12.5.4. Повторители тока и повторители напряжения

Принципиальная схема каскада с общей базой (повторителя тока) приведена на рис. 12.46.

Рис. 12.46

Соответствующая ей эквивалентная схема представлена на рис. 12.47.

Рис. 12.47

В эквивалентной схеме (рис. 12.47) - зависимый генератор тока в коллекторной цепи транзистора;- коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общей базой;- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, равноеи составляющее обычно единицы мегаом. Посколькуобычно намного превышает значение, то при анализе эквивалентной схемыможно не учитывать.

Так как для рабочего диапазона частот эквивалентные схемы каскадов с общим эмиттером (рис. 12.36) и общей базой (рис. 12.48) по своей структуре одинаковы, то выражения для параметров каскада с общей базой можно найти, заменив символы ,,в выражениях, полученных ранее для каскада с общим эмиттером, на символы,,соответственно.

Рис. 12.48

Входное сопротивление каскада с общей базой, если пренебречь сопротивлением резистора , будет равно

.

С учетом сопротивления резистора входное сопротивление каскада.

Поскольку параллельно выходному сопротивлению транзистора включен резистор коллекторной цепи , то выходное сопротивление каскада с общей базой будет равно . Так как выходное сопротивление биполярного транзистора велико, то выходное сопротивление каскада с общей базой определяется в основном сопротивлением резистора , включенного в коллекторную цепь транзистора:.

Коэффициент усиления по току каскада с общей базой без учета сопротивления резистора

.

Если учесть сопротивление , то в последней формуле вместоследует подставлять эквивалентное сопротивление.

При ,имеем, т.е. в этом случае каскад работает как повторитель тока.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общей базой на основе выражения (12.11) для коэффициента усиления по напряжению каскада с общим эмиттером может быть найден по следующей формуле

. (12.26)

При коэффициент усиления мощности каскада с общей базой. Таким образом, коэффициент усиления мощности в каскаде с общей базой всегда меньше, чем в каскаде с общим эмиттером.

Каскад с общей базой не требует специальных мер по стабилизации рабочей точки покоя, так как база транзистора заземлена и сопротивление в формуле (12.8) определяется только омическим сопротивлением базы. Если к тому же учесть, что, то получим.

Эквивалентная схема каскада с общей базой для области низких частот приведена на рис. 12.49.

Рис. 12.49

По структуре эта схема аналогична эквивалентной схеме каскада с общим эмиттером для низких частот (рис. 12.37). В связи с этим можно повторить формулу (12.15) для коэффициента усиления по напряжению на низких частотах и для каскада с общей базой

, (12.27)

учитывая, что находится также в соответствии с выражением , но каждая из постоянных времени, входящих в него, для каскада с общей базой определяется по формулам

;

;

.

Таким образом, после определения значения на основании формулы (12.27)можно построить АЧХ и ФЧХ каскада с общей базой для нижних частот.

Область высоких частот АЧХ каскада с общей базой определяется свойствами транзисторов. Для этой области эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 12.50.

Рис. 12.50

Пользуясь структурной аналогией данной схемы и эквивалентной схемы каскада с общим эмиттером для области высоких частот (рис. 12.39) и осуществляя соответствующие замены символов в приведенных при рассмотрении схемы рис. 12.39 формулах получим выражение для коэффициента усиления в области высоких частот для схемы с общей базой, аналогичное выражению (12.16). На основании этого выражения можно построить АЧХ и ФЧХ каскада с общей базой в области высоких частот. При этом следует учесть, что для каскада с общей базой , где- постоянная времени коэффициента передачи тока в схеме с общей базой. Посколькуисвязаны зависимостью, то после несложных преобразований можно получить.

Завершая рассмотрение каскада с общей базой можно сказать, что каскад с общей базой не инвертирует фазу усиливаемого сигнала, обеспечивает значительный коэффициент усиления по напряжению, но его усиление по току меньше единицы, в результате чего его коэффициент усиления по мощности меньше, чем у каскада с общим эмиттером. Каскад с общей базой имеет очень маленькое входное сопротивление и значительное выходное сопротивление. Каскад с общей базой имеет значительно более широкую полосу пропускания и высокую стабильность.

Принципиальная схема повторителя напряжения – каскада с общим коллектором, называемого еще эмиттерным повторителем, приведена на рис. 12.51.
	Рис. 12.51

Эквивалентная ей схема приведена на рис. 12.52, где приняты те же обозначения, что и на рассмотренных ранее эквивалентных схемах каскадов.
	Рис. 12.52

Для области средних частот полосы пропускания эквивалентная схема примет вид, изображенный на рис. 12.53

Рис. 12.53

Преобразовав на эквивалентной схеме (рис. 12.53) комбинацию сопротивлений в одно сопротивление, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 12.54. Используя схему рис. 12.54, найдем входное сопротивление
	Рис. 12.54

каскада с общим коллектором: .

