении германиевых транзисторов) возможен перегрев транзистора вследствие повышения рассеиваемой мощности и эффекта саморазогрева. В стабилизаторе по схеме рис. 3.5-8б действует ООС по току, поскольку ток нагрузки протекает через резистор R1. Поэтому ток короткого замыкания очень слабо зависит от температуры корпуса транзистора VT2 и лавинный саморазогрев не проявляется до температур порядка 50…60 °C. Ток короткого замыкания устанавливается подбором резистора R1.

Транзисторный эмиттерный повторитель

, усилитель с общим коллектором »Электроника

Эмиттерный повторитель или схема с общим коллектором обеспечивает идеальный буферный усилитель, и схему легко спроектировать.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Конструкция схемы с общим эмиттером Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем

---

Конфигурация схемы с общим коллектором более широко известна как эмиттерный повторитель и обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Это означает, что схема эмиттерного повторителя обеспечивает идеальный буферный каскад, и, как результат, он используется во многих схемах, где нет необходимости загружать цепь, такую ​​как генератор или другую цепь, а обеспечить более низкий импеданс для следующих каскадов. .

Конструкция электронной схемы эмиттерного повторителя или каскада с общим коллектором очень проста, требует всего нескольких электронных компонентов и некоторых очень простых расчетов.

Эмиттерный повторитель / транзисторный усилитель с общим коллектором, основы

Конфигурация схемы транзистора с общим коллектором получила свое название из-за того факта, что схема коллектора является общей как для входных, так и для выходных цепей, при этом база связана только с входом, а затем эмиттер – только с выходом.

Другое название общего коллектора – эмиттерный повторитель. Это название происходит от того факта, что напряжение эмиттера «следует» за напряжением базовой схемы – схема имеет единичный коэффициент усиления по напряжению.

Транзисторный усилитель с эмиттерным повторителем имеет очень простую схему. База подключается к предыдущей ступени, и часто она может быть подключена напрямую, поскольку это позволяет сэкономить на дополнительных резисторах смещения, которые снижают входное сопротивление и, следовательно, увеличивают нагрузку на предыдущую ступень.

Конфигурация схемы общего коллектора транзистора

Глядя на схему, можно увидеть, что, хотя напряжение эмиттера следует за напряжением базы, в терминах постоянного тока оно фактически меньше, чем у базы, на напряжение, равное падению напряжения на PN-переходе между базой и эмиттер. Обычно это 0,6 В для кремниевого транзистора и от 0,2 до 0,3 для германиевых транзисторов, хотя в наши дни они широко не используются.

Поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы, это означает, что вход и выход точно совпадают по фазе и не сдвинуты на 180 °, как в случае усилителя с общим эмиттером.

Сводка характеристик транзисторного усилителя с эмиттерным повторителем

В таблице ниже приведены основные характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором и эмиттерным повторителем.

Характеристики транзисторного усилителя с общим коллектором, эмиттерным повторителем
Параметр	Характеристики
Текущая прибыль	Высокая
Коэффициент усиления по напряжению	Ноль
Прирост мощности	Средний
Соотношение фаз вход / выход	0 °
Входное сопротивление	Высокая
Выходное сопротивление	Низкий

Одним из ключевых аспектов характеристики является входное сопротивление.Поскольку он обычно используется в качестве буферного усилителя, это ключевой параметр.

Входное сопротивление легко рассчитать для схемы, поскольку оно в β умножено на резистор R1, где β – коэффициент усиления транзистора по прямому току.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя

Эмиттерный повторитель, связанный по постоянному току, цепь общего коллектора

Самый простой способ подключения эмиттерного повторителя – это прямое соединение входа, как показано ниже. Часто коллектор предыдущей ступени будет иметь напряжение примерно на уровне средней шины, и это означает, что он может быть напрямую подключен к буферной ступени.

Схема эмиттерного повторителя с прямой связью

1. Выберите транзистор: Как и в случае с другими формами транзисторной схемы, транзистор следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями.
2. Значение резистора эмиттера: Напряжение на эмиттере легко определить. Это просто то, что было на предыдущем этапе. Скажем, например, это половина напряжения шины, тогда напряжение на эмиттере Q1 будет на 0,5 В (для кремниевого транзистора) меньше, чем это – падение на переходе база-эмиттер.Просто рассчитайте номинал резистора для требуемого тока.
3. Входное сопротивление эмиттерного повторителя: Входное сопротивление схемы эффективно в β раз больше эмиттерного резистора R1.

Эмиттерный повторитель, связанный по переменному току, цепь с общим коллектором

Не всегда возможно напрямую связать эмиттерный повторитель с общим коллекторным буфером. В этом случае необходимо добавить в схему несколько дополнительных электронных компонентов: конденсаторы связи и резисторы смещения.

Схема эмиттерного повторителя, связанного по переменному току

Эмиттерный повторитель может быть спроектирован, а значения электронных компонентов могут быть определены с использованием приведенного ниже расчетного потока в качестве основы:

1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
2. Выберите резистор эмиттера: Выбирая напряжение эмиттера примерно половину напряжения питания, чтобы обеспечить наиболее равномерный диапазон до начала любого ограничения, определите требуемый ток по импедансу следующего каскада.
3. Определите базовый ток: Максимальный базовый ток – это ток коллектора, деленный на β (или hfe, что по сути то же самое).
4. Определите базовое напряжение: Базовое напряжение – это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер – это 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.
5. Определите номиналы резистора базы: Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз больше необходимого тока базы.Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе.
6. Определите значение входного конденсатора: Величина входного конденсатора должна равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение -3 дБ на этой частоте. Общий импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, то есть полное сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.
7. Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается так, чтобы он равнялся сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи – это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, т. Е. Следующей цепи.
8. Переоценить предположения: В свете того, как развивалась схема, повторно оцените любые предположения схемы, чтобы убедиться, что они остаются действительными.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.

Схема эмиттерного повторителя особенно полезна для приложений, где требуется высокий входной импеданс. Предлагая высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, он не нагружает цепи, которые могут иметь только небольшую выходную мощность, или такие цепи, как генераторы, которым требуется нагрузка с высоким импедансом для обеспечения оптимальной стабильности и т. Д.

Практические аспекты эмиттерного повторителя

При использовании схемы эмиттерного повторителя следует отметить несколько полезных практических моментов:

• Входная емкость влияет на RF: Хотя эмиттерный повторитель обеспечивает высокое сопротивление любым сигналам, емкость эмиттера базы может снизить импеданс, если используются сигналы выше нескольких сотен килогерц.Об этом следует помнить при проектировании электронной схемы, поскольку это может значительно повлиять на любые уровни нагрузки.

• Может потребоваться развязка коллектора: В некоторых случаях цепь эмиттерного повторителя может колебаться, особенно при наличии длинных выводов. Это может произойти, когда требуются высокочастотные характеристики и используются высокочастотные транзисторы.

  Один из самых простых способов предотвратить это – отключить коллектор от земли с помощью конденсатора C3 с максимально короткими соединениями.Это может быть легко включено при проектировании электронной схемы, и может быть включено в качестве меры предосторожности, используя всего пару электронных компонентов.

  Значения будут зависеть от частоты использования. При необходимости между коллектором и питающей шиной можно установить небольшое сопротивление R4. В большинстве случаев номинал этого резистора должен быть порядка 100 Ом или меньше. Это также можно добавить в качестве меры предосторожности.

  Схема эмиттерного повторителя с развязкой коллектора

  Тот же эффект можно также реализовать, поместив небольшую ферритовую полоску на вывод коллектора.Однако для большинства целей решение резистор / конденсатор является наиболее удобным.

Эмиттерный повторитель прост в установке и требует всего нескольких электронных компонентов. Это очень удобная схема, которую можно добавить, когда схема требует минимальной нагрузки.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве буферного усилителя для уменьшения нагрузки на предыдущий каскад и обеспечения более низкого выходного сопротивления для любых последующих цепей. Конструкция электронной схемы сцены также очень проста и проста в исполнении.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Эмиттер-повторитель BJT – рабочие, прикладные схемы

В этом посте мы узнаем, как использовать конфигурацию транзисторного эмиттерного повторителя в практических электронных схемах, мы изучаем это на нескольких различных примерах прикладных схем.Эмиттерный повторитель – это одна из стандартных конфигураций транзисторов, которую также называют конфигурацией транзисторов с общим коллектором.

Давайте сначала попробуем понять, что такое транзистор с эмиттерным повторителем и почему его называют схемой транзистора с общим коллектором.

Что такое транзистор эмиттерного повторителя

В конфигурации BJT, когда вывод эмиттера используется в качестве выхода, сеть называется эмиттерным повторителем. В этой конфигурации выходное напряжение всегда немного ниже, чем входной базовый сигнал из-за присущего падению между базой и эмиттером.

Проще говоря, в этом типе транзисторной схемы эмиттер, кажется, следует за базовым напряжением транзистора, так что выход на выводе эмиттера всегда равен базовому напряжению за вычетом прямого падения на переходе база-эмиттер.

