Смещение в эмиттерном повторителе

Если на эмиттерный повторитель должен поступать сигнал с предшествующего каскада схемы, то лучше всего подключить его непосредственно к выходу предыдущего каскада, как показано на рис. 2.14.

 

 

Рис. 2.14.

 

Так как сигнал на коллекторе транзистора Т₁ изменяется в пределах диапазона, ограниченного значениями напряжения источников питания, то потенциал базы Т₂ всегда заключен между напряжением U_KK и потенциалом земли, а следовательно, Т₂ находится в активной области (не насыщен и не в отсечке). При этом переход база‑эмиттер открыт, а потенциал коллектора, по крайней мере на несколько десятых долей вольта больше, чем потенциал эмиттера. В некоторых случаях вход эмиттерного повторителя и напряжение питания неудачно соотносятся друг с другом, и тогда может возникнуть необходимость в емкостной связи (или связи по переменному току) с внешним источником сигнала (например, это относится к сигнальному входу высококачественного усилителя низкой звуковой частоты). В этом случае среднее напряжение сигнала равно нулю, и непосредственная связь с эмиттерным повторителем приведет к тому, что сигнал на выходе будет изменяться относительно входа, как показано на рис. 2.15.

 

 

Рис. 2.15. Транзисторный усилитель с положительным источником питания не может генерировать на выходе импульсы отрицательной полярности.

 

В эмиттерном повторителе (а фактически в любом транзисторном усилителе) необходимо создать смещение для того, чтобы коллекторный ток протекал в течение полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения (рис. 2.16).

 

 

Рис. 2.16.  Эмиттерный повторитель со связью по переменному току. Обратите внимание на делитель напряжения в цепи смещения базы.

 

Резисторы R₁ и R₂ выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен половине разности между напряжением источника U_KK и потенциалом земли, т. е. сопротивления R₁ и R₂ равны. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме в отсутствие поданных на ее вход сигналов называется установкой рабочей точки или точки покоя. Для этой схемы, как и в большинстве случаев, точку покоя устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимальный симметричный сигнал (без ограничений или срезов). Какими должны быть при этом сопротивления резисторов R₁ и R₂? Применяя общий подход (разд. 1.05), допустим, что импеданс источника смещения по постоянному току (импеданс со стороны выхода делителя) мал по сравнению с импедансом нагрузки (импеданс по постоянному току со стороны базы повторителя). Тогда

R₁ || R ₂ << h_21ЭR_Э

Из этого соотношения следует, что ток, протекающий через делитель напряжения, должен быть больше, чем ток, протекающий по цепи базы.

Пример разработки схемы эмиттерного повторителя. В качестве примера разработаем схему эмиттерного повторителя для сигналов звуковой частоты (от 20 Гц до 20 кГц). Напряжение U_KK составляет +15 В, ток покоя равен 1 мА.

Шаг 1.   Выбор напряжения U_Э. Для получения симметричного сигнала без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие U_Э = 0,5 U_KK, или +7,5 В.

Шаг 2.   Выбор резистора R_Э. Ток покоя должен составлять 1 мА, поэтому R_Э = 7,5 кОм.

Шаг 3.   Выбор резисторов R₁ и R₂. Напряжение U_Б – это сумма U_Э + 0,6 В, или 8,1 В. Из этого следует, что сопротивления резисторов R₁ и R₂ относятся друг к другу как 1:1,17. Учитывая известный уже нам критерий выбора нагрузки, мы должны подобрать резисторы R₁ и R₂ так, чтобы сопротивление их параллельного соединения составляло приблизительно 75 кОм или меньше (0,1 от произведения 7,5 кОм на h_21э)· Выберем следующие стандартные значения сопротивлений: R₁ = 130 кОм, R₂ = 150 кОм.

Шаг 4  . Выбор конденсатора C₁. Конденсатор C₁ и сопротивление нагрузки источника образуют фильтр высоких частот. Сопротивление нагрузки источника есть параллельное соединение входного сопротивления транзистора со стороны базы и сопротивления делителя напряжения базы. Предположим, что нагрузка схемы велика по сравнению с эмиттерным резистором, тогда входное сопротивление транзистора со стороны базы равно h_21эR_э, т. е. составляет ~= 750 кОм. Эквивалентное сопротивление делителя равно 70 кОм. Тогда нагрузка для конденсатора составляет 63 кОм и емкость конденсатора должна быть равна по крайней мере 0,15 мкФ. В этом случае точке –3 дБ будет соответствовать частота, меньшая чем 20 Гц.

Шаг 5.   Выбор конденсатора С₂. Конденсатор С₂ и неизвестный импеданс нагрузки образуют фильтр высоких частот. Мы не ошибемся, если предположим, что импеданс нагрузки не будет меньше R₃. Тогда для того, чтобы точке – 3 дБ соответствовало значение частоты, меньшее чем 20 Гц, емкость конденсатора С₂ должна быть равна по крайней мере 1,0 мкФ. Так как мы получили двухкаскадный фильтр высоких частот, то для предотвращения снижения амплитуды сигнала на самой низкой из интересующих нас частот емкости следует взять немного побольше. Вполне подойдут следующие значения: C₁ = 0,5 и С₂ = 3,3 мкФ.

Эмиттерные повторители с расщепленными источниками. В связи с тем что сигналы часто находятся «возле земли», удобно использовать симметричное питание повторителей – с положительным и отрицательным напряжением. В такой схеме легче обеспечить смещение, и для нее не нужны развязывающие конденсаторы (рис. 2.17).

 

 

Рис. 2.17. Эмиттерный повторитель со связью по постоянному току с расщепленным источником питания.

 

Замечание: в схеме обязательно должна быть предусмотрена цепь постоянного тока для тока базы, даже если этот ток течет просто «на землю». В схеме на рис. 2.17 эту роль играет источник сигнала, соединенный с землей по постоянному току. Если же это не так (например, имеется емкостная связь с источником), то следует предусмотреть связь базы с землей через резистор (рис. 2.18). Как и прежде, сопротивление R_Б должно составлять приблизительно 0,1 от произведения h_21эR_Э.

 

 

Рис. 2.18.

 

_{Упражнение 2.5. Разработайте эмиттерный повторитель с источником напряжения ± 15 В для диапазона звуковых частот (20 Гц‑20 кГц). Ток покоя равен 5 мА, на входе имеется емкостная связь.}

 

Пример плохого смещения. К сожалению, иногда встречаются такие неудачные схемы, как на рис. 2.19.

 

 

Рис. 2.19. Не следуйте этому примеру!

 

При выборе резистора R_Б для этой схемы предположили, что коэффициент h_21э имеет определенное значение (100), оценили величину тока базы и предположили, что падение напряжения на R_Б составит 7 В. Расчет схемы выполнен плохо; коэффициент h_21э не следует брать за основу расчета, так как его значение может существенно изменяться. Если напряжение смещения задать с помощью делителя напряжения, как в рассмотренном выше примере, то точка покоя будет нечувствительна к изменениям коэффициента β. Например, в предыдущей схеме напряжение на эмиттере увеличится всего на 0,35 В (5 %), если вместо номинальной величины h_21э = 100 будем иметь величину h_21э = 200. На примере эмиттерного повторителя мы показали вам, как можно попасть в ловушку и разработать никуда не годную схему. Такие ошибки возможны и в схемах с другим включением транзисторов (например, дальше в этой главе будет представлена схема с общим эмиттером).