Так как , а,

то

. (12.28)

Формула (12.28) совпадает с формулой для каскада с общим эмиттером, если заменитьна. Так как, то входное сопротивление каскада с общим коллектором значительно больше входного сопротивления каскада с общим эмиттером.

При выполнении обычных соотношений ,,,формула (12.28) упрощается, приобретая вид.

Входное сопротивление каскада с общим коллектором может быть ограничено сопротивлением делителя в базовой цепи, с учетом которого.

Если к выходным зажимам каскада подключить переменное напряжение, замкнув источник входного сигнала и разомкнув нагрузку, то выходное сопротивление каскада с общим коллектором будет определяться при параллельным включением сопротивления резистораи эквивалентного сопротивления, соответствующего входному сопротивлению каскада с общей базой, т.е.

. (12.29)

При достаточно больших значениях коэффициента , когда, формулу (12.29) можно упростить, т.е.. Поскольку, окончательно получим. Если при определенииучесть сопротивленияи, то формула (12.29) будет иметь вид, откуда следует, что выходное сопротивление каскада с общим коллектором возрастает с увеличением внутреннего сопротивления генератора входного сигнала.

Напряжение на переходе эмиттер-база транзистора является алгебраической суммой входного и выходногонапряжений, действующих во входной цепи каскада в противофазе, т.е.. Таким образом, в схеме каскада с общим коллектором имеет место 100%-ная отрицательная обратная связь по напряжению, в значительной степени определяющая свойства каскада.

Поскольку напряжение определяется входной характеристикой транзистораи сравнительно мало изменяется во всем диапазоне изменения входного напряжения, приращение выходного напряжения практически равно приращению входного, т.е. сигнал на выходе повторяет форму сигнала на входе схемы.

Коэффициент усиления по напряжению

, (12.30)

где определяется из формулы (12.28). С учетом сопротивленийибудем иметь.

Коэффициент усиления по току

. (12.31)

Таким образом, каскад с общим коллектором по своим усилительным свойства уступает каскаду с общим эмиттером из-за отрицательной обратной связи. Однако, обладая высоким входным и низким выходным сопротивлениями, каскад с общим коллектором широко используется в предварительных усилителях для повышения коэффициента усиления каскада с общим эмиттером, работающего от генератора входного сигнала с большим внутренним сопротивлением на низкоомную нагрузку. Включенный на входе каскада с общим эмиттером каскад с общим коллектором преобразует большое сопротивлениев малое, равное выходному сопротивлению каскада с общим коллектором. При включении каскада с общим коллектором на выходе каскада с общим эмиттером низкоомная нагрузкапреобразуется в высокоомную, равную входному сопротивлению каскада с общим коллектором.

Благодаря отрицательной обратной связи каскад с общим коллектором обладает меньшими нелинейными искажениями и большей стабильностью характеристик, чем каскад с общим эмиттером.

Схемным аналогом эмиттерного повторителя является каскад с общим стоком (истоковый повторитель), принципиальная схема которого на полевом транзисторе приведена на рис. 12.55.
	Рис. 12.55

Эквивалентная ей схема приведена на рис. 12.56, где .

Рис. 12.56

Для области средних частот полосы пропускания эквивалентная схема примет вид, изображенный на рис. 12.57.

Рис. 12.57

Входное сопротивление каскада с общим стоком представляет собой параллельное соединение резистора в цепи затвора и входного сопротивления транзистора. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора очень велико, то входное сопротивление каскада с общим стоком определяется сопротивлением

(12.32)

или с учетом внутреннего сопротивления генератора входного сигнала .

В области верхних частот влиянием межэлектродных емкостей пренебрегать нельзя. В этом случае параллельно сопротивлению будет подключено емкостное сопротивление, т.е. в области верхних частот входное сопротивление носит комплексный характер и имеет величину меньше.

Выходное сопротивление каскада с общим истоком в области средних частот представляет собой параллельное соединение резистора в цепи истока и выходного сопротивления полевого транзистора

, (12.33)

где - коэффициент усиления напряжения транзистором.

Выходное сопротивление каскада с общим истоком в области верхних частот также носит комплексный характер и зависит от частоты, поскольку появляется необходимость учитывать емкостное сопротивление .

Коэффициент усиления каскада по напряжению в области средних частот

. (12.34)

В области верхних частот выражение для коэффициента передачи истокового повторителя будет отличаться от выражения (12.34), так как с учетом межэлектродных емкостей и комплексного характера нагрузки входное и выходное сопротивления будут комплексными, т.е. коэффициент усиления истокового повторителя будет функцией частоты.

Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком обладает большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением. Его коэффициент передачи напряжения близок к единице, фаза выходного напряжения практически равна фазе входного напряжения (при чисто активной нагрузке на средних частотах).

Истоковые повторители так же, как и эмиттерные повторители, чаще всего применяют в качестве вспомогательных усилительных каскадов для согласования высокоомных источников усиливаемого напряжения с низкоомными нагрузочными устройствами.