ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ I. Схемы, принцип работы и основные свойства эмиттерного и истокового повторителей.

По постоянному току транзистор в эмиттерном повторителе (ЭП) может быть включен по схеме эмиттерной стабилизации рабочей точки (рис.1а) либо по схеме коллекторной стабилизации. Во втором случае надо исключить R2. Вход и выход подключаются к внешним цепям через разделительные конденсаторы С1 и С2.

Рис. 1

При положительной полуволне входного переменного напряжения транзистор (типа n-р-n) еще больше открывается и его ток увеличивается, а при отрицательной – уменьшается. В результате этого переменное выходное напряжение имеет ту же фазу, что и входное. Оно служит напряжением обратной связи (ОС), оказывается включенным последовательно с входным и направлено навстречу ему. Поэтому ОС является последовательной отрицательной по напряжению.

Выходное напряжение меньше входного, но ненамного - на величину напряжения база - эмиттер. Поэтому Umвых ≈ Umвх. Так как напряжение эмиттера и по фазе, и по амплитуде повторяет напряжение, поданное на вход, то каскад называется ЭП. Усиления по напряжению он не дает, но дает усиление по току и по мощности, которое приблизительно равно β - коэффициенту усиления транзистора по току. Усиление по мощности у ЭП меньше, чем у каскада с ОЭ, который дает усиление как по току, так и по напряжению. Зато ЭП имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, а поэтому может использоваться как связующее звено между высокоомным источником сигналов и низкоомной нагрузкой. Кроме того, повторитель имеет широкую полосу пропускания. Эти положительные свойства обусловлены наличием глубокой отрицательной ОС.

Структура выходной цепи транзистора в ЭП такая же, как и в схеме с ОЭ: последовательное соединение источника питания, сопротивления нагрузки и промежутка коллектор-эмиттер транзистора. Поэтому, как и в схеме с ОЭ, максимально достижимая амплитуда выходного переменного напряжения не может превысить половины напряжения питания. Отличие от схемы с ОЭ лишь в способе подачи входного напряжения. Оно подается здесь не между базой и эмиттером, а между базой и землей (коллектором), т.е. стало больше на величину выходного напряжения.

Анализ ЭП будем проводить по упрощенной схеме (рис. 1,6). На ней точку входа каскада условно принимается вывод базы транзистора, а резисторы R1 и R2 отнесены к эквивалентному генератору входного сигнала (Ег, Rг). К выходным зажимам повторителя подключено сопротивление нагрузки Rн.

Рис.2

_R

_R

_{может бить}

_i

Истоковый повторитель (рис. 2, а, б) работает аналогично. Однако ток затвора ничтожно мал. Поэтому входное сопротивление повторителя, практически равное R1||R2, может быть единицы мегаом и более. В схеме рис. 2,а смещение рабочей точки создаётся напряжением на резисторе Rн. Поэтому R1 не является принципиально необходимым. Катодный повторитель (рис. 2в) является аналогом истокового повторителя и встречается в старой радиоаппаратуре.

Хотя эмиттерный и истоковый повторители являются каскадами с глубокой ОС, их анализ проще проводить не с позиций теории ОС.

Контрольные вопросы

1. Изобразите принципиальные схемы эп и ип.

2. Каковы преимущества эп по сравнению с каскадом с оэ?

3. Изобразите зависимость от времени мгновенного значения тока эмиттера в повторителе при синусоидальном входном напряжении.

т.е. закоро - i (рис.3,

2 Анализ истокового повторителя

2.1 Выходное сопротивление и коэффициент передачи

Найдем выходное сопротивление (для переменного тока) транзистора в потоковом повторителе (ИП). т.е. сопротивление между зажимами исток-земля. Поскольку всякое сопротивление является свойством пассивной цепи, то сначала надо положить Uвx=0, т.е. закоротить по переменному току входные зажимы повторителя 1-1' (рис. 3а). Считаем, что исходная рабочая точка транзистора задана, хотя цепи смещения здесь не показаны.

Рис.3

Приложим извне к зажимам 2-2' некоторое приращение постоянного напряжения . Это вызовет приращение тока истока

Здесь первое слагаемое обусловлено тем, что приращение оказывается приложенным к промежутку затвор-исток и еще больше открывает транзистор. - крутизна транзистора, - внутреннее сопротивление транзистора (исток - сток). Тогда выходное сопротивление транзистора в ИП

Это сопротивление невелико. Оно составляет сотни Ом.

Транзистор с поданным на него входным напряжением повторителя является источником колебаний в выходной цепи. Представим этот источник эквивалентной схемой активного двухполюсника в виде генератора тока (рис. 3,б), параллельно которому подключено полученное в (2) выходное сопротивление.

Ток генератора найдем, из опыта короткого замыкания выходных зажимов 2-2' при подаче на зажимы 1-1' напряжения . Он равен . К выходным заводам активного двухполюсника, заменяющего транзистор, подключаем Rи, разделительный конденсатор С2 и сопротивление нагрузки R_н, т.е. все то, что подключено к выходу транзистора на принципиальной схеме.

Из рис. 3б коэффициент передачи ИП на средних частотах

здесь , , - полное сопротивление нагрузки транзистора. Выходное сопротивление ИП по отношению к его нагрузке равно

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте формулу (1)

2. В чем отличие выходного сопротивления повторителя от выходного сопротивления транзистора в повторителе?

2.2. Амплитудно-частотные характеристики ип

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ИП в области нижних частот и переходная характеристика (ПХ) в области больших времен имеют такой же вид, как и для каскадов с ОЭ, ОБ, ОИ. Разделительный конденсатор С2 (С1 условно относится к предыдущему каскаду) создает спад этих характеристик. Постоянная времени цепи для нижних частот, характеризующая эти спады количественно, - см. рис.3,б.

В области верхних частот для простоты не будем учитывать комплексность крутизны полевого транзистора. Она проявляется лишь на частотах сотни мегагерц и выше. Будем считать ее равной значению на средних частотах .

Рис.4

Ограничимся рассмотрением случая резистивно-емкостной нагрузки, как наиболее типичной. Тогда эквивалентная схема выходной цепи повторителя примет вид, показанный на рис 4,а, где включает емкость нагрузки, емкость монтажа и выходную емкость транзистора (между стоком и истоком). Из рис.4a коэффициент передачи ИП на верхних частотах (в комплексной форме)

где - постоянная времени (для верхних частот) цепи нагрузки эквивалентного генератора тока.

Нормированная АЧХ приведена на рис. 4б, где по вертикали, отложен относительный коэффициент передачи ИП.

Спад АЧХ происходит из-за уменьшения сопротивления емкости с повышением частоты, что уменьшает амплитуду выходного напряжения при неизменном входном. Верхняя граничная частота высока из-за низкого выходного сопротивления, благодаря чему шунтирующее действие емкости только на весьма высоких частотах.

Анализ ПХ в области малых времен можно выполнить по эквивалентной схеме для области верхних частот (рис. 4в)f задавая в виде перепада. Тогда выходное напряжение будет нарастать по экспоненте

описывающей процесс заряда емкости через сопротивление.

Зависимость (5) на рис. 4в изображена в относительном масштабе: . Благодаря малой постоянной времени (вследствие малого ) время нарастания фронта ПХ получается малым.

При передачи больших перепадов могут наблюдаться два нежелательных явления. Из-за наличия емкости нагрузки выходное напряжение скачком измениться не может, А значит, весь входной перепад в первый момент окажется приложенным к промежутку затвор-исток.

Если этот перепад большой, то в случае его запирающей полярности он запрет транзистор, что приведет к растягиванию фронта выходного напряжения. Подробнее это явление мы рассмотрим позже на примере ЭП (см. раздел 3.4). Если большой перепад имеет отпирающую полярность, то он приведет к отпиранию управляющего n-р перехода транзистора, а значит, к появлению входного тока и резкому падению входного сопротивления повторителя. В повторителях на МОП-транзисторах затвор изолирован, и падения входного сопротивления не происходит.

Контрольные вопросы