Мы знаем, что обычно, когда эмиттер транзистора (BJT) подключен к шине заземления или нулевой шине питания, базе обычно требуется около 0,6 В или 0,7 В, чтобы обеспечить полное переключение устройства через его коллектор на эмиттер.Этот режим работы транзистора называется режимом с общим эмиттером, а значение 0,6 В называется значением прямого напряжения BJT. В этой наиболее популярной форме конфигурации нагрузка всегда подключена к клемме коллектора устройства.

Это также означает, что до тех пор, пока базовое напряжение BJT на 0,6 В выше, чем напряжение его эмиттера, устройство становится смещенным в прямом направлении или включается в проводимость, или становится оптимально насыщенным.

Теперь, в конфигурации транзистора с эмиттерным повторителем, как показано ниже, нагрузка подключается на стороне эмиттера транзистора, то есть между эмиттером и шиной заземления.

Когда это происходит, эмиттер не может получить потенциал 0 В, а BJT не может включиться с обычным напряжением 0,6 В.
Предположим, что к его базе приложено 0,6 В, из-за нагрузки эмиттера транзистор только начинает проводить ток, чего недостаточно для срабатывания нагрузки.
Когда базовое напряжение увеличивается с 0,6 В до 1,2 В, эмиттер начинает проводить и позволяет 0,6 В достигать своего эмиттера, теперь предположим, что базовое напряжение дополнительно увеличилось до 2 В…. Это побуждает напряжение на эмиттере
достигать примерно 1.6В.
Из приведенного выше сценария мы находим, что эмиттер трамзистора всегда на 0,6 В ниже базового напряжения, и это создает впечатление, что эмиттер следует за базой, и отсюда и название.
Основные особенности конфигурации транзистора с эмиттерным повторителем можно изучить, как описано ниже:

1. Напряжение эмиттера всегда примерно на 0,6 В ниже, чем напряжение базы.
2. Напряжение эмиттера можно изменять, соответствующим образом изменяя базовое напряжение.
3. Ток эмиттера эквивалентен току коллектора.Этот
   делает конфигурацию богатой по току, если коллектор
   напрямую подключен к питающей (+) шине.
4. Нагрузка, прикрепляемая между эмиттером и землей, база
   приписывается функции высокого импеданса, что означает, что база
   не уязвима для подключения к шине заземления через эмиттер,
   не требует высокого сопротивления для защиты сам по себе, и обычно
   защищен от сильного тока.

Как работает схема эмиттерного повторителя

Коэффициент усиления напряжения в цепи эмиттерного повторителя приблизительно равен Av ≅ 1, что неплохо.

В отличие от характеристики напряжения коллектора, напряжение эмиттера находится в фазе с входным базовым сигналом Vi. Это означает, что как входные, так и выходные сигналы имеют тенденцию воспроизводить свои положительные и отрицательные пиковые уровни одновременно.

Как понималось ранее, выходной сигнал Vo, кажется, “следует” за уровнями входных сигналов Vi через синфазное соотношение, и это представляет его имя эмиттерного повторителя.

Конфигурация эмиттер-повторитель в основном используется для согласования импеданса из-за ее высоких характеристик импеданса на входе и низкого импеданса на выходе.Похоже, что это прямая противоположность классической конфигурации с фиксированным смещением. Результат схемы очень похож на результат, полученный от трансформатора, в котором нагрузка согласована с импедансом источника для достижения самых высоких уровней передачи мощности по сети.

re Эквивалентная схема эмиттерного повторителя

Эквивалентная схема re для вышеприведенной схемы эмиттерного повторителя показана ниже: формула:

Zo : Выходное сопротивление можно лучше всего определить, сначала оценив уравнение для тока Ib :

Ib = Vi / Zb

и затем умножив на (β +1), чтобы получить Ie .Вот результат:

Ie = (β +1) Ib = (β +1) Vi / Zb

Замена Zb дает:

Ie = (β +1) Vi / βre + (β +1 ) RE

Ie = Vi / [βre + (β +1)] + RE

, поскольку (β +1) почти равно β и βre / β +1 равно почти равно βre / β = re , мы получаем:

Теперь, если мы построим сеть, используя полученное выше уравнение, мы получим следующую конфигурацию:

Таким образом, выходной импеданс может быть определен следующим образом: установка входного напряжения Vi на ноль и

Zo = RE || re

Поскольку RE обычно намного больше, чем re , в основном принимается во внимание следующее приближение:

Zo ≅ re

Это дает нам выражение для выходного сопротивления цепи эмиттерного повторителя.

Как использовать транзистор эмиттерного повторителя в схеме (прикладные схемы)

Конфигурация эмиттерного повторителя дает вам преимущество получения выхода, который становится управляемым на базе транзистора.

И поэтому это может быть реализовано в различных схемах, требующих индивидуальной конструкции с управлением напряжением.

Следующие несколько примеров схем показывают, как обычно схема эмиттерного повторителя может использоваться в схемах:

Простой источник переменного тока:

Следующий простой источник питания с высокой регулируемой мощностью использует характеристики эмиттерного повторителя и успешно реализует аккуратный 100 В, 100 А регулируемый блок питания, который может быть быстро собран и использован любым новым любителем в качестве удобного настольного блока питания.

Регулируемый стабилитрон:

Обычно стабилитрон поставляется с фиксированным значением, которое не может быть изменено или изменено в соответствии с потребностями данной схемы.
Следующая схема, которая на самом деле представляет собой простую схему зарядного устройства сотового телефона, разработана с использованием схемы эмиттерного повторителя. Здесь, просто заменив указанный базовый стабилитрон на потенциометр 10K, конструкция может быть преобразована в эффективную регулируемую схему стабилитрона, еще одну схему применения повторителя с холодным эмиттером.

Простой контроллер скорости двигателя

Подключите щеточный двигатель через эмиттер / землю и настройте потенциометр с базой транзистора, и вы получите простую, но очень эффективную схему регулятора скорости двигателя с диапазоном от 0 до максимального диапазона. Конструкцию можно увидеть ниже:

Hi Fi Power Amplifier:

Вы даже задавались вопросом, как усилители могут воспроизвести образец музыки в усиленной версии, не нарушая форму волны или содержание музыкального сигнала? Это становится возможным благодаря тому, что в цепи усилителя задействовано множество каскадов эмиттерного повторителя.

Вот простая схема усилителя мощностью 100 Вт, в которой устройства выходной мощности можно увидеть, сконфигурированные в виде истокового повторителя, который является эквивалентом МОП-транзистора эмиттерного повторителя BJT.

Возможно, может быть гораздо больше таких схем приложений эмиттера-повторителя, я только что назвал те, которые были легко доступны для меня с этого веб-сайта. Если у вас есть дополнительная информация по этому поводу, пожалуйста, поделитесь своими ценными комментариями.

Эмиттер-повторитель – обзор | Темы ScienceDirect

Высокочастотный выходной и входной импеданс буферов эмиттерного повторителя

Идеальный буфер имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс.Выходное и входное сопротивление эмиттерного повторителя изменяется в зависимости от частоты из-за эффектов C _π и C _μ . Используя схемы, показанные на рис. 7.11, мы дополнительно исследуем высокочастотный выходной импеданс эмиттерного повторителя. Смоделируем случай, когда последовательно с базой есть сопротивление ( R _s ). Мы обнаружили в главе 5, используя схему на рис. 7.11 (b), что низкочастотное выходное сопротивление эмиттерного повторителя составляет:

РИСУНОК 7.11. Анализ высокочастотного выходного сопротивления эмиттерного повторителя. (а) Инкрементная схема. (б) Низкочастотная модель. (c) Высокочастотная модель. (d) График выходного сопротивления, показывающий, что выходное сопротивление увеличивается в конечном диапазоне частот от ω ₁ до ω ₂ . В этой области выходной импеданс эмиттерного повторителя является индуктивным.

(7.19) Zoutw → 0 = (Rs + rx + rπ1 + hfe) ≈ (Rs + rxhfe) + 1gm

Ранее мы видели, что усиление тока слабого сигнала транзистора уменьшается на очень высоких частотах.На очень высоких частотах C _π закорачивает r _π , и генератор g _m v _π также отключается, в результате чего получается инкрементная модель, показанная на рисунке 7.11 (c ). Игнорируя влияние C _μ , выходной импеданс на очень высоких частотах равен:

(7.20) Zoutω → ∞ = Rs + rx

. При желании мы могли бы найти выходной импеданс в замкнутой форме, используя по следующей методологии.Мы можем повторно использовать предыдущий результат для низкочастотного выходного сопротивления эмиттерного повторителя. Однако, если мы заменим r _π в исходном уравнении на импеданс, представляющий r _π параллельно с C _π , мы можем решить для выходного импеданса как функции частоты:

(7.21) Zout (s) = (Rs + rx + zπ (s) 1 + hfe) zπ (s) = rπCπrπCπs + 1

Однако это становится математически сложным, поэтому давайте прибегнем к приближенному результату, который мы можем найти осмотром с минимумом расчета.

