Повторювач емітерний перехід на транзисторі: принцип роботи

Історія транзисторів починається з середини 20 століття, коли в 1956 році три американських фізика – Д. Бардін, У. Братейн, Ст. Шоклі, були удостоєні Нобелівської премії «За дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту». Радіотехніку, починаючому роботу на своєму терені, деколи буває складно розібратися в електронних схемах і призначення тих чи інших її складових. Для цього існують певні напрацювання – вже придумані схеми підключення транзисторів та інших елементів з певними властивостями, з яких можна складати різні пристрої. Одним з таких «цеглинок» в будівлі електронних схем є емітерний повторювач на транзисторі.

Схеми підключення транзисторів

Існує три різновиди включення біполярних транзисторів – із загальною базою (ПРО), із загальним емітером (ОЕ) і загальним колектором (ОК). Найбільш поширене підключення (ОЕ), так як дає велике підсилення по напрузі і струму. Однією з особливостей такого підключення є інвертування вхідної напруги на 180 0 . Недоліком підключення є маленьке вхідна (сотні Ом) і велика вихідна (десятки кОм) опір.

При подачі вхідного напруги, транзистор відкривається і струм проходить через базу на емітер, при цьому колекторний струм збільшується. Струм емітера підсумовується з струму бази і струму колектора: І Е = І Б + І До
У ланцюзі колектора, на резисторі , з'являється напруга набагато більше вхідного сигналу, що призводить до збільшення вихідної напруги, а відповідно, і сили струму. Вмикання транзистора за схемою (ПРО) дає посилення по напрузі і дозволяє працювати з більш широким частотним діапазоном, ніж схема з (ЗЕ), тому часто використовується на антенних підсилювачах. Ця схема дозволяє повною мірою використовувати здатність транзистора до посилення високих частот сигналу (частотні характеристики). Чим вище частота підсилюваного сигналу, тим менше посилення по напрузі. Даний каскад має маленький вхідний і вихідний опір.

Включення транзистора з (ОК) дає посилення по струму і часто використовується як перехідник між високоомним джерелом живлення і низькоомним навантаженням. Також, дане включення можна використовувати при узгодженні різних каскадних схем, воно не змінює полярність вхідного сигналу.

Загальні поняття про повторителе

Повторювач емітерний - це підсилювач сигналу по струму, в якому включення транзистора відбувається за схемою (ОК). Коефіцієнт підсилення сигналу за напругою практично дорівнює одиниці, напруга емітера одно вхідного сигналу, тому схема носить назву емітерний повторювач. Принцип роботи пристрою розглянемо нижче. Незважаючи на те що повторювач емітерний має коефіцієнт передачі по напрузі одиницю, його можна віднести до класу підсилювачів, так як він дає посилення по струму, а значить, і по потужності: І Е = (? +1) х І Б , де І Е - струм емітера, І Б - струм бази. При малому опорі джерела живлення, колектор транзистора приєднується до загальної шині, а резистор, з якого відбувається зняття вихідної напруги, підключається до емітерної ланцюга. Підключення входу і виходу до зовнішніх ланцюгів здійснюється за допомогою конденсаторів З 1 і З 2 . При малому коефіцієнті збільшення напруги, коефіцієнт збільшення по струму досягає свого піку в режимі короткого замикання затискачів на виході.

Принцип дії

Навантаженням каскадної схеми повторювача є резистор на емітері Р Е . Вхідний сигнал надходить через перший конденсатор З 1 , а зняття вихідного сигналу відбувається через другий конденсатор З 2 . Емітерний повторювач напруги має дуже маленький вхідний і великий вихідний опір. При змінному струмі, коли через транзистор п-р-п типу проходить полуволна позитивного змінної напруги, він сильніше відкривається і відбувається зростання струму, при негативній полуволне – навпаки. В результаті вихідна змінна напруга має однакову фазу з вхідним і є напругою зворотного зв'язку. Вихідна напруга направлено назустріч вхідного і включено послідовно, тому в эмиттерном повторителе використовується послідовна негативний зворотний зв'язок. Вихідна напруга менше вхідного на незначну величину (напруга база – емітер близько 06 В).

