Изобразите принципиальные схемы ЭП и ИП.

Рис. 1

При положительной полуволне входного переменного напряжения транзистор (типа n-р-n) еще больше открывается и его ток увеличивается, а при отрицательной – уменьшается. В результате этого переменное выходное напряжение имеет ту же фазу, что и входное. Оно служит напряжением обратной связи (ОС), оказывается включенным последовательно с входным и направлено навстречу ему. Поэтому ОС является последовательной отрицательной по напряжению.

Выходное напряжение меньше входного, но ненамного - на величину напряжения база - эмиттер. Поэтому Umвых ≈ Umвх. Так как напряжение эмиттера и по фазе, и по амплитуде повторяет напряжение, поданное на вход, то каскад называется ЭП. Усиления по напряжению он не дает, но дает усиление по току и по мощности, которое приблизительно равно β- коэффициенту усиления транзистора по току. Усиление по мощности у ЭП меньше, чем у каскада с ОЭ, который дает усиление как по току, так и по напряжению. Зато ЭП имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, а поэтому может использоваться как связующее звено между высокоомным источником сигналов и низкоомной нагрузкой. Кроме того, повторитель имеет широкую полосу пропускания. Эти положительные свойства обусловлены наличием глубокой отрицательной ОС.

Структура выходной цепи транзистора в ЭП такая же, как и в схеме с ОЭ: последовательное соединение источника питания, сопротивления нагрузки и промежутка коллектор-эмиттер транзистора. Поэтому, как и в схеме с ОЭ, максимально достижимая амплитуда выходного переменного напряжения не может превысить половины напряжения питания. Отличие от схемы с ОЭ лишь в способе подачи входного напряжения. Оно подается здесь не между базой и эмиттером, а между базой и землей (коллектором), т.е. стало больше на величину выходного напряжения.

Анализ ЭП будем проводить по упрощенной схеме (рис. 1,6). На ней точку входа каскада условно принимается вывод базы транзистора, а резисторы R1 и R2 отнесены к эквивалентному генератору входного сигнала (Ег, Rг). К выходным зажимам повторителя подключено сопротивление нагрузки Rн.

Рис.2

R

R

может бить

i

Истоковый повторитель (рис. 2, а, б) работает аналогично. Однако ток затвора ничтожно мал. Поэтому входное сопротивление повторителя, практически равное R1 || R2, может быть единицы мегаом и более. В схеме рис. 2,а смещение рабочей точки создаётся напряжением на резисторе Rн. Поэтому R1 не является принципиально необходимым. Катодный повторитель (рис. 2в) является аналогом истокового повторителя и встречается в старой радиоаппаратуре.

Хотя эмиттерный и истоковый повторители являются каскадами с глубокой ОС, их анализ проще проводить не с позиций теории ОС.

 

Контрольные вопросы

Изобразите принципиальные схемы ЭП и ИП.

Каковы преимущества ЭП по сравнению с каскадом с ОЭ?

Изобразите зависимость от времени мгновенного значения тока эмиттера в повторителе при синусоидальном входном напряжении.

 

т.е. закоро - i (рис.3,

Анализ истокового повторителя

Рис.3

 

Приложим извне к зажимам 2-2' некоторое приращение постоянного напряжения . Это вызовет приращение тока истока

Здесь первое слагаемое обусловлено тем, что приращение оказывается приложенным к