График величины выходного импеданса эмиттерного повторителя показан на рисунке 7.11 (d) при условии ⁹ , что ток коллектора достаточно велик, так что 1/ g _м < R _s + r _х . Отметим, что между частотами ω ₁ и ω ₂ выходной импеданс линейно увеличивается с частотой и, следовательно, является индуктивным в этом диапазоне частот.

Частота ω ₁ , когда сопротивление начинает увеличиваться, – это частота, при которой C _π начинает закорачивать r _π .Эта частота приблизительно равна:

(7,22) ω1≈1rπCπ

Частота ω ₂ составляет примерно ч _{fe, в} раза больше этой частоты:

(7,23) ω2≈hfeω1≈hferπCπ≈9gmCπ

Эквивалентная схема, имитирующая этот частотно-зависимый импеданс, показана на рисунке 7.12. Мы можем подобрать параметры R ₁ и R ₂ :

РИСУНОК 7.12. Модель выходного сопротивления Z _out ( s ) эмиттерного повторителя с параметрами L , R ₁ и R ₂ .Обратите внимание, что это моделирует случай, когда сопротивление последовательно соединено с проводом базы.

(7.24) R1 = Rs + rxR1‖R2 = Rs + rx + rπ1 + hfe

Чтобы найти значение индуктивности L , отметим, что постоянные времени исходной схемы транзистора и модели индуктивной схемы должны быть таким же. Сопротивление холостого хода C _π составляет приблизительно 1/ г _м . Сопротивление, обращенное к катушке индуктивности L , составляет R ₁ + R ₂ .Следовательно, мы можем найти L с помощью следующего метода приравнивания постоянных времени RC и L / R двух контуров:

(7.25) Cπgm = LR1 + R2⇒L≈ (Cπgm) (R1 + R2)

Пример 7.3: Числовой пример выходного сопротивления эмиттерного повторителя

Давайте рассмотрим числовой пример. Предположим, у нас есть эмиттерный повторитель с R _s = 1 кОм, r _x = 200 Ом, I _C = 2 мА, h _fe = 150, g _м = 0.077 / Ом, r _π = 1950 Ом, C _μ = 2 пФ, f _T = 300 МГц и C _π = 39 пФ. Инкрементальная модель для этого эмиттерного повторителя показана на рисунке 7.13 (а). Наша индуктивная модель предсказывает:

РИСУНОК 7.13. Анализ высокочастотного выходного сопротивления эмиттерного повторителя с помощью LTSPICE (Пример 7.3). (a) Высокочастотная инкрементная схема, включающая r _x и C _μ .(b) Схема LTSPICE, в которой источник переменного тока величиной i _t = 1 А управляет эмиттером, так что мы можем найти инкрементный выходной импеданс эмиттера. (c) Моделирование LTSPICE, показывающее область индуктивного выходного импеданса, за которой следует спад импеданса из-за эффектов C _μ . (Для цветной версии этого рисунка читателя отсылают к онлайн-версии этой книги.)

(7.26) R1 = Rs + rx = 1200ΩR1R2 = Rs + rx + rπ1 + hfe = 20.9Ω⇒R2≈20.9 ΩL≈ (Cπgm) (R1 + R2) = (39pF0.077) (1220 Ом) ≈0,61 мкГн

Эта модель предсказывает импеданс, который начинает расти при частоте ∼ R ₂ / L или при 34,3 Мрад / с (5,5 МГц).

Мы можем смоделировать это с помощью LTSPICE, добавив источник испытательного тока переменного тока i _t и измерив результирующее испытательное напряжение v _t , как на рисунке 7.13 (b), с Z _из = v _t / i _t . Результат моделирования (рисунок 7.13 (c)) показывает, что низкочастотный импеданс составляет примерно 20 Ом, как и ожидалось, и что полное сопротивление начинает расти примерно на 5 МГц. Однако высокочастотный импеданс (на частотах выше примерно 100 МГц) не достигает нашего ожидаемого высокочастотного предела в 1200 Ом. Это связано с эффектом нагрузки C _μ , который наш упрощенный анализ проигнорировал. На очень высоких частотах шунтирующие эффекты C _μ приводят к тому, что выходной импеданс становится емкостным и уменьшается.Итак, в этом примере конструкции модели показывают, что диапазон, в котором выходное сопротивление является индуктивным, составляет приблизительно 5–100 МГц.

Одним из ответвлений индуктивного выходного импеданса является то, что при управлении емкостными нагрузками можно получить пик усиления слабого сигнала. На рис. 7.14 (а) показан эмиттерный повторитель, управляющий емкостной нагрузкой. ¹⁰ Моделирование LTSPICE (рисунок 7.14 (b)) показывает пик усиления для умеренной емкостной нагрузки. Обратите внимание, что пиковое значение возникает на частотах в диапазоне 5–100 МГц, где мы ожидаем, что выход эмиттерного повторителя будет иметь индуктивный выходной импеданс. ¹¹

РИСУНОК 7.14. Эмиттерный повторитель управляет емкостной нагрузкой (Пример 7.3). (а) Схема на транзисторе 2N3904. (b) LTSPICE-симуляция усиления этого эмиттерного повторителя при значениях нагрузочного конденсатора C _L = 0, 50, 100, 220 и 330 пФ. V _CC = +12 V и V _EE = −12 V. (Для цветной версии этого рисунка читатель отсылается к онлайн-версии этой книги.)

Пример 7.4: Эмиттер без нагрузки Входное сопротивление повторителя

Далее мы исследуем входное сопротивление ненагруженного эмиттерного повторителя, используя упрощенную инкрементную модель ¹² на рисунке 7.15 (а). В этом первом примере мы предположим, что эмиттерный повторитель разгружен или, в худшем случае, загружен чисто резистивной нагрузкой, которую мы можем объединить в эквивалентный эмиттерный резистор. Используя ту же методологию, что и в главе 5, когда мы нашли низкочастотное входное сопротивление эмиттерного повторителя, мы обнаружили, что входное сопротивление составляет:

РИСУНОК 7.15. Упрощенная модель для определения входного импеданса Z _в ( с ) эмиттерного повторителя (Пример 7.4). (a) Исходная схема при условии, что C _μ = 0 и r _x = 0.(б) Качественные графики величины входного импеданса. (c) Качественный график угла входного импеданса.

(7.27) Zin (s) = vi (s) it (s) = zπ (s) + (1 + hfe (s)) RE = zπ (s) + (1 + gmzπ (s)) REzπ (s ) = rπrπCπs + 1

Мы находим, что на очень низких частотах входной импеданс равен:

(7,28) Zinω → 0 = rπ + (1 + hfe) RE

На очень высоких частотах C _π замыкает r _π и отключает зависимый источник тока, в результате получается:

(7.29) Zinω → ∞ = RE

Графики зависимости величины и фазы входного импеданса эмиттерного повторителя от частоты показано на рисунке 7.15 (б и в). Обратите внимание, что на очень высоких частотах импеданс Z _в ( ω ) будет еще больше уменьшаться из-за шунтирующего эффекта C _μ , который мы проигнорировали в этом предыдущем анализе.

Пример 7.5: Входное сопротивление емкостного нагруженного эмиттерного повторителя

Используя результаты примера 7.4, давайте посмотрим, что произойдет, когда у нас есть дополнительное усложнение конденсатора, нагружающего эмиттерный повторитель, как показано на рисунке 7.16. Следующим логическим шагом в алгебре является замена R _E нагрузкой ( Z _E ( s )), которая представляет собой параллельную комбинацию R _E и нагрузочного конденсатора . C _L :

РИСУНОК 7.16. Инкрементальная модель емкостно нагруженного эмиттерного повторителя из Примера 7.5 для расчета входного сопротивления Z _in = v _t / i _t . Для математической простоты сначала пренебрегаем емкостью коллектор – база транзистора C _μ .

(7.30) Zin (s) = zπ (s) + (1 + gmzπ (s)) ZE (s) zπ (s) = rπrπCπs + 1ZE (s) = RERECLs + 1

Следуя алгебре, мы находим беспорядочный результат:

(7.31) zπ (s) = rπrπCπs + 1 + (1 + gm (rπrπCπs + 1)) (RERECLs + 1) = (rπ + (1 + hfe) RE) (rπRE (CL + Cπ) s (rπ + (1 + hfe) RE) +1 (rπCπs + 1) (RECLs + 1))

Обычно R _E является резистором большого номинала (или высоким выходным сопротивлением источник тока смещения) и h _fe R _E >> r _π , поэтому мы можем аппроксимировать это входное сопротивление как:

(7.32) Zin (s) ≈ (rπ + (1 + hfe) RE) ((CL + Cπ) gm + 1 (rπCπs + 1) (RECLs + 1))

Теперь давайте сделаем паузу и посмотрим на этот результат. Во-первых, есть член снаружи ( r _π + (1 + h _fe ) R _E ), который, как и ожидалось, представляет собой низкочастотный входной импеданс. Во-вторых, мы обнаруживаем, что есть два полюса и ноль на частотах:

(7.33) ωp1 = −1RECLωp2 = −1rπCπωz = −gmCL + Cπ

Есть два интересных случая: относительно большой C _L и относительно малый C _L .Построим график «полюс-ноль» и график Боде для двух разных случаев. Во-первых, для относительно небольшого C _L , с C _L < h _fe C _π (рисунок 7.17 (a)), мы находим, что нулевая частота ω _z находится на частоте выше ω _p2 . Это означает, что угол входного импеданса опускается ниже -90 ° для некоторого диапазона частот. В диапазоне частот, где угол меньше -90 °, действительная часть входного импеданса отрицательна. ¹³ Это отрицательное сопротивление. Другими словами, в этом частотном диапазоне отрицательный реальный входной импеданс может помочь выдержать колебания.