Як зробити розрахунок схеми

Початковими даними, щоб зробити розрахунок емітерного повторювача, є ток колектора (І До ) і напругу живлення (У ВХ ): Напруга емітера (У Е ) повинно відповідати: У Е = 05 х У ВХ (щоб забезпечити для вихідної напруги максимальний розмах). Тепер потрібно зробити розрахунок опору резистора на емітері: Р Е = У Е /І До . Робиться розрахунок опору резисторного дільника: Р 1 -Р 2 (підбираємо опору так, щоб струм на дільнику був приблизно в 10 разів менше струму на базі): І Д = 01 х І До /?, де ? – коефіцієнт посилення по струму транзистора. Опір Р 1 + Р 2 = У ВХ /І Д . Розраховуємо напругу бази щодо землі: У Б = У Е + 07.

Відмітні особливості

Повторювач емітерний володіє цікавою особливістю – ток колектора має залежність тільки від навантажувального опору і вхідної напруги, а параметри транзистора істотної ролі не грають. Такі схеми вважають мають 100-відсоткову зворотний зв'язком по напрузі. Можна не боятися спалити транзистор, подаючи на базу харчування без обмежуючого резистора. Робота емітерного повторювача заснована на високому вхідному опорі, що дозволяє підключати до нього джерело сигналу з великим комплексним опором (наприклад, звукознімач в радіо). Підсилювач потужності

Дуже часто повторювач эммитерный використовується в якості підсилювача потужності в вихідних каскадах підсилювачів. Основним завданням таких вузлів є передача певної потужності на навантаження. Найбільш важливий параметр, який ставиться в розрахунках підсилювача по потужності – це коефіцієнт підсилення потужності , спотворення передачі сигналу і ККД (його збільшення необхідно у зв'язку з споживанням більшої частини потужності джерела живлення вихідним підсилювачем) . Посилення по напрузі не є основним параметром і зазвичай наближається до одиниці.
Буває кілька способів роботи підсилювального каскаду, в залежності від знаходження робочої точки на графіку характеристик і, відповідно, з різним ККД і характеристиками вихідного сигналу.

Режими роботи

У розглянутих випадках роботи емітерного повторювача, колекторний перехід буде зміщений назад і режим роботи буде залежати від емітерного переходу: У першому випадку зміщення емітерного переходу відбувається таким чином, що транзистор стабільно не переходить у режим насичення і повторювач працює на прямій ділянці графіка передатної характеристики (напруги У До і У Е однакові). Максимальна напруга вихідного сигналу менше вхідного напруги. Коефіцієнт корисної дії дорівнює відношенню потужності, що надходить в навантаження до потужності від джерела живлення, і досягає максимуму (25 %) при найвищій амплітуді вихідного напруги. Щоб уникнути неузгодженості вихідного і вхідного сигналу, амплітуду вихідної напруги доводиться зменшувати, в результаті ККД, теж зменшується. Низький ККД в даному режимі роботи повторювача обумовлений незалежністю струму, що проходить через транзистор, від напруги живлення і потужність, яка споживається від джерела живлення є постійною величиною. За відсутності вхідного сигналу, потужність що розсіюється транзистором, найбільша. Тому в цьому режимі емітерний повторювач не використовується як підсилювач потужності, а скоріше як передавач малоискаженного сигналу. Ще один робочий режим підсилювального каскаду, при якому зміщення емітерного переходу призводить робочу точку транзистора на межу області замикання. Якщо прийняти напруга емітера (У Е =0) і вхідний сигнал не надходить, емітерний перехід зміщений назад і транзистор знаходиться в закритому стані. Внаслідок чого, знижується споживана потужність. При проходженні з джерела живлення позитивної напівхвилі, транзистор відмикається (відкривається емітерний перехід), а негативна замикає його (відсутній вихідний сигнал). Другий випадок роботи підсилювального каскаду вирішує проблему зі збільшенням ККД підсилювача, тому що відсутній струм на транзисторі, якщо немає напруги живлення. Але є недолік – сильне спотворення вихідного сигналу.

