4.3. Повторители напряжения (истоковый и эмиттерный)

Такие каскады используются, когда необходимо передать сигнал от источника с большим выходным сопротивлением в нагрузку с малым сопротивлением и для развязки между каскадами в широкой полосе частот.

Истоковый повторитель (ИП)

Принципиальная схема повторителя приведена на рис.4.22. Стационарный режим находится так же, как и в резисторном каскаде на полевом транзисторе с учетом того, что напряжение питания Е_П в выходной цепи распределяется между резисторомR_Ии зажимами исток-сток транзистора. Напряжениемежду затвором и истоком равно разности напряжений на резисторахR₂иR_И.

Рис.4.22

Из принципиальной схемы видно, что транзистор включен с общим стоком, и поэтому исследование каскада можно было бы провести, используя комплексные Y-параметры транзистора с общим стоком. Однако можно обнаружить, что в повторителе присутствует последовательная отрицательная ОС по напряжению. Действительно, при наличии входного сигналаЕ_Гнапряжение на переходе затвор-исток в области средних и высших частот:ΔU=U₁-U₂=U₁-U₂(oc). Поскольку,U₂(oc)=U_OC,то четырехполюсник ОС имеет коэффициент передачи:. В этом случае полагают, что в повторителе осуществлена 100-процентная последовательная обратная связь. При опыте КЗ:U₂(ос,кз)=0, а при опыте ХХ:

,

следовательно,

отрицательная обратная связь в повторителе – последовательная и по напряжению. В гл.3получено, что при такой связи определяющим является коэффициент передачи напряжения. В области средних частот сопротивление конденсатора С_Рдостаточно мало, а конденсаторовС_Н,С_ИС,С_ЗС весьма велико по сравнению с сопротивлениями резисторамиR_И,R_Н. Поэтому нагрузкой каскада является параллельное соединение:. Тогда коэффициент усиления выходной цепи каскада без ООС будет:

,

а глубина связи - .

Следовательно:

Поскольку , тонезначительно отличается от единицы и всегда меньше ее. Таким образом, в схеме усиления напряжения не происходит. Кроме того, фазы сигналовU₁иU₂(oc)совпадают. Эти свойства схемы определили ее название – истоковый повторитель напряжения. ВыражениеK_OF(2)можно записать следующим образом:

Этот коэффициент передачи может быть получен из эквивалентной схемы выходной цепи ИП, изображенной на рис.4.23.

Из рис.4.23 видно, что выходное сопротивление ИП будет меньше по сравнению с сопротивлением без обратной связи. Это полностью согласуется с результатами теории для такого типа ООС, полученными в главе 3. Из табл.3.1 находим, что выходное сопротивление при данном типе ООС уменьшается в величинупри холостом ходе на выходе:

.

Из рисунка следует, что при опыте ХХ: . Тогда:

,

что соответствует эквивалентной схеме усилительного элемента, заключенной штриховые линии рис.4.23. Это изменение сопротивления может быть значительным.

Пусть, например, =20 мА/В,=См,

тогдакОм,Ом.

Исследуем комплексный коэффициент передачи повторителя в области верхних частот. Выражение K_UF(2)в этой частотной области становится комплексным:

;

поскольку для области верхних частот коэффициент передачи напряжения без обратной связи:

,

где ,

тогда результирующий комплексный коэффициент

.

Структура последнего выражения такая же, как и у коэффициента передачи резисторного каскада K_Uбез обратной связи, однако постоянная выходной цепи уменьшается в величину, что приводит к расширению полосы пропускания выходной цепи ИП во столько же раз. Однако это расширение полосы в ИП окупается уменьшением усиления в области средних частот по сравнению с резисторным каскадом в такую же величинуF₂(0).

Эквивалентная схема выходной цепи ИП в области верхних частот изображена на рис. 4.24.

На рис.4.24 штриховыми линиями обведена выходная цепь повторителя, где присутствует крутизна S₀вместе с внутренней проводимостьюg₂₂выполняющая роль внутренне проводимости выходной цепи каскада.

Рассмотрим свойства повторителя в области нижних частот. В этой частотной области обратная связь становится частотно-зависимой и U_OC≠U_2OC. С понижением частоты модуль напряженияU_OCможет оказаться существенно меньше модуляU_2OC. Однако в том частотном диапазоне НЧ, где эти напряжения примерно одинаковые комплексный коэффициент передачи может быть получен из схемы рис. 4.23 с включением в неё разделительного конденсатораС_Рмежду резисторамиR_ИиR_Н- рис. 4.25.