РИСУНОК 7.17. Входное сопротивление емкостного эмиттерного повторителя (пример 7.5). (a) График нулевого полюса и (b) График Боде для относительно небольшого C _L , с C _L & lt; h _fe C _π . (c) Результат для относительно больших C _L с C _L & gt; h _fe C _π , график полюс-ноль и (d) график величины и фазы Боде.

Во-вторых, для относительно большого C _L (рисунок 7.17b) мы обнаруживаем, что нулевая частота ω _z находится на частоте выше, чем ω _p2 . Таким образом, действительная часть входного сопротивления никогда не становится отрицательной.

Этот результат показывает, что эмиттерные повторители могут проявлять странное поведение – схемы, содержащие эмиттерные повторители, могут иметь пик усиления, а в некоторых случаях могут даже колебаться. ¹⁴ Одна из стратегий проектирования иногда состоит в том, чтобы последовательно соединить резистор или ферритовую бусину с базой транзистора.

Далее мы рассмотрим LTSPICE пример эмиттерного повторителя 2N3904, управляющего емкостной нагрузкой (рисунок 7.18 (a)). У нас есть эмиттерный повторитель, смещенный от источника тока 2 мА и нагруженный конденсаторами различной емкости в диапазоне 0–1000 пФ. Результирующий анализ переменного тока (рисунок 7.18 (b)) отображает входное сопротивление, измеренное в основании. На частотах, когда угол входного импеданса опускается ниже -90 °, на базе имеется отрицательное сопротивление . Это явление происходит в диапазоне частот приблизительно от 1 до 200 МГц, в зависимости от емкости нагрузочного конденсатора и уровня смещения тока коллектора транзистора.Это отрицательное сопротивление означает, что существует возможность создания нежелательных паразитных колебаний в этом диапазоне частот. Далее мы исследуем возможность колебаний.

РИСУНОК 7.18. Эмиттерный повторитель с емкостной нагрузкой (Пример 7.5). (а) Схема определения входного сопротивления эмиттерного повторителя с нагрузкой на эмиттерный повторитель 0, 50, 100, 220, 330 и 1000 пФ; В _CC = 12 В; и В _EE = -12 В (b) Величина и фаза входного импеданса.Существует вероятность отрицательного сопротивления в диапазоне 1–200 МГц, где угол опускается ниже -90 °. (Чтобы ознакомиться с цветной версией этого рисунка, отсылайтесь к онлайн-версии этой книги.)

Пример 7.6: Ужасающие непреднамеренные высокочастотные колебания эмиттерного повторителя

Отрицательный импеданс может быть очень неприятной вещью. Если вокруг транзистора присутствуют реактивные компоненты (например, емкости транзистора и индуктивность проводки), существует вероятность непреднамеренного возникновения генератора, если на вывод базы имеется отрицательное сопротивление.Схема, иллюстрирующая возможность непреднамеренного включения генератора, показана на рисунке 7.19. В этом случае L _p – это паразитная индуктивность проводки, а C _p – паразитные емкости транзистора, прикрепленные к базе. Отрицательное сопротивление – R добавляет энергию в контур бака LC , вызывая колебания. На практике – R на базе транзистора будет частично нейтрализован последовательно положительными сопротивлениями.Также отметим, что в этой упрощенной модели полюса системы будут находиться в правой полуплоскости, а осциллятор с постоянной амплитудой имеет полюса на оси jω . На практике, если создается непреднамеренный генератор, амплитуда колебаний самоограничивается из-за нелинейного усиления транзистора.

РИСУНОК 7.19. Схема для примера 7.6, иллюстрирующая возможность непреднамеренного возникновения генератора из-за паразитных компонентов L _p и C _p , прикрепленных к основанию эмиттерного повторителя, где повторитель имеет отрицательное значение импеданса – R .

Непреднамеренный генератор показан на рисунке 7.20, где у нас есть эмиттерный повторитель 2N3904, нагруженный нагрузочным конденсатором 100 пФ. Индуктивность внешней паразитной проводки составляет 100 нГн в выводах базы и коллектора. Результирующий анализ переходных процессов (рисунок 7.20 (b)) показывает паразитные колебания на частоте ~ 120 МГц.

РИСУНОК 7.20. Непреднамеренный генератор, вызванный емкостной нагрузкой на эмиттерный повторитель (Пример 7.6). (а) Схема. (b) Анализ переходных процессов LTSPICE, показывающий колебания на частоте 120 МГц.(Чтобы ознакомиться с цветной версией этого рисунка, отсылайтесь к онлайн-версии этой книги.)

Классическим «решением» проблемы колебаний эмиттерных повторителей является установка резистора с малым номиналом в базу (рисунок 7.21). . Для предотвращения колебаний внешнее сопротивление должно быть больше отрицательного сопротивления – R , представленного базовой схемой. В показанном анализе переходных процессов похоже, что внешний резистор около 100 Ом хорошо справится с подавлением любых колебаний, но значение, которое вам понадобится в вашей схеме, будет варьироваться в зависимости от типа используемого транзистора, смещения транзистора. уровень и величина паразитной индуктивности, окружающей выводы транзистора.

РИСУНОК 7.21. Классическое исправление для непреднамеренного генератора 120 МГц из примера 7.6 путем добавления базового резистора небольшого номинала. (а) Схема. (b) Анализ переходных процессов LTSPICE, влияние внешнего базового резистора R _b = 0, 22 и 100 Ом. Резистор 100 Ом эффективно подавляет колебания. (Цветную версию этого рисунка отсылайте к онлайн-версии этой книги.)

Пример 7.7: Лабораторный эксперимент, демонстрирующий непреднамеренные высокочастотные колебания устрашающего эмиттерного повторителя

Схема, демонстрирующая непреднамеренное высокочастотное высокочастотное колебание повторителя-эмиттера. Генератор показан на рисунке 7.22 (а). Схема была построена на макетной плате с намеренно плохой высокочастотной компоновкой (то есть без заземления, без обхода источника питания и т. Д.). К эмиттеру был прикреплен зонд осциллографа (рисунок 7.22 (б)). Результирующий выходной сигнал (рис. 7.22 (c)) показывает, что значение постоянного напряжения эмиттерного напряжения составляет приблизительно -0,7 В, но с колебаниями ~ 100 МГц, лежащими поверх смещения постоянного тока.

РИСУНОК 7.22. Схема, демонстрирующая ужасные высокочастотные колебания эмиттерного повторителя из Примера 7.7. (а) Схема эмиттерного повторителя, построенная на транзисторе 2N3904, управляющая емкостной нагрузкой 20 пФ.(b) Фотография схемы, построенной на прототипе платы с намеренно плохой компоновкой схемы. (c) Захват изображения, показывающий уровень постоянного напряжения эмиттера транзистора при -0,7 В с колебанием ∼100 МГц. Эта фотография была сделана с помощью цифрового запоминающего устройства; по горизонтали: 10 нс / деление. d) фотография, сделанная с помощью телескопа с широкополосным диапазоном (Tektronix 465); по горизонтали: 5 нс / деление. (Чтобы ознакомиться с цветной версией этого рисунка, читателя отсылают к онлайн-версии этой книги.)

Есть много плохих ответвлений ужасного колебания.Колебания могут быть выпрямлены и вызывать сдвиги постоянного тока в напряжении смещения транзистора или окружающих транзисторов. И, конечно же, возникающие колебания могут вызвать проблемы с электромагнитными помехами в соседних цепях.

Далее мы немного обсудим приборы и измерения. Фотография осциллографа на рис. 7.22 (c) показывает довольно синусоидальную форму волны. Однако в этом случае детали формы сигнала маскируются из-за относительно низкой полосы пропускания цифрового накопителя, используемого в эксперименте.На рис. 7.22 (d) мы видим фотографию, сделанную аналоговым осциллографом Tektronix 465 с большей полосой пропускания, которая показывает, что колебания не являются синусоидальными. (Мораль заключается в использовании осциллографа и зонда с достаточной пропускной способностью для выполнения работы.)

Эмиттерный повторитель (BJT) [Analog Devices Wiki]

Цель:

Чтобы исследовать простой усилитель с эмиттерным повторителем NPN, также иногда называемый конфигурацией с общим коллектором.

