Содержание статьи:
Эмиттерным повторителем называется схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот нет. Давайте разберемся, что значит словосочетание «эмиттерный повторитель», какой принцип его работы и как провести его расчет?
Эмиттерный повторитель — схема
Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:
На первый взгляд, вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:
- Напряжение U вых. меньше U вх. на каких-то 0,6–0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере).
- U вых. в точности повторяет по форме и фазе U вх.
- Сопротивление со стороны входа большое.
- Сопротивление со стороны выхода маленькое.
Принцип работы эмиттерного повторителя — входное и выходное сопротивление
Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:
R э. — это сопротивление резистора в цепи эмиттера, а B (бета) — коэффициент усиления по току.
Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно R э. мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.
Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в B (бета) раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а B в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.
Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6–0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?
Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет. Вот тебе и транзистор — усилитель сигналов. Но рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем цепануть низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть.
А теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы в несколько раз!
Для чего нужна эта схема? Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль некоего «миротворца» между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике.
Эмиттерный повторитель — расчет
Наше техническое задание звучит так: рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +U пит. = 12 Вольт.
Поскольку звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно, в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буквами:
Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло, оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В —> коллектор —> эмиттер —> R э. —> земля должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:
- I э. = U э. / R э.
- R э. = U э. / I э.
- R э. = 6В/0,001 А = 6 000 Ом = 6 КилоОм.
Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма
Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА? Так как в нашем примере ток эмиттера I э. почти равен току коллектора I к. (если конечно не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:
Мы взяли транзистор КТ817Б, замеряли его коэффициент усиления по току (то есть B) и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:
Итого, B (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения — 0,55 Вольт. Следовательно, I б. = I к. / B = 1/300 = 3,3 мкА.
Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: R б. и R э. Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:
Считаем напряжение на базе. Оно равняется:
Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:
Из закона Ома получаем следующие расчеты:
Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется U пит., следовательно, на R б. будет напряжение 12–6,55 = 5,45 Вольта.
Конденсаторы в схеме служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока. Для выбора конденсаторов правило простое: постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз.
Не будем сейчас говорить о дифференциальных и интегральных цепях, а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC-цепи. Назовем ее t. Вычисляется она по формуле:
Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:
Для звукового сигнала самая низкая частота — это 20 Гц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:
T=1/f
R вх. х C1 = 100 х 1/f
R вх. х С1 = 100 х 0,05
1,8 х 106 х С1 = 5
С1= 5 / 1,8 х 106 = 2,7 мкФ. То есть берем кондер от 2,7 мкФ. 10 мкФ будет самое оно.
С2 — это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.
Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:
Собираем схему в реале и проверяем в деле:
Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной — желтым. Подаем сигнал с генератора частоты амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:
Как видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга. Короче говоря, что на входе, то и на выходе. Но фишка немного в другом. Давайте нагрузим входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.
Какое напряжение U вх. у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивления генератора. Так как мы подаем сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, красный сигнал очень сильно просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.
Но что будет, если мы нагрузим этот сигнал тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:
Смотрим осциллограмму:
Входной сигнал не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель.
А где же та самая обещанная просадка напряжения в 0,6–0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах R б. и R бэ., то мы увидели бы просадку.
Недостатки эмиттерного повторителя
Есть конечно большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Если поставить резистор в 100 Ом, получается вот такой ералаш:
Но почему так происходит? Не будем приводить и выводить дотошные формулы, просто отметим, что из-за слишком низкоомной нагрузки на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а, следовательно, транзистор тупо «затыкается», поскольку в этом случае P-N переход оказывается включен в обратном направлении.
Как же с этим бороться? Можно уменьшить R э., но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.
Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление (порядка 10 Мом) и обладает большим коэффициентом усиления B. Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:
B1 и B2 — коэффициенты усиления первого и второго транзистора соответственно.
Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:
Выводы об эмиттерном повторителе
В ретроусилителях мощности уже не парятся и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, то уже есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя без всяких заморочек.
Видео о биполярных транзисторах — эмиттерных повторителях