Двотактна схема

Двотактний емітерний повторювач дозволяє зробити посилення по струму в позитивному і негативному діапазонах. Щоб отримати разнополярный вихідний сигнал, можна використовувати комплементарний емітерний повторювач. В принципі, двотактна схема – це два повторювача, кожен з яких підсилює сигнал в плюсовій або мінусовій полуволне. Схема складається з двох типів біполярних транзисторів (з п-р-п і р-п-р – переходами).

Принцип дії комплементарної схеми

Коли вхідна харчування відсутня, обидва транзистора вимкнені, у зв'язку з відсутністю напруги на эмиттерных переходах. При проходженні напівхвилі позитивної полярності, відбувається відкриття п-р-п – транзистора, аналогічно, проходження негативної напівхвилі викликає відкриття р-п-р – транзистора. Потужний емітерний повторювач має розрахунок ККД (ДО = Пі/4 х У ВИХ /У До ), де У вих – амплітуда вихідного сигналу; У До – напруга на колекторному переході. З формули видно, що зростає при збільшенні амплітуди У ВИХ і стає максимальною, при ВИХ = У До (До = Пі/4 = 0785). Звідси видно, що емітерний повторювач на комплементарної схемою володіє значно більш високим ККД, ніж звичайний повторювач. Властивістю цієї схеми є великі (перехідні) нелінійні спотворення. Вони проявляють себе в більшій мірі, чим менше вхідна напруга (В ВХ ).

Розрахунок двотактного підсилювача

Так як нам потрібен повторювач емітерний для підсилення по потужності, то вихідними даними, щоб зробити розрахунок емітерного повторювача, будуть: опір навантаження (Р Н ), потужність навантаження (П Н ). Щоб зменшити неузгодженість вихідного і вхідного сигналу, напруга живлення повинна бути вище 5 від амплітуди вихідної напруги. Формули для розрахунку підсилювального каскаду: Вихідна напруга: У ВИХ = корінь квадратний (2П Н Р Н ). Напруга джерела живлення: У ВХ = У Е + 5. Вихідний струм: І Е = У Е /Р Н .
Потужність, відбираєма джерела живлення: П + + П - = 2/Pi x В Е /Р Н x У До . Найбільша потужність, що розсіюється на кожному з транзисторів: П 1 = П 2 = У До 2 /Пі 2 Р Н .

Зменшення спотворень вихідної напруги

Двотактний емітерний повторювач, принцип роботи якого описаний вище, можна ще поліпшити, зменшивши в його схемі перехідні спотворення сигналу на виході. Щоб зменшити спотворення напруги на виході каскаду можна подавати на бази транзисторів напруги, що зміщують вихідну характеристику. Для зсуву використовуються діоди або транзистори, які подають сигнал на робочих бази транзисторів повторювача.

Схема з використанням діодів

На эмиттерных переходах транзисторів Т 1 і Т 2 з'являється зсув за рахунок діодів Д 1 і Д 2 , підключених між базами транзисторів. При вхідній напрузі, рівному нулю, транзистори активні. Коли полярність напруги позитивна, транзистор Т 2 закривається, а при негативній полярності напруги закривається транзистор Т 1 . При нульовому вхідному сигналі один з транзисторів є активним, таким чином, схема з діодами дає характеристику вихідного сигналу, дуже близьку до лінійної. Замість діодів, можна використовувати транзистори з шунтированными колекторними переходами.

Підсилювач потужності з додатковими емітерний повторювачами

Ще одна схема, яка дає зменшити спотворення вихідного сигналу, на вході якої включені два транзистора. У цій схемі на вході розміщені два повторювача на транзисторі, які створюють зміщення напруги для эмиттерных переходів двох вихідних транзисторів. Істотним плюсом такого включення буде збільшений опір на вході каскаду. Емітерний струм вхідних і базові струми вихідних транзисторів, задають два перших резистора . Другі два резистора входять в ланцюг зворотного зв'язку для вихідних транзисторів. Цей варіант підключення є буферним підсилювачем з одиничним посилення по напрузі.

Складові транзистори

Зараз транзистори випускаються у вигляді окремого каскаду з двох транзисторів в одному корпусі (схема Дарлінгтона). Вони використовуються в мікросхемах в підсилювачах на дискретних складових. При заміні звичайного транзистора складовою відбувається збільшення вхідного і зменшення вихідного опорів схеми.