Повторитель эмиттерный на транзисторе: принцип работы

История транзисторов начинается с середины 20 века, когда в 1956 году три американских физика – Д. Бардин, У. Браттейн, В. Шокли, были удостоены Нобелевской премии «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Радиотехнику, начинающему работу на своем поприще, порой бывает сложно разобраться в электронных схемах и предназначении тех или иных ее составляющих. Для этого существуют определенные наработки – уже придуманные схемы подключения транзисторов и других элементов с определенными свойствами, из которых можно составлять различные устройства. Одним из таких «кирпичиков» в здании электронных схем является эмиттерный повторитель на транзисторе.

Схемы подключения транзисторов

Существует три разновидности включения биполярных транзисторов – с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Наиболее распространено подключение (ОЭ), так как дает большое усиление по напряжению и току. Одной из особенностей такого подключения является инвертирование входного напряжения на 180⁰. Недостатком подключения является маленькое входное (сотни Ом) и большое выходное (десятки кОм) сопротивление.

При подаче входного напряжения, транзистор открывается и ток проходит через базу на эмиттер, при этом коллекторный ток увеличивается. Ток эмиттера суммируется из тока базы и тока коллектора: И_Е = И_Б + И_К

В цепи коллектора, на резисторе_, появляется напряжение намного большее входного сигнала, что приводит к увеличению выходного напряжения, а соответственно, и силы тока.

Включение транзистора по схеме (ОБ) дает усиление по напряжению и позволяет работать с более широким частотным диапазоном, чем схема с (ОЭ), поэтому часто используется на антенных усилителях. Эта схема позволяет в полной степени использовать способность транзистора к усилению высоких частот сигнала (частотные характеристики). Чем выше частота усиливаемого сигнала, тем меньше усиление по напряжению. Данный каскад имеет маленькое входное и выходное сопротивление.

Включение транзистора с (ОК) дает усиление по току и часто используется как переходник между высокоомным источником питания и низкоомной нагрузкой. Также, данное включение можно использовать при согласовании различных каскадных схем, оно не изменяет полярность входного сигнала.

Общие понятия о повторителе

Повторитель эмиттерный - это усилитель сигнала по току, в котором включение транзистора происходит по схеме (ОК). Коэффициент усиления сигнала по напряжению практически равен единице, напряжение эмиттера равно входному сигналу, поэтому схема носит название эмиттерный повторитель. Принцип работы устройства рассмотрим ниже.

Несмотря на то что повторитель эмиттерный имеет коэффициент передачи по напряжению единицу, его можно отнести к классу усилителей, так как он дает усиление по току, а значит, и по мощности: И_Е = (β +1) х И_Б , где И_Е - ток эмиттера, И_Б - ток базы.

При малом сопротивлении источника питания, коллектор транзистора присоединяется к общей шине, а резистор, с которого происходит снятие выходного напряжения, подключается к эмиттерной цепи. Подключение входа и выхода к внешним цепям осуществляется с помощью конденсаторов С₁ и С₂. При маленьком коэффициенте увеличения по напряжению, коэффициент увеличения по току достигает своего пика в режиме короткого замыкания зажимов на выходе.

Принцип действия

Нагрузкой каскадной схемы повторителя является резистор на эмиттере Р_Е. Входной сигнал поступает через первый конденсатор С₁, а снятие выходного сигнала происходит через второй конденсатор С₂.

Эмиттерный повторитель напряжения имеет очень маленькое входное и большое выходное сопротивление. При переменном токе, когда через транзистор п-р-п типа проходит полуволна положительного переменного напряжения, он сильнее открывается и происходит возрастание тока, при отрицательной полуволне – наоборот. В итоге выходное переменное напряжение имеет одинаковую фазу со входным и является напряжением обратной связи. Выходное напряжение направлено навстречу входному и включено последовательно, поэтому в эмиттерном повторителе используется последовательная отрицательная обратная связь. Выходное напряжение меньше входного на незначительную величину (напряжение база – эмиттер около 0,6 В).