Материалы:

ADALM2000 Active Learning Module
Макетная плата без пайки
Перемычки
1 – 2,2 кОм Резистор (RL)
1 – малосигнальный NPN-транзистор (2N3904 Q ₁ )

Направление:

Соединения макетной платы показаны на схеме ниже. Выход генератора сигналов произвольной формы, W1, подключен к базовому выводу Q ₁ . Вход осциллографа 1+ (односторонний) также подключен к выходу W1.Клемма коллектора подключена к положительному (Vp) питанию. Клемма эмиттера подключена как к нагрузочному резистору 2,2 кОм, так и к входу осциллографа 2+ (несимметричный). Другой конец нагрузочного резистора подключен к отрицательной клемме (Vn). Для измерения ошибки ввода-вывода канал 2 осциллографа можно использовать по-разному, подключив 2+ к базе Q ₁ и 2- к эмиттеру.

Рисунок 1 Повторитель эмиттера

Настройка оборудования:

Генератор сигналов должен быть настроен на синусоидальную волну 1 кГц с размахом амплитуды 4 В и смещением 0.Несимметричный вход канала осциллографа 2 (2+) используется для измерения напряжения на эмиттере. Осциллограф настроен с подключением канала 1+ для отображения выходного сигнала генератора AWG. При измерении ошибки входа и выхода канал 2 осциллографа должен быть подключен к дисплеям 2+ и 2- дифференциал.

Рисунок 2 Схема макета эмиттерного повторителя

Процедура:

Рис.3 Формы сигналов повторителя эмиттера

Инкрементное усиление (Vout / Vin) эмиттерного повторителя в идеале должно быть 1, но всегда будет немного меньше 1.Прирост обычно определяется следующим уравнением:

Из уравнения видно, что для получения коэффициента усиления, близкого к единице, мы можем либо увеличить R _L , либо уменьшить r _e . Мы также знаем, что r _e является функцией I _E и что по мере увеличения I _E r _e уменьшается. Также из схемы видно, что I _E связан с R _L и что по мере увеличения R _L I _E уменьшается.Эти два эффекта работают в противовес друг другу в простом эмиттерном повторителе с резистивной нагрузкой. Таким образом, чтобы оптимизировать усиление ведомого, нам нужно изучить способы либо уменьшить r _e , либо увеличить R _L , не влияя на другое. Если посмотреть на повторитель с другой стороны, из-за присущего ему сдвига постоянного тока из-за транзистора В _BE , разница между входом и выходом должна быть постоянной в течение предполагаемого размаха. Из-за простой резистивной нагрузки R _L ток эмиттера I _E увеличивается и уменьшается по мере того, как выходной сигнал колеблется вверх и вниз.Мы знаем, что В _BE является (экспоненциальной) функцией I _E и изменится примерно на 18 мВ (при комнатной температуре) при изменении I _E с коэффициентом 2. В этом примере колебания от +2 В до -2 В минимальное значение I _E = 2 В / 2,2 кОм или 0,91 мА до максимального значения I _E = 6 В / 2,2 кОм или 2,7 мА. Это приводит к изменению мВ на 28 мВ на В _BE . Это наблюдение приводит нас к первому возможному усовершенствованию эмиттерного повторителя.Токовое зеркало из действия 5 теперь заменяет резистор нагрузки эмиттера, чтобы фиксировать ток эмиттера транзистора усилителя. Токовое зеркало пропускает более или менее постоянный ток в широком диапазоне напряжений. Этот более или менее постоянный ток, протекающий в транзисторе, приведет к более или менее постоянному значению В _BE . С другой стороны, очень высокое выходное сопротивление источника тока эффективно увеличило R _L , в то время как r _e остается на низком уровне, установленном током.

Дополнительные материалы:

1 – Резистор 3,2 кОм (используйте 1 кОм последовательно с 2,2 кОм)
1 – выбран малосигнальный NPN-транзистор (Q ₁ 2N3904)
2 – малосигнальный NPN-транзистор (Q ₂ , Q ₃ SSM2212). для лучшего соответствия Vbe

Рисунок 4 Улучшенный повторитель эмиттера

Настройка оборудования:

Рис.5 Улучшенная схема макетной платы эмиттерного повторителя

Процедура:

Рис.6.Улучшенные формы сигналов повторителя эмиттера

Рисунок 7 Ошибка входа и выхода для нагрузки резистора и источника тока

Цель:

Важным аспектом эмиттерного повторителя является обеспечение усиления по мощности или току.Иными словами, управляйте нагрузкой с более низким сопротивлением (импедансом) от источника с более высоким сопротивлением (импедансом). Таким образом, поучительно измерить выходное сопротивление эмиттерного повторителя.

Материалы:

1 – 4,7 кОм Резистор
1 – 10 кОм Резистор
1 – малосигнальный NPN-транзистор (Q ₁ 2N3904)

Направление:

В приведенной ниже конфигурации схемы добавлен резистор R ₂ для подачи тестового сигнала от AWG1 на эмиттер (выход) Q ₁ .Вход, база Q ₁ , заземлен.

Рисунок 8 Проверка выходного сопротивления

Настройка оборудования:

Генератор сигналов должен быть настроен на синусоидальную волну 1 кГц с размахом амплитуды 2 вольта со смещением, равным минус В _BE Q ₁ (приблизительно -0,65 В). Это вводит ток +/- 0,1 мА (1 В / 10 кОм) в эмиттер Q ₁ . Вход осциллографа 2+ измеряет изменение напряжения на эмиттере.

Рисунок 9 Тестирование выходного импеданса Схема макетной платы

Процедура:

Рисунок 10 Формы сигналов при испытании выходного импеданса

Постройте график изменения напряжения, измеренного на эмиттере. Номинальный ток эмиттера в Q ₁ составляет (5 В – 0,65) / 4,7 кОм или 925 мкА. Мы можем рассчитать r _e из этого тока как 26 мВ / 925 мкА или 28 Ом. Как это r _e соотносится со значением, измеренным на основе тестовых данных? Измените значение R ₁ с 4.От 7 кОм до 2,2 кОм и повторно измерьте выходное сопротивление цепи. Как он изменился и почему ??

Все цепи повторителя, которые мы исследовали до сих пор, имеют встроенное смещение –V _BE . Схема, показанная далее, использует сдвиг V _BE эмиттерного повторителя PNP вверх, чтобы частично отменить сдвиг вниз V _BE эмиттерного повторителя NPN.

Материалы:

1 – 6,8 кОм Резистор
1 – 10 кОм Резистор
1 – 0.01 мкФ Конденсатор
1 – малосигнальный PNP-транзистор (Q ₁ 2N3906)
3 – малосигнальный NPN-транзистор (Q ₂ , Q ₃ , Q ₄ 2N3904 или SSM2212)

Направление:

Соединения макетной платы показаны на схеме ниже. Выход функционального генератора подключен к клемме базы PNP-транзистора Q ₁ . Вывод коллектора Q ₁ соединен с диодом NPN Q ₃ , который является входом токового зеркала.Вывод эмиттера подключен как к резистору R ₁ , так и к выводу базы NPN-транзистора Q ₂ . Вход осциллографа 2+ подключен как к эмиттеру Q ₂ , так и к коллектору Q ₄ . Эмиттеры Q ₃ и Q ₄ подключены к отрицательному (Vn) источнику питания. Для наилучшего согласования используйте согласованную пару NPN SSM2212 для Q ₃ и Q ₄ .

Рисунок 11 Повторитель с малым смещением

Настройка оборудования:

Рисунок 12 Схема макетной платы повторителя с малым смещением

Генератор сигналов должен быть настроен на синусоидальную волну 1 кГц с размахом амплитуды 2 вольта со смещением, равным 0.Входной канал осциллографа 2 установлен на 500 мВ / дел.

Процедура:

Рис.13 Формы сигналов повторителя с малым смещением

Привод конденсатора

Проблема, с которой сталкивается простой эмиттерный повторитель, проявляется, когда он управляет емкостной нагрузкой. Время нарастания выходного сигнала может быть относительно быстрым, поскольку ток эмиттера ограничен только бета-кратностью базового тока, который может подаваться источником сигнала, управляющим базой.Время спада может быть намного медленнее и ограничено либо резистором эмиттера, либо источником тока.

Материалы:

2 – 2,2 кОм Резистор
1 – 10 кОм Резистор
1 – 0,01 мкФ Конденсатор
3 – малосигнальный PNP-транзистор (Q ₂ , Q ₃ , Q ₄ 2N3906 SSM2220)
3 – малосигнальный NPN-транзистор (Q ₁ , Q ₅ , Q ₆ 2N2904 SSM2212)

Схема, показанная здесь на рисунке 10, использует обратную связь для регулировки тока в эмиттерном повторителе при изменении тока в нагрузке.Ток для вывода отрицательного вывода может быть в N раз (коэффициент усиления зеркала NPN) тока в PNP Q ₃ . Для наилучшего согласования используйте согласованную пару PNP SSM2220 для Q ₃ и Q ₄ и согласованную пару NPN SSM2212 для Q ₅ и Q ₆ (усиление зеркала NPN будет равно 1, добавьте второй SSM2212 параллельно с Q ₅ для увеличения зеркального усиления).

