4. Повторитель напряжения.

Существуют три способа включения биполярного транзистора:

- с общим коллектором (ОК - эмиттерный повторитель (ЭП);
- с общим эмиттером (ОЭ);
- с общей базой (ОБ). Аналогично для полевых транзисторов:
- с общим стоком (ОС);
- с общим истоком (ОИ), истоковый повторитель (ИП);
- с общим затвором (ОЗ).

В общем случае ЭП (ИП) имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное. Этот тип каскада используют для усиления сигнала по току. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице, потому он и называется повторителем. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремится к R_вых каскада с ОЭ, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б - сопротивление базы (1...20 Ом и более);
h_21э - безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ - температурный потенциал,
Rr - выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определённых С_н ЭП могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее "опасным" следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала (рис.60) [8].

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.

При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вx будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.

Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений f_max = I_э/2_пU_mC_н, где U_m - амплитуда сигнала.

Как видно из формулы, расширить полосу пропускания ЭП можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в ЭП носят пилообразный характер (рис.61).

Истоковый повторитель (по сравнению с ЭП) имеет значительно большие значения как выходного сопротивления (несколько сот Ом при токах стока в несколько мА), так и коэффициента гармоник. Замена полевого транзистора составным (рис. 12,14,17,18) уменьшает как выходное сопротивление, так и вносимые искажения (см. 1 часть статьи).

Применение составного транзистора позволяет увеличить входное сопротивление и повысить нагрузочную способность. К примеру, повторитель на составном транзисторе Шиклаи (рис.62) имеет R_вх >= 1 МОм, R_вых <= 1,5 Ом, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10 Гц до 100 кГц.

В повторителе на составном транзисторе по схеме Дарлингтона входное сопротивление 2-го транзистора играет роль эмиттерной нагрузки для первого транзистора. Отсюда, если пренебречь сопротивлением базы, получим: Rвх~=B₁*B₂*R_н.

В связи с огромным входным сопротивлением повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт вопрос о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор либо следящую связь в цепи базы (рис.63). Сопротивление R3 искусственно повышается в 1/(1-К_u) раз и может достигать десятков мегаом и не будет существенно шунтировать вход повторителя. Во столько же раз повышается и сопротивление резистора R4, а также уменьшается ёмкость С_б в схеме (рис.59).

Для того чтобы искусственно увеличить сопротивление r_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо чтобы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_k1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через r_к и С_к станет равным нулю, а это равносильно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная, составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости (рис.64), стабилитрона, схемы сдвига уровня (рис.65), либо с помощью ИП (рис.66). При этом сопротивление r_к увеличивается в сотни раз, полоса пропускания максимально расширяется, а коэффициент передачи К_u приближается к единице.

Аналогичная идея реализована и в широкополосном повторителе (рис.67) [9].

ЭП с повышенным быстродействием (рис.68) [10] реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи (ЛПОС) с помощью транзисторов VT1-VT3.

Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности, показан на рис.69 [11]. Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1 ,VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно Rвх, равному бесконечности.

Замена эмиттерного резистора на нелинейный элемент с большим дифференциальным сопротивлением и малым сопротивлением постоянному току позволяет увеличить входное сопротивление и сделать его практически независимым от h_21э (рис.70).

Высоколинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью показан на рис.71 [12]. Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки:

R_н >= R3/2

Для того чтобы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо чтобы напряжение U_эб было постоянно во всем диапазоне изменения входного напряжения.

Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого достаточно в схеме (рис.71) токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки (рис.72). В этом случае ток коллектора транзистора VT3

I_к - E_п/R_н = const

Простейший двухтактный ЭП показан на рис.73. Резистор R уменьшает искажения типа "ступеньки" в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0,4...0,5 В) нецелесообразно.

Введение смещения с помощью диодов (рис.74) или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

Эмиттерный повторитель по [13] показан на рис.75. Увеличение входного сопротивления выполнено с помощью следящей обратной связи, рассмотренной выше.

Выходные каскады первых бестрансформаторных усилителей мощности выполнялись по схеме (рис.76) на так называемой квазикомплементарной паре, т.е. верхнее плечо - на составном транзисторе Дарлингтона, а нижнее - на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогичного VT4, VT5, симметрирует входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2...3 раза.

Наиболее распространённые двухтактные каскады показаны на рис.77 и 78 на комплементарных транзисторах Шиклаи и Дарлингтона соответственно. Повторитель, показанный на рис.79 [14, 15], сочетает в себе оба типа составных транзисторов. Недостаток схемы (рис.77) в том, что в ней возникают большие сквозные токи при перегрузках, особенно на высоких частотах.

Схемотехнические решения, показанные на рис.80 и 81, позволяют достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

В повторителе (рис.82) оригинально решена проблема смещения выходных транзисторов при достаточно высокой термостабильности. Основной недостаток такого повторителя - плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник. Возможный путь усовершенствования заключается во введении вольтдобавки в эмиттеры входных транзисторов. Другой способ состоит в том, что между базами выходных транзисторов включают обратновключённый диод. В результате при перегрузке, например, положительной полуволной закрывается транзистор VT1, а транзистор VT2 через открывшийся диод подключается к базе транзистора VT3 и тем самым составляет обычную схему Дарлингтона. При этом, естественно, возникают дополнительные коммутационные искажения.

Существенно повысить нагрузочную способность такого повторителя при сохранении высокой термостабильности и КПД можно, если параллельно резисторам R1, R2 включить активные источники тока (АИТ), как показано на рис. 83. Резисторы R3, R4 выбирают из расчёта, чтобы максимальный ток АИТ был больше тока баз выходных транзисторов при максимальной амплитуде сигнала.

Нагрузочная способность повторителя на базе рис.67 также повышена за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов (рис.84) [16].

Возможный вариант повышения быстродействия за счёт следящей обратной связи, описанной выше, показан на рис.85. В отличие от предыдущей схемы, входные транзисторы работают при большем примерно на 0,6 В напряжении питания за счёт дополнительных транзисторов.

Увеличить выходную мощность повторителя в 4 раза при том же напряжении питания позволяет мостовая схема (рис.86). Управление таким повторителем осуществляют парафазным сигналом.

Парафазного управляющего сигнала требует и схема (рис.87), питание которой осуществляют от двух незаземлённых источников тока постоянного напряжения. Достоинство схемы в том, что она не требует комплементарных транзисторов. А, как известно, абсолютно комплементарных транзисторов практически не существует.

Несколько слов о применении полевых транзисторов в мощном повторителе. Вследствие меньшей чем у биполярных транзисторов крутизны и её нелинейной зависимости от уровня входного сигнала, нелинейные искажения больше. Поэтому такие каскады должны работать в усилителях с более глубокой ООС.

Очень важным преимуществом мощных полевых транзисторов, особенно СИТ (статических индукционных полевых транзисторов), является высокое быстродействие благодаря отсутствию основных носителей в цепи затвора. Мощность на раскачку, как правило, не превышает нескольких мВт. Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект термостабилизации [17].

Литература:

5. А.с. 1327271 публ. 133-22-87 с.8.
6. Патент ЕПВ 0109080 публ. 3-126-85 с.20.
7. Патент США 4536662 публ. 9-1 26-86.
8. М.Гальперин. Промышленная схемотехника в промышленной автоматике. М, Энергоатомиздат, 1987.
9. Радио 4/81, с.61. За рубежом. Широкополосной повторитель напряжения.
10. А.с. 1298853.
11. А.с 1264303 публ. 133-03-87, с.5.
12. Радио 5/79, с.61. За рубежом. Эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.
13. А.с.1167694.
14. А.с.769703.
15. Пат. США 4454479, публ. 3-126-85, с. 37
16. А.с. 1224966, публ. 14-126-86, с.14
17. П.Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М, Мир, 1991, с.204.

1. Эмиттерный повторитель.

Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремиться к R_вых каскада с общим эмиттером, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н
R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э)
где r_б - сопротивление базы (1...20 Ом и более);
h_21э - безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta);
r_э = F_т/I_к (мА);
F_т = 25 мВ - температурный потенциал,
Rr - выходное сопротивление источника сигнала.

Рис. 59.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определении Сн эмиттерный повторители могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее опасным следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала:

Рис. 60.

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н.
При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вх будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.
Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений F_max=I_э/2_nU_mC_n , где U_m - амплитуда сигнала.
Как видно из формулы, расширить полосу пропускания эмиттерного повторителя можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в эмиттерном повторителе носят пилообразный характер:

Рис. 61.

2. Повторитель на составном транзисторе Шиклаи.

R_вх>=1МОм, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10Гц до 100 кГц.

Рис. 62.

3. Составной транзистор со следящей связью в цепи базы.

Из-за огромного входного сопротивления повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор или следящую связь в цепи базы:

Рис. 63.

Для того что бы искусственно увеличить сопротивление R_к и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости С_к, т.е. исключить её перезаряд, необходимо что бы напряжение U_кб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал U_к1 пропорционально потенциалу U_б1, ток через R_к и С_к станет равным нулю, а это равноценно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости:

Рис. 64.

или с помощью стабилитрона,схемы сдвига уровня:

Рис. 65.

или с помощью истокового повторителя:

Рис. 66.

Аналогичная идея реализована в широкополосном повторителе:

Рис. 67.

4. Эмиттерный повторитель с повышенным быстродействием.

Реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи с помощью транзисторов VT1-VT3.

Рис. 68.

5.Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности.

Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1, VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно R_вх, равному бесконечности.

Рис. 69.

6. Повторитель с увеличенным входным сопротивлением.

Rвх практически не зависит от h_21э.

Рис. 70.

7.Высоколинейный эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.

Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки: R_н=>R3/2

Рис. 71.

Для того,что бы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо что бы напряжение U_эб было постоянно во всём диапазоне изменения входного напряжения.
Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого надо в предыдущей схеме токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки:

I_к=Е_п/R_н=const

Рис. 72.

8. Простейший двухтактный эмиттерный повторитель.

Резистор R уменьшает искажения типа "ступенька" в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0.4...0.5 В) не целесообразно.

Рис. 73.

Введение смещения с помощью диодов или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

Рис. 74.

9.Эмиттерный повторитель с увеличенным входным сопротивлением с помощью следящей обратной связи.

Рис. 75.

10. Выходной каскад на квазикомплементарной паре.

Верхнее плечо - на составном транзисторе Дарлингтона, нижнее - на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогично VT4, VT5, симметрируют входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2..3 раза.

Рис. 76.

11. Двухтактные каскады.

По схеме Шиклаи (недостаток - возникновение больших сквозных токов при перегрузках, особенно на высоких частотах)

Рис. 77.

По схеме Дарлингтона

Рис. 78.

Повторитель по схеме Шиклаи и Дарлингтона

Рис. 79.

12. Схемы, позволяющие достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

Рис. 80, 81.

13. Повторитель с высокой термостабильностью.

Недостаток - плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечётных гармоник.

Рис. 82.

С повышенной нагрузочной способностью

Рис. 83.

14. Повторитель с повышенной нагрузочной способностью.

Повышенная нагрузочная способность достигнута за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов.

Рис. 84.

15. Схема с повышенным быстродействием.

Рис. 85.

16. Мостовая схема повторителя.

Рис. 86.

Рис. 87.

PREV

CONTENTS

NEXT

MAIN PAGE