Как сделать расчет схемы

Первоначальными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, являются ток коллектора (И_К) и напряжение питания (У_ВХ):

• Напряжение эмиттера (У_Е) должно соответствовать: У_Е = 0,5 х У_ВХ (чтобы обеспечить для выходного напряжения максимальный размах).
• Теперь нужно сделать расчет сопротивления резистора на эмиттере: Р_Е = У_Е/И_К.
• Делается расчет сопротивления резисторного делителя: Р₁-Р₂ (подбираем сопротивления так, чтобы ток на делителе был примерно в 10 раз меньше тока на базе): И_Д = 0,1 х И_К/β, где β – коэффициент усиления по току транзистора. Сопротивление Р₁+ Р₂= У_ВХ/И_Д.
• Рассчитываем напряжение базы относительно земли: У_Б = У_Е + 0,7.

Отличительные особенности

Повторитель эмиттерный обладает интересной особенностью – ток коллектора имеет зависимость только от нагрузочного сопротивления и входного напряжения, а параметры транзистора существенной роли не играют. Такие схемы считают имеющими 100-процентную обратную связью по напряжению. Можно не бояться спалить транзистор, подавая на базу питание без ограничивающего резистора.

Работа эмиттерного повторителя основана на высоком входном сопротивлении, что позволяет подключать к нему источник сигнала с большим комплексным сопротивлением (например, звукосниматель в радио). Усилитель мощности

Очень часто повторитель эммитерный используется в качестве усилителя мощности в выходных каскадах усилителей. Основной задачей таких узлов является передача определенной мощности на нагрузку. Наиболее важный параметр, который ставится в расчетах усилителя по мощности – это коэффициент усиления мощности, искажение передачи сигнала и КПД (его увеличение необходимо в связи с потреблением большей части мощности источника питания выходным усилителем). Усиление по напряжению не является основным параметром и обычно приближается к единице.

Бывает несколько способов работы такого усилительного каскада, в зависимости от нахождения рабочей точки на графике характеристик и, соответственно, с различным КПД и характеристиками выходного сигнала.

Режимы работы

В рассматриваемых случаях работы эмиттерного повторителя, коллекторный переход будет обратно смещен и режим работы будет зависеть от эмиттерного перехода:

1. В первом случае смещение эмиттерного перехода происходит таким образом, что транзистор стабильно не переходит в режим насыщения и повторитель работает на прямом участке графика передаточной характеристики (напряжения У_К и У_Е одинаковы). Максимальное напряжение выходного сигнала меньше входного напряжения. Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, поступающей в нагрузку к мощности от источника питания, и достигает максимума (25 %) при наивысшей амплитуде выходного напряжения. Во избежание рассогласования выходного и входного сигнала, амплитуду выходного напряжения приходится уменьшать, в итоге КПД, тоже уменьшается. Низкий КПД в данном режиме работы повторителя обусловлен независимостью тока, проходящего через транзистор, от напряжения питания и мощность, которая потребляется от источника питания является постоянной величиной. В отсутствие входного сигнала, мощность рассеиваемая транзистором, наибольшая. Поэтому в этом режиме эмиттерный повторитель не используется как усилитель мощности, а скорее как передатчик малоискаженного сигнала.
2. Еще один рабочий режим усилительного каскада, при котором смещение эмиттерного перехода приводит рабочую точку транзистора на границу области запирания. Если принять напряжение эмиттера (У_Е=0) и входной сигнал не поступает, эмиттерный переход обратно смещен и транзистор находится в закрытом состоянии. Вследствие чего, снижается потребляемая мощность. При прохождении с источника питания положительной полуволны, транзистор отпирается (открывается эмиттерный переход), а отрицательная запирает его (отсутствует выходной сигнал). Второй случай работы усилительного каскада решает проблему с увеличением КПД усилителя, потому что отсутствует ток на транзисторе, если нет напряжения питания. Но есть недостаток – сильное искажение выходного сигнала.

