10.2. Повторители напряжения

Повторителями напряжения называют усилители с коэффициен­том усиления напряжения, близким к единице, не изменяющие поляр­ность (фазу) входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями (по сравнению с простей­шим усилительным каскадом). В качестве простейших повторителей напряжения используются схемы с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и схемы с общим стоком (истоковый повторитель).

10.2.1. Эмиттерный повторитель

Принципиальная схема эмиттерного повторителя показана на рис. 10.9,д, его малосигнальная эквивалентная схема – на рис. 10.9,6.

В схеме коллектор через малое внутреннее сопротивление источни­ка питания соединен с общей шиной каскада, т.е. вывод от коллек­торного электрода является общей точкой входной и выходной це­пей и схему можно считать схемой включения с общим коллектором. Отметим, что в рассматриваемом каскаде шина будет общей лишь по переменному сигналу, для которого сопротивление источника пи­тания очень мало и, как правило, определяется его большой выход­ной емкостью.

Анализируя эквивалентную схему каскада, можно получить фор­мулу для коэффициента передачи малого сигнала в нагрузку, кото­рой в этой схеме является резистор в эмиттерной цепи:

где. Поэтому

(10.16)

Если, например, R_r= 0, R_Э =5 кОм, r_Э = 250м, r_Б = 150 Ом, = 100, тоК_U ≈ 0,995. При R_r = 2 кОм К_U уменьшается до 0,991. Если парал­лельно R_Э присоединена внешняя нагрузка R_Н, то в формулу (10.16) вместо R_Э следует подставить R_Э || R_Н.

Из (10.16) следует, что К_U > 0, т.е. повторитель не меняет поляр­ность сигнала или в случае синусоидального сигнала не меняет его фазы (конечно, при достаточно низких частотах, так как в эквива­лентной схеме не учтены емкости). Несмотря на то что коэффициент усиления К_U близок к единице, повторитель относится к классу усилителей: он усиливает ток, так как , а >>1.

Входное сопротивление повторителя можно найти, как и в слу­чае простейшего усилителя. Оно оказывается равным . Если пренебречь сопротивлениямиr_Э и r_Б, то

(10.17)

Заметим, что при наличии внешней нагрузки, подключенной парал­лельно R_Э, (как иК_U) уменьшается.

Часто возникает задача увеличения . Этого можно добиться увеличением сопротивления резисторапрактически без измене­ния. Однако этот способ ограничен тем, что для сохранения преж­него токав рабочей точке необходимо повышать напряжение ис­точника питания. Практически приходится либо использовать ис­точник стабильного тока в эмиттерной цепи (рис. 10.10,а), либо применять схему с составным транзистором (схему Дарлингтона), показанную на рис. 10.10,б.

Источник стабильного тока будет рассмотрен в § 10.4. Харак­терной особенностью идеального источника тока является беско­нечно большое дифференциальное сопротивление (внутреннее сопротивление). Следовательно, вместо в (10.17) надо подставить , и поэтому. Однако реальноограничивается дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода, выраженного через(рис. 10.9,б). Так как, то ток будет оп­ределяться сопротивлением. Следовательно, максимально возможное входное сопротивление (как и любого усилителя)

(10.17а)

При = 1 мАсоставляет 2...3 МОм. С уменьшением токавоз­растает, но предельное значение определяется поверхностной уте­чкой коллекторного перехода. При конечном сопротивлении источ­никаповторителя будет меньше; его можно оценивать в пределе как параллельное соединение сопротивленийи.

Входное сопротивление повторителя на составном транзисторе по формуле (10.17а) из-за большого коэффициента легко дос­тигает больших значений даже при сравнительно малом сопротив­лении. Например, если = 2 кОм, = 2000, то расчетное значе­ние= 4 МОм, а реальное значение (как и в предыдущем случае) ограничено сопротивлением.

Выходное сопротивление повторителя можно найти по эквива­лентной схеме, пользуясь определением (10.9). При , гдеК_U определяется по формуле (10.16). При = 0

Используя (10.9), получаем

(10.18)

Обычно >>, а слабо шунтирует цепь. Поэтому в реальных схемах повторителей можно пользоваться упрощенной формулой

(10.18a)

Как видно, выходное сопротивление зависит от сопротивления исто­чника входного сигнала . Однако при достаточно больших значе­ниях, например при использовании составных транзисторов, вто­рым слагаемым в (10.18а) можно пренебречь. Тогда выходное сопротивление минимально и определяется только дифференциаль­ным сопротивлением эмиттерного перехода, т.е.

(10.19)

Следует заметить, что отношение у эмиттерного пов­торителя несравненно больше, чем у простейшего усилительного каскада и дифференциального каскада (см. § 10.3). Отношениеиз (10.18а) и (10.19) равно отношению, кото­рое обычно более 50 000. Поэтому повторитель широко использу­ется в качестве буферного каскада, позволяя обеспечить связь низкоомной нагрузки с высокоомным источником сигнала, осуще­ствляя при этом усиление тока, а следовательно, и мощности.