Рис.16 Сбалансированный повторитель скорости нарастания

Настройка оборудования:

Рисунок 17 Схема макетной платы сбалансированного повторителя скорости нарастания

Процедура:

Рис.18 Осциллограммы сбалансированного повторителя скорости нарастания

Рис.19 Осциллограммы сбалансированного повторителя скорости нарастания

Альтернативный подход к улучшению эмиттерного повторителя заключается в уменьшении эффективного r _e за счет отрицательной обратной связи.Уменьшение r _e может быть решено путем добавления второго транзистора для увеличения коэффициента отрицательной обратной связи за счет увеличения коэффициента усиления без обратной связи. Одиночный транзистор заменяется парой со 100% обратной связью по напряжению на эмиттер первого транзистора. Это часто называют дополнительной парой обратной связи. Значение R ₂ имеет решающее значение для хорошей линейности, поскольку оно устанавливает I _C транзистора Q ₁ , а также определяет нагрузку на его коллектор.

Материалы:

1-2.Резистор 2 кОм
1 – 10 кОм Резистор
1 – малосигнальный NPN-транзистор (2N3904 Q ₁ )
1 – малосигнальный PNP-транзистор (2N3906 Q ₂ )

Рисунок 23 Дополнительная пара обратной связи Эмиттер-повторитель

Настройка оборудования:

Рисунок 24 Схема макетной платы эмиттерного повторителя дополнительной пары обратной связи

Процедура:

Рис.25 Формы сигналов эмиттер-повторителя дополнительной пары обратной связи

Незначительное дополнение к эмиттерному повторителю дополнительной пары обратной связи может обеспечить усиление более 1.Резистор R ₃ добавлен между коллектором PNP Q ₂ и эмиттером NPN Q ₁ . Теперь выходной сигнал поступает на коллектор Q ₂ . Прибыль приблизительно равна соотношению ₃ рандов к ₁ рандов, коэффициент усиления = ( ₁ рандов + ₃ рандов) / ₁ рандов. В этом примере это около 3,2.

Материалы:

2 – Резисторы 1 кОм
1 – Резистор 2,2 кОм
1 – малосигнальный NPN-транзистор (2N3904 Q ₁ )
1 – малосигнальный PNP-транзистор (2N3906 Q ₂ )

Рисунок 26 Последователь с усилением больше 1

Настройка оборудования:

Рисунок 27 Последователь с коэффициентом усиления более 1 Схема макетной платы

Процедура:

Рисунок 28 Последователь с усилением более 1 Осциллограммы

В дополнение к усилению (или в результате этого) уровень постоянного тока на выходе сдвигается на положительную величину по сравнению с коэффициентом усиления 1 версии.Это ограничивает диапазон входного напряжения, в котором схема может работать, как показывает отрицательный сдвиг входного уровня постоянного тока. Следующий график нормализует смещение постоянного тока.

Чтобы подтвердить, что коэффициент усиления действительно составляет около 3,2, следующий график делит выходной сигнал на коэффициент усиления и сравнивает его с входным. В этом примере фактическое усиление составляет 3,16, скорее всего, из-за неточных значений резистора.

Вопросы:

Что ограничивает коэффициент усиления, превышающий тот, который может произвести эта схема?

Что можно добавить в схему для снятия / восстановления уровней постоянного тока на входе и выходе этой схемы?

Что было бы, если бы транзистор NPN с диодным соединением заменить резистором R ₂ (2.2кОм)?

Это модификация эмиттерного повторителя для ограничения токового выхода. Если выходной каскад усилителя является эмиттерным повторителем, может потребоваться ограничение максимального тока, который может подаваться на выходную нагрузку. Схема:

Рисунок 32 Предел тока эмиттера

Настройка оборудования:

Рисунок 33 Схема макетной платы ограничения тока эмиттера

Процедура:

Рис.34 Осциллограммы предельного тока эмиттера

Где:

1. R _{1 Резистор базы} ограничивает базовый ток транзистора Q1.

2. R ₂ резистор измерения тока, используемый для измерения тока и включения транзистора Q2.

3. R ₃ Выходная нагрузка.

4. Q ₁ Главный транзистор, обеспечивающий ток нагрузки.

5. Q ₂ транзистор считывания тока.

Обсуждение:

Идея этой схемы заключается в том, что R ₂ действует как резистор считывания тока. Когда ток нагрузки умножается на R ₂ , напряжение считывания достигает примерно 0.6 (для кремниевых транзисторов) Q ₂ начинает проводить и увеличивает ток в R ₁ , что ограничивает базовый привод до Q ₁ , уменьшая его выходной ток. Максимальный ток в цепи достигается, когда I _L * R ₂ = 0,6. Эта схема может использоваться для защиты усилителей (включая двухтактные усилители), источников питания и других схем; или его можно использовать как цепь постоянного тока. Это не точная схема; однако это простая и эффективная схема.

Вернуться к лабораторной работе Содержание

университет / курсы / электроника / электроника-лаборатория-11.txt · Последнее изменение: 25 июня 2020 г., 22:07 (внешнее редактирование)

Усилитель эмиттер-повторитель класса A NPN [Analog Devices Wiki]

Усилитель с общим эмиттером, представленный в лаборатории «Усилитель с общим эмиттером NPN класса A», обеспечивал усиление напряжения и тока, но страдал от большого выходного сопротивления, равного эквивалентному сопротивлению коллектора, присутствующему для сигналов переменного тока.Эмиттер-повторитель EF, также называемый усилителем с общим коллектором, CC, обеспечивает почти единичное усиление по напряжению и усиление по току, которое может быть большим, и низкое выходное сопротивление. Усилители с эмиттерным повторителем обычно используются в качестве выходных каскадов, которые способны управлять нагрузками с низким импедансом из-за их коэффициентов усиления по току и низкого выходного сопротивления. Название «эмиттер-повторитель» происходит от того факта, что выходной сигнал, принимаемый на эмиттере, следует за входным сигналом, подаваемым на базу, с почти единичным усилением.«Эмиттер-последователь» более описательный, чем «общий коллектор», и в дальнейшем будет использоваться по этой причине. Как и в случае с усилителем CE, мы будем изучать усилитель EF с использованием одного транзистора, смещенного в конфигурации класса A.

В отличие от усилителя CE, выходное напряжение и входное напряжение усилителя EF синфазны и имеют почти одинаковую величину. В этом смысле выходное напряжение на эмиттере «следует» за входом. Коллектор обычно подключается непосредственно к источнику питания, а эмиттер подключается к другому напряжению питания – часто к земле – через резистор эмиттера R _E .Работа усилителя EF представляет собой форму отрицательной обратной связи. Системы отрицательной обратной связи более подробно обсуждаются в последующих лабораторных работах, но могут быть кратко описаны как системы, в которых часть или вся выходная величина подается обратно в систему таким образом, чтобы уменьшить ошибку, которая существует между существующими условиями. и желаемое состояние. Автомобильный круиз-контроль является примером повседневной системы отрицательной обратной связи, в которой скорость автомобиля постоянно контролируется и регулируется таким образом, чтобы минимизировать ошибку между текущей скоростью и скоростью, установленной водителем.Системы отрицательной обратной связи часто используются для регулирования физических явлений. Ссылка на схему в разделе «Процедура» лабораторной работы будет полезна при чтении оставшейся части этого раздела. В усилителе эмиттер-повторитель отрицательная обратная связь происходит следующим образом: начиная с эмиттера, когда напряжение эмиттера v _E увеличивается, напряжение база-эмиттер v _BE уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает базовый ток i _B , который уменьшает ток коллектора i _C на соотношение i _C = βi _B ; вспоминая, что для больших β мы можем сказать, что i _E ≈ i _C (точное соотношение между i _E и i _B ): i _E = (1 + β) i _B , и (1 + β) i _B ≈ βi _B для больших β) мы видим, что i _E уменьшается как i _C , таким образом уменьшая v _E .Эта отрицательная обратная связь регулирует точку смещения и коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя, сохраняя коэффициент усиления по напряжению близким к единице. Этот же контур обратной связи помогает регулировать рабочую точку смещения в усилителе CE. Во многих, если не в большинстве, приложениях мы можем рассматривать эмиттерный повторитель как имеющий единичный коэффициент усиления по напряжению с выходным напряжением, смещенным вниз по сравнению с входным напряжением на одно падение v _BE . Требования к точке смещения для усилителя с эмиттерным повторителем класса A такие же, как и для усилителя CE класса A.

Усиление по току и низкий выходной импеданс усилителя эмиттерного повторителя делают его идеальным для управления нагрузками с низким импедансом, которые могут быть связаны по постоянному или переменному току. Многие усилители имеют выходные каскады эмиттерного повторителя, расположенные после каскадов усиления напряжения. В этой лабораторной работе мы проектируем, строим и оцениваем один усилитель с эмиттерным повторителем класса A, а затем размещаем его после усилителя CE, используемого в лаборатории усилителя NPN с общим эмиттером класса A, со связью по постоянному току, чтобы проиллюстрировать, как его можно использовать. для управления нагрузкой, связанной по переменному току, намного более тяжелой, чем нагрузка 1 кОм, используемая в этой лаборатории, и что это устраняет потери усиления из-за нагрузки высокого выходного сопротивления каскада CE.Пример того, как каскад эмиттер-повторитель может быть добавлен к операционному усилителю «внутри контура» для управления громкоговорителем с низким сопротивлением, показан в лаборатории «Аудиоусилитель с электретным микрофоном».

Разработка, создание и тестирование усилителя с эмиттерным повторителем с использованием транзистора 2N3904 NPN с входным сопротивлением не менее 1 кОм, который способен управлять нагрузкой 47 Ом, связанной по переменному току, с синусоидой 1 В. _PP . Увеличить нагрузку до 10 Ом и заметить, что эта более тяжелая нагрузка все еще может работать, ограниченная доступным током.Проверить, что усиление усилителя приблизительно равно единице, а точка Q близка к расчетному. Чтобы наблюдать эффект буферизации эмиттерного повторителя и показать, насколько минимальная выходная нагрузка по сравнению с усилителем CE. Чтобы понять и уметь рассчитывать коэффициент усиления по напряжению усилителя эмиттер-повторитель, коэффициент усиления по мощности, КПД и рассеиваемую мощность. Чтобы добавить каскад эмиттер-повторитель к выходу усилителя CE, разработанный в лаборатории «Усилитель с общим эмиттером NPN класса A» в режиме связи по постоянному току, чтобы показать, как буферы добавляются в каскады усиления по напряжению для управления нагрузками с низким сопротивлением .По завершении этой лабораторной работы вы сможете объяснить основную работу усилителя с эмиттерным повторителем, объяснить, как отрицательная обратная связь стабилизирует коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером, объяснить, почему выходная нагрузка почти не влияет на усилитель с эмиттерным повторителем. в качестве усилителя CE, и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по мощности, КПД и рассеиваемую мощность усилителя с эмиттерным повторителем класса A.

Усилитель на эмиттерном повторителе имеет высокое входное сопротивление для сигналов, подаваемых на его базу, и обеспечивает на выходе источник эффективного напряжения с низким сопротивлением.Эти характеристики делают усилитель на эмиттерном повторителе хорошо подходящим для использования в качестве буферного усилителя напряжения . Буферные усилители используются для буферизации больших нагрузок от источников сигналов с высоким выходным сопротивлением. Хороший буфер имеет высокое входное сопротивление, чтобы существенно не нагружать выходное сопротивление источника, который подвергается буферизации, и выход источника напряжения с низким сопротивлением, который способен управлять большими нагрузками с минимальными потерями при нагрузке.

Наш усилитель должен управлять нагрузкой 47 Ом с +/- 0.5 В синусоида, для которой требуется примерно +/- 10,6 мА . Мы сделаем базовую точку смещения примерно на середине предложения. Исходя из среднего напряжения смещения базы питания, мы можем оценить напряжение эмиттера как 2,5 В – 0,7 В = 1,8 В . Когда выходной синусоидальный сигнал находится на минимальном уровне, резистор эмиттера должен поглощать весь ток, подаваемый обратно от нагрузки (помните, что конденсатор 47 мкФ действует как короткое замыкание на сигнал 500 Гц по сравнению с резистором нагрузки 47 Ом). .Ток от эмиттера уменьшается, позволяя току, протекающему обратно от нагрузки, проходить через резистор эмиттера. Расчет KCL, выполненный на эмиттере, показывает, что ток на выходе эмиттера равен сумме тока, протекающего на землю через резистор эмиттера, и тока, возвращаемого от нагрузки. Следовательно, ток, протекающий через резистор эмиттера, должен быть, по крайней мере, равен максимальному току, протекающему обратно от нагрузки, когда форма выходного сигнала минимальна, в противном случае мы должны были бы иметь отрицательный ток эмиттера.Когда выходной сигнал минимален, напряжение на эмиттере составляет примерно 1,8 В – 0,5 В = 1,3 В . Максимальный ток, протекающий обратно от нагрузки, который возникает при минимуме формы сигнала, был определен как 10,6 мА . Ток эмиттера должен быть по крайней мере таким большим в этот момент, поэтому максимальное значение резистора эмиттера составляет 1,3 В / 10,6 мА ≈ 123 Ом. Мы хотим иметь некоторый запас, и 100 Ом было бы слишком близко, поэтому мы выберем следующее наименьшее значение 68 Ом для резистора эмиттера.Это значение дает приблизительный ток смещения Q-точки 1,8 В /68 Ом ≈ 26,5 мА .

Если мы хотим сделать первую оценку падения напряжения, вызванного базовым током, помня, что i _E ≈ i _C , мы используем β = 200, чтобы оценить базовый ток как i _B ≈ 26,5 мА /200 ≈ 133 мкА. Ток смещения базы высокий, потому что мы используем большой ток эмиттера. Падение напряжения из-за тока базы можно оценить в (133 мкА) (2.2 кОм || 2,2 кОм) ≈ 0,15 В . Это уменьшение, в свою очередь, уменьшит напряжение эмиттера, что уменьшит ток эмиттера, что уменьшит базовый ток и связанное с ним падение напряжения, поэтому разумная оценка снижения напряжения смещения базы из-за тока смещения базы будет примерно 0,1 В , поэтому мы будем использовать 2,4 В в качестве базового напряжения. Теперь более точное напряжение смещения эмиттера можно установить как 2,4 В – 0,7 В = 1,7 В .Ток смещения эмиттера можно рассчитать как 1,7 В /68 Ом = 25 мА .

Входное сопротивление со стороны базы транзистора, используемого в усилителе эмиттерного повторителя R _{i, база} , такое же, как и у усилителя CE.

Используя β = 200 из лаборатории Введение в транзисторы и подставляя числа из этой лаборатории, мы имеем

Когда мы используем делитель напряжения для обеспечения смещения базы, нам необходимо включить резисторы в делителе параллельно входному сопротивлению, смотрящему на базу, так что общее входное сопротивление R _i равно

Обратите внимание, что этот результат немного отстает от нашей проектной цели – иметь минимальное входное сопротивление 1 кОм.В первую очередь это связано с резисторами 2,2 кОм, которые использовались для установки напряжения смещения базы. Мы могли бы немного увеличить номинал этих резисторов и поднять входное сопротивление как минимум до 1 кОм, но следующее по величине значение в комплекте составляет 4,7 кОм, что даст нам значительно больше ненужного падения напряжения на базовом напряжении смещения. Лучшим решением, если бы были доступны все номиналы резисторов, имеющиеся в продаже, было бы использование резистора наименьшего доступного номинала, соответствующего требованиям входного сопротивления.

Для больших β (≥ 100) выходное сопротивление, смотрящее на эмиттер усилителя эмиттерного повторителя R _o , рассчитывается как

где R _S – полное эквивалентное сопротивление источника в цепи базы. В нашей схеме R _S равно параллельной комбинации резисторов смещения базы и сопротивления источника, питающего базу. Обратите внимание, что когда усилитель эмиттерного повторителя питается от выхода источника напряжения с низким сопротивлением M1K, R _S ≈ 0, а выходное сопротивление – это просто инкрементное сопротивление эмиттера r _e .

Когда мы размещаем эмиттерный повторитель на выходе усилителя CE из лаборатории «Усилитель с общим эмиттером NPN класса A», мы получаем ненулевое значение R _S , и нам необходимо включить его в расчет R _o

Мы увидим небольшие потери в делителе напряжения при управлении нагрузкой 47 Ом и более выраженные потери при управлении нагрузкой 10 Ом. Если усилитель эмиттер-повторитель буферизует усилитель CE, мы получим коэффициенты делителя напряжения 47 Ом / 49.6 Ом ≈ 0,95 для нагрузки 47 Ом и 10 Ом / 12,6 Ом ≈ 0,79 для нагрузки 10 Ом.

Мы можем рассчитать эффективность усилителя эмиттер-повторитель, исследованного в этой лаборатории.

Для усилителя с эмиттерным повторителем, подавающего +/- 1 В на нагрузочный резистор 47 Ом, мощность на нагрузке составляет:

Обратите внимание, что мощность нагрузки также можно было рассчитать по формуле [v _{НАГРУЗКА} ( среднеквадратичное значение )] ² / R _L .

Энергия покоя, потребляемая от источника питания, составляет:

Таким образом, эффективность составляет:

Для усилителя с эмиттерным повторителем, буферизующего усилитель CE, подающего +/- 0,5 В на нагрузочный резистор 47 Ом, мощность в нагрузке снова будет:

Полная мощность покоя, потребляемая от источника питания, с использованием результатов, уже рассчитанных в лаборатории усилителя CE, составляет:

Таким образом, эффективность составляет:

Если мы заменим нагрузку 47 Ом нагрузкой 10 Ом, мы снизим выходное напряжение на нагрузке примерно до +/- 0.15 В , а мощность нагрузки равна

Эффективность сейчас только

Важно отметить, что потери делителя напряжения между выходом эмиттерного повторителя и нагрузкой не учитывались.

Мы можем рассчитать коэффициент усиления по мощности двух каскадных усилителей с нагрузкой 47 Ом, используя результаты, полученные в лаборатории «Усилитель с общим эмиттером NPN класса A». Коэффициент усиления по напряжению практически такой же, как и для усилителя CE, поскольку коэффициент усиления по напряжению усилителя эмиттер-повторитель очень близок к единице, а входное сопротивление CE не изменилось.Таким образом, выигрыш в мощности равен

Из этого результата мы можем увидеть, как добавление выходного каскада эмиттерного повторителя увеличило общий прирост мощности, обеспечивая усиление по току для управления более тяжелой нагрузкой.

Эмиттерный повторитель и другие конфигурации транзисторов

Существует три топологии усилителя с биполярным переходом: общий эмиттер, общая база и общий коллектор. (Для полевых транзисторов аналогичными конфигурациями схемы являются общий исток, общий затвор и общий сток.В старом мире электронных ламп они были обычным катодом, общей сеткой и общей пластиной.) Эта конкретная классификация происходит от конфигурации внешней цепи.

Схема эмиттерного повторителя, также известная как усилитель с общим коллектором, является типичным устройством отрицательной обратной связи. Что в нем хорошо, так это его высокое входное сопротивление, которое не нагружает, то есть практически незаметно для предыдущей схемы. Кроме того, выходное сопротивление низкое, поэтому следующая схема не дестабилизирует его, если это будет большая нагрузка.Другими словами, транзистор представляет собой надежный буфер напряжения.

В схеме с общим коллектором входное напряжение прикладывается между базой и коллектором, а выходное напряжение исходит из разницы, которая существует между цепями эмиттера и коллектора. Поскольку напряжение эмиттера является функцией входной разности, устройство обычно называют эмиттерным повторителем.

Схема характеризуется двумя важными характеристиками: коэффициент усиления всегда близок к единице, независимо от изменений смещения, индивидуальных производственных вариаций, тепловых эффектов, нагрузки на последующем каскаде или значения любого резистора коллектора.Во-вторых, выход является обратным входу. Это вовсе не недостаток, если его принять во внимание. Если количество ступеней четное, общий выходной сигнал не инвертируется.

В схеме усилителя на эмиттерном повторителе выходной сигнал, помимо инвертирования, немного меньше единицы, потому что напряжение на эмиттере фиксируется на диодном падении примерно на 0,6 В ниже базы. Поскольку в этой схеме нет усиления напряжения, можно задаться вопросом, есть ли у нее цель.Ответ заключается в том, что его ценность заключается в том, что его входное сопротивление намного больше, чем его выходное сопротивление. Соответственно, меньше мощности требуется от входа для управления выходом, если бы было прямое соединение, а не схема эмиттерного повторителя. По этой причине эмиттерный повторитель имеет усиление по току. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, схема имеет существенный выигрыш по мощности. Малый выходной импеданс эмиттерного повторителя снижает любую нагрузку на последующий каскад.

Осциллографы

могут быть полезны для отображения некоторых качеств, присущих эмиттерным повторителям.Если усилитель питается от генератора сигналов, подключите выход усилителя и выход генератора сигналов к отдельным каналам осциллографа. Инвертированный характер выхода усилителя должен быть очевиден на дисплее осциллографа. То же самое должно быть в том, что на выходе нет усиления напряжения.

Точно так же на дисплее осциллографа должна быть легко видна частотная характеристика усилителя. Мы регулируем выходную частоту генератора сигналов, пока выходная мощность усилителя не упадет до 70.7% от нормальной производительности. Это точка спада 3 дБ. Этот момент легко заметить, установив курсоры напряжения на осциллографе на точку 70,7%.

Одно из применений схемы усилителя с эмиттерным повторителем – это часть регулятора напряжения, использующая его возможности в качестве буфера. В некоторых некритичных цепях, где ток питания никогда не поднимается выше заданного уровня, подойдет простой стабилитрон. Но в этом простом регуляторе напряжения есть проблемы, потому что выход не может быть отрегулирован или установлен.Неразрушающий пробой обратного смещения стабилитрона просто отсекает напряжение выше определенного уровня в зависимости от выбора диода. Кроме того, из-за ограниченного динамического сопротивления стабилитроны обеспечивают минимальное подавление пульсаций и стабильность при изменении входа и нагрузки. Когда нагрузка сильно колеблется, только мощный и дорогой стабилитрон может справиться с повышенным тепловыделением. И здесь усилитель эмиттерного повторителя является эффективным средством.

Чтобы изолировать стабилитрон, эмиттерный повторитель вместе с резистором можно подключить последовательно с выходом для ограничения тока.Это делается через коллекторный резистор, поэтому делитель напряжения формируется с стабилитроном, смещенным в обратном направлении от центрального вывода делителя напряжения к земле. Центральная точка этого делителя напряжения может быть заземлена через конденсатор, подключенный к дополнительному центральному отводу. Этот добавленный компонент эффективно снижает пульсацию.

Как и любой источник тока (аккумулятор, генератор), эмиттерный повторитель может передавать мощность на подключенную нагрузку только до конечного уровня напряжения. Диапазон напряжения без падения тока известен как его выходное соответствие.Это эквивалентно тому, что в случае эмиттерного повторителя он должен оставаться в своей активной области. Напряжение коллектора должно находиться в диапазоне от близкого к насыщению до максимально возможного напряжения питания, если нагрузка не содержит дополнительного источника питания.

ECE 392 Лаборатория 2: Эмиттер-повторитель

PRELAB

1. Каково приблизительное значение усиления по напряжению эмиттерного повторителя? Чем может быть полезна такая схема?
   
2. Каковы значения входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя? вы рассчитываете измерить? Связаны ли они?

ЛАБОРАТОРИЯ

Необходимое оборудование: комплект деталей ECE 392, провода, 2 зонда.

1. ПОСЛЕДУЮЩИЙ ЭМИТТЕРА С ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ОДИНОЧНОЙ И ДВОЙНОЙ ПОЛЯРНОСТИ.

Подключите схему, показанную ниже. Ценность небольшой защитной входной базы резистор не критично.

(a) Наблюдайте за работой ведомого.

Управляйте им с помощью симметричной синусоидальной волны на входе (убедитесь, что сигнал от генератора сигналов не имеет постоянного напряжения смещения).Увеличьте ввод напряжение от менее 1 В (размах) до примерно 2 В (не управляйте переходом B-E до разбивки на отрицательный полупериод). Наблюдайте за входными и выходными сигналами используя два канала осциллографа и отметьте их амплитуды и фазовое соотношение. Обратите внимание, особенно при низком напряжении сигнала, разница в пиковом напряжении и времени перехода через ноль на двух каналах. Расширять вертикальный и горизонтальный масштаб по мере необходимости. Используйте вход постоянного тока осциллографа, чтобы проверить, в вашем сигнале присутствует смещение постоянного тока.

Затем подключите V _CC к 5 В и V _EE к -5 В (см. рисунок ниже) и снова проследите за выходом. Измерьте входное и выходное напряжение. Рассчитайте усиление напряжения.
Насколько большое выходное напряжение можно получить от схемы (без искажений)?
Объясните разницу между этим и предыдущим случаем.

(b) Измерьте входное и выходное сопротивление, Z _на и Z _{на выходе} .

Определите Z _в (полное сопротивление в базе транзистора) измеряя сигналы на обеих сторонах резистора 10 кОм, подключенного к серия на входе. Вы можете оставить небольшой входной резистор. в предыдущей схеме. Напомним, что входное сопротивление – это отношение входное напряжение к входному току, который по закону Ома равен пропорционально падению напряжения на резисторе.

Нагрузите выход резистором (1 кОм или меньше) через 4.Блокирующий конденсатор 7 мкФ. Используйте синусоидальный сигнал на входе и наблюдаем изменение выходного сигнала при включении резистора подключен. Определите Thevenin эквивалентное сопротивление при рассмотрении повторителя как источника напряжения с выходом Z в сериях. Работайте на частоте, при которой цепь нагрузки не работает как фильтр (ω >> 1 / RC)

Подсказка: Обратите внимание, что нагрузка резистор образует делитель напряжения с Z _{на выходе} .

2. ЭМИТТЕР СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОР.

Можно ли использовать источник питания с одной полярностью для повторителя, работающего с симметричный вход? Попробуйте схему, показанную на рисунке ниже. Мера компоненты переменного и постоянного тока выходного напряжения с осциллографом. Измерьте смещение эмиттера и базы постоянным током с помощью цифрового вольтметра.
Объясните результаты.Как вы могли устранить составляющая постоянного тока от выходного напряжения? Пытаться!

АЧХ последней цепи отличается от тех, что в 1? Определить частоту f _-3дБ путем уменьшения частота генератора до тех пор, пока выходной сигнал не упадет на 3 дБ

ОТЧЕТ

Четко представьте результат всех измерений.Ответьте на все вопросы и прокомментируйте темы, выделенные жирным шрифтом в этом руководстве.
Используйте моделирование Multisim, чтобы получить частотные характеристики схемы в 2 и сравнить измеренные значения f-3 дБ с результатами моделирования.

.