Двухтактная схема

Двухтактный эмиттерный повторитель позволяет сделать усиление по току в положительном и отрицательном диапазонах. Чтобы получить разнополярный выходной сигнал, можно использовать комплементарный эмиттерный повторитель. В принципе, двухтактная схема – это два повторителя, каждый из которых усиливает сигнал в плюсовой или минусовой полуволне. Схема состоит из двух типов биполярных транзисторов (с п-р-п и р-п-р – переходами).

Принцип действия комплементарной схемы

Когда входное питание отсутствует, оба транзистора выключены, в связи с отсутствием напряжения на эмиттерных переходах. При прохождении полуволны положительной полярности, происходит открытие п-р-п – транзистора, аналогично, прохождение отрицательной полуволны вызывает открытие р-п-р – транзистора.

Мощный эмиттерный повторитель имеет расчет КПД (К = Пи/4 х У_ВЫХ/У_К), где У_вых – амплитуда выходного сигнала; У_К – напряжение на коллекторном переходе.

Из формулы видно, что К возрастает при увеличении амплитуды У_ВЫХ и становится максимальным, при У_ВЫХ = У_К (К = Пи/4 = 0,785).

Отсюда видно, что эмиттерный повторитель на комплементарной схеме обладает значительно более высоким КПД, чем обычный повторитель.

Свойством этой схемы являются большие (переходные) нелинейные искажения. Они проявляют себя в большей степени, чем меньше входное напряжение (У_ВХ).

Расчет двухтактного усилителя

Так как нам нужен повторитель эмиттерный для усиления по мощности, то исходными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, будут: сопротивление нагрузки (Р_Н), мощность нагрузки (П_Н). Чтобы уменьшить рассогласованность выходного и входного сигнала, напряжение питания должно быть выше на 5 В от амплитуды выходного напряжения.

Формулы для расчета усилительного каскада:

• Выходное напряжение: У_ВЫХ = корень квадратный (2П_НР_Н).
• Напряжение источника питания: У_ВХ = У_Е + 5.
• Выходной ток: И_Е = У_Е/Р_Н.
  
• Мощность, забираемая у источника питания: П₊+ П_-= 2/Пи × У_Е/Р_Н × У_К.
• Наибольшая рассеиваемая мощность на каждом из транзисторов: П₁= П₂= У_К²/Пи²Р_Н.
  

Уменьшение искажений выходного напряжения

Двухтактный эмиттерный повторитель, принцип работы которого описан выше, можно еще улучшить, уменьшив в его схеме переходные искажения сигнала на выходе.

Чтобы уменьшить искажения напряжения на выходе каскада можно подавать на базы транзисторов напряжения, смещающие выходную характеристику.

Для смещения используются диоды либо транзисторы, подающие сигнал на базы рабочих транзисторов повторителя.

Схема с использованием диодов

На эмиттерных переходах транзисторов Т₁ и Т₂ появляется смещение за счет диодов Д₁ и Д₂, подключенных между базами транзисторов. При входном напряжении, равном нулю, транзисторы активны. Когда полярность напряжения положительна, транзистор Т₂ запирается, а при отрицательной полярности напряжения запирается транзистор Т₁. При нулевом входном сигнале один из транзисторов является активным, таким образом, схема с диодами дает характеристику выходного сигнала, очень близкую к линейной. Вместо диодов, можно использовать транзисторы с шунтированными коллекторными переходами.

Усилитель мощности с дополнительными эмиттерными повторителями

Еще одна схема, которая дает уменьшить искажение выходного сигнала, на входе которой включены два транзистора.

В этой схеме на входе размещены два повторителя на транзисторе, которые создают смещение напряжения для эмиттерных переходов двух выходных транзисторов. Существенным плюсом такого включения будет увеличенное сопротивление на входе каскада. Эмиттерные токи входных и базовые токи выходных транзисторов, задают два первых резистора_. Вторые два резистора входят в цепь обратной связи для выходных транзисторов.

Этот вариант подключения является буферным усилителем с единичным усилением по напряжению.

Составные транзисторы

Сейчас выпускаются транзисторы в виде отдельного каскада из двух транзисторов в одном корпусе (схема Дарлингтона). Они используются в микросхемах в усилителях на дискретных составляющих. При замене обычного транзистора на составной происходит увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений схемы.