U_20C

Топология этой схемы такая же, как и у эквивалентных схем резисторных каскадов в области нижних частот, следовательно:

,

где

.

Ввиду небольших величин R_Н ,R_И в ИП по сравнению с резисторными каскадами для получения невысокого значения нижней граничной частоты в истоковом повторителе приходится значительно увеличивать емкость разделительного конденсатораС_Р.

Исследуем входную цепь ИП. Согласно рис.4.22, входное сопротивление повторителя справа от вертикальной штриховой линии в области средних частот очень велико:

В полевых транзисторах Ом, поэтомуоказывается существенно больше параллельного соединения сопротивленийR₁иR₂. Тогда в области нижних частот эквивалентная схема входной цепи ИП имеет вид, приведенный на рис.4.26,а, а в области средних частот – рис.4.26,б.

Из рис.4.26,а,б следует, что в области средних частот:

,

а в области нижних частот:

,

где

.

В области высоких частот комплексное сопротивление затвор-исток каскада без обратной связи определяется известным образом и будет емкостным:

Свх(g)=Сис+С_ЗС(1+К_О).

Входное сопротивление повторителя, т.е. при наличии последовательной ООС, возрастает в величину F₂(0).Поэтому сопротивлениеZ_вх(F₂),справа от вертикальной штриховой линии рис.4.22 на участке затвор – общий провод, также оказывается емкостным:

.

Следовательно, входная динамическая ёмкость истокового повторителя оказывается меньше, чем у резисторного каскада в величину F₂(0):

Эквивалентная схема входной цепи повторителя в области верхних частот приведена на рис.4.27.

Коэффициент передачи входной цепи:

записывается в виде:

,

где _, g_r, g₁,g₂-проводимости сопротивлений генератора и делителейR₁,R₂.

Уменьшение входной эквивалентной динамической емкости способствует расширению полосы пропускания во входной цепи истокового повторителя. Эмиттерный повторитель (ЭП) является аналогом истокового повторителя, его принципиальная схема изображена на рис. 4.28.

.

Рис.4.28

Ввиду полной идентичности схем рис.4.22 и 4.28 все соотношения, полученные ранее для ИП, оказываются в основном справедливыми и для эмиттерного повторителя. Однако имеются и различия. В частности его выходная проводимость Y_ВЫХ(jω,ЭП)при использовании эквивалентной схемы рис.4.24 в области верхних частот может быть записана с заменой в нейS₀ иg_Iкомплексными параметрамиY₂₁Y₂₂биполярного транзистора:

Y_ВЫХ(jω,ЭП)=g_i+jωC_КБ^/+S₀/(1+jωτ)+g_Э+g_H+C_H.

Если записать параметрY₂₁следующим образом

,

то выходная цепь эмиттерного повторителя может быть изображена, как параллельный резонансный контур с тремя ветвями: индуктивной-R_S+jωL_S, емкостной-С₀= C_КБ^/+С_Ни резистивной с эквивалентной проводимостьюg_ЭКВ=g_i+g_Э+g_H.Поэтому в рабочей полосе частот, особенно при большой емкости нагрузкиС_H, в выходной цепи ЭП могут наблюдаться резонансные явления и в частности подъем частотной характеристики, что связано с характером комплексной крутизны биполярного транзистора. Входная проводимость повторителя (справа от вертикальной штриховой линии рис.4.28) приближенно записывается в виде:

В целом из-за более высокой крутизны биполярных транзисторов по сравнению с полевыми свойства эмиттерного повторителя проявляются при сопротивлениях R_э, R_нмного меньших, чем в ИП. Все это способствует широкому применению ЭП. Поскольку комплексные коэффициенты передачи повторителей входной и выходной цепей имеют сходную структуру, что и у резисторных каскадов, то выражения переходных характеристик этих цепей в области малых и больших времен имеют известный вид:.

Помимо рассмотренных выше базовых схем повторителей с полевыми и биполярными транзисторами известны и используются специальные схемы повторителей, например, с повышенным входным сопротивлением, сложные повторители и др.[10].