2.9. Повторители

2.9.1. Простые повторители

Как было показано, полная последовательная отрица­тельная обратная связь по напряжению, имеющаяся в биполяр­ном транзисторе с общим коллектором и полевом транзисторе с общим стоком, повышает входное сопротивление усилительного элемента, уменьшает его эквивалентную входную емкость, выходное сопротивление и коэффициент гармо­ник. При этом способе включения усиливается лишь ток сигнала и не усиливается его напряжение.

Так как каскад с общими коллектором или стоком не меняет полярности подаваемого на него сигнала и имеет коэф­фициент усиления напряжения, близкий к единице, выходной сигнал почти не отличается от входного ни по фазе, ни по амплиту­де; поэтому такие каскады называют эмиттерным и истоковым повторителями соответственно. Вследствие высокого входного сопротивления и малой эквивалентной входной емкости повторители используют как входные каскады в усилителях гар­монических и импульсных сигналов с малой входной емкостью и высоким входным сопротивлением. Из-за низкого выходного со­противления повторители применяют в качестве выходных каска­дов при работе усилителя на нагрузку с очень малым сопротивлением или на большую емкость, а также при работе на нагрузку с изменяющимся сопротивлением.

Наиболее употребительные схемы повторителей приведены на рис. 2.9.1.

Так как прохождение постоянной со­ставляющей тока через нагрузку R_н обычно нежелательно, ее включают через разделительный конденсатор С; постоянная со­ставляющая тока питания при этом проходит через резистор R, который также упрощает подгонку выходного сопротивления пов­торителя к заданной величине.

Рис. 2.9.1. Принципиальные схемы повторителей: а — эмиттерного; б — истокового.

В эмиттерном повторителе падающее на R напряжение пита­ния используют для эмиттерной стабилизации рабочей точки. Со­противление R рассчитывают следующим образом. Выбирают на­пряжение между коллектором и эмиттером U_0кэ на 1—2 В боль­ше заданной амплитуды выходного напряжения сигнала. Затем делят Е - U_0кэ на ток эмиттера в точке покоя.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя R_вх представ­ляет собой сопротивление параллельного соединения R_вх.к и шунтирующих его сопротивлений .схемы. При подаче смещения по схеме рис. 2.9.1а входное сопротивление повторителя из-за обратной связи, вносимой резистором R’’_,оказывается больше R_g и определяется выражением

, (2.9.1)

где ; , а S — крутизна тока истока.

Это обстоятельство следует учитывать при расчете частотной характеристики, спада вершины импульса и конденсатора С пре­дыдущего усилительного элемента, работающего на входную цепь повторителя.

При подаче смещения по схеме рис. 2.9.1б входное сопротивле­ние истокового повторителя снижается до R_вх= = , но при замене и старении усилительного элемента, стабильность положения рабочей точки возрастает, так как при этом каскад имеет более глубокую отрицательную обрат­ную связь по постоянному току.

Выходное сопротивление эмиттерного и истокового повторителей R_вых представляет собой сопротивление параллель­ного соединения выходного сопротивления транзистора и шунтирующих его сопротивлений схемы.

Коэффициент усиления напряжения повторителей из-за имею­щейся в них отрицательной обратной связи меньше единицы. Первые два выражения определяют сквозной и обычный коэффи­циенты усиления напряжения эмиттерного повторителя, а тре­тье — коэффициент усиления напряжения истокового повторителя, у которого вследствие очень высокого входного со­противления К* К.

;

; (2.9.2)

В выражениях (2.9.2) R_э~ - сопротивление нагрузки эмиттерной цепи переменному току; R_~ - сопротивле­ние переменному току в цепи истока; S - крутизна выходного тока полевого транзистора по напряжению между входными электродами. Снижая коэффициент усиления напряжения, отрицательная обратная связь настолько расширяет полосу усиливаемых частот и улучшает переходную характеристи­ку повторителя, что он обычно не нуждается в схемах коррекции даже при использовании в широкополосных усилителях. Кро­ме того, вследствие очень малой входной емкости повторителя частотная или переходная характеристика каскада или цепи, ра­ботающих на него, получаются на верхних частотах много лучше, чем при работе на каскад с общим эмиттером или общим истоком.

Эквивалентные схемы повторителей, изображенных на рис. 2.9.1, на нижних частотах совпадают с эквивалентными схемами резисторного каскада. Поэтому расчет частотных искажений на низких частотах и спада вершины импульса, а также расчет ем­кости разделительного конденсатора С в таких повторителях мож­но проводить по формулам (2.4.11), (2.4.13), (2.4.22), (2.4.23), полагая в них для эмиттерного повторителя и R_г=1/S для истокового (S - крутиз­на тока истока).

На верхних частотах эквивалентная схема истокового повторителя также совпадает с эквивалентными схема­ми резисторного каскада. Расчет частотной характеристики на вы­сших частотах и переходных искажений в области малых времен таких повторителей проводят по формулам резисторного каскада (2.4.14) и (2.4.24). Емкость, нагружающая транзисторный повтори­тель и определяющая его свойства в области верхних частот, складывается из выходной емкости транзистора, емкости монта­жа и емкости нагрузки:

С₀=С_вых+С_м+С_н . (2.9.3)

Выражение (2.9.3) справедливо для выходных повтори­телей, работающих на внешнюю нагрузку; для входных повтори­телей в этих формулах С_н заменяют на С_вх.э следующего за пов­торителем каскада. При определении R_экв.в вместо внутреннего со­противления транзистора R_к.б подставляют выход­ное сопротивление усилительного элемента. Из-за очень низкого выходного сопротивле­ния усилительного элемента в повторителях значение R_экв.в получается много ниже, чем у обычного резисторного каскада, вслед­ствие чего частотная характеристика повторителей на верхних частотах оказывается очень хорошей.

Несмотря на то, что выходное сопротивление биполярного транзистора при общем коллекторе имеет активную и индуктив­ную составляющие сопротивления, расчет частотной характеристики эмиттерного повторителя на верхних частотах и его времени установления проводят также по формулам резисторного каскада, так как при постоянстве ЭДС сигнала на переходе база - эмиттер сопротивление генератора сигнала для эмиттерного повторителя , и это делает L_вых = 0.

Выбор положения точки покоя для повторителя зависит от того, входным или выходным каскадом усилителя он является. Для повторителя, используемого на входе усилителя, применяют усилительный элемент с необходимой для усилителя полосой ра­бочих частот возможно меньшей мощности и габаритных разме­ров; ток покоя выходной цепи берут минимальный, лишь обеспе­чивающий нормальные показатели усилительного элемента. В малошумящих усилителях для входного повторителя используют малошумящий транзистор, который ставят в малошумящий ре­жим. Делитель подачи смещения у повторителя рассчитывают, как в обычном каскаде.

Коэффициент усиления тока эмиттерного повторителя:

. (2.9.4)

где R_э~ - сопротивление нагрузки эмиттерной цепи переменному току, R_{вх.тр.сл} - входное сопротивление транзистора следующего каскада. При работе эмиттерного повторителя на внешнюю на­грузку в формуле (2.9.4) R_{вх.тр.сл} заменяют на R_н.

Усилительный элемент для выходного повторителя также бе­рут с необходимой полосой рабочих частот, но ток покоя выход­ной цепи определяют по заданному сопротивлению нагрузки уси­лителя R_н и необходимой амплитуде выходного напряжения сиг­нала U_выхm

; . (2.9.5)

Напряжение покоя между выходными электродами усилитель­ного элемента U₀ здесь берут достаточным для обеспечений малых нелинейных искажений верхнего полупериода выходного сигнала наибольшей расчетной амплитуды, а напряжение источника питания Е должно обеспечить малые нелинейные искажения ниж­него полупериода.

Для снижения напряжения между выходными электродами усилительного элемента и защиты каскада от паразитных свя­зей, а также для сглаживания пульсаций источника питания в провод питания повторителя иногда включают цепочку R_фC_ф; такая цепочка, корректирующая в обычном резисторном каскаде частотную характеристику на низших частотах, в повторителях не корректирует характеристику, а вносит дополнительные частотные искажения на нижних частотах и спад вершины импульса ана­логично цепочке эмиттерной стабилизации. По­этому расчет необходимой емкости конденсатора С_ф в повтори­телях проводят исходя из допустимой величины дополнительных частотных искажений на низшей рабочей частоте или допустимой величины дополнительного спада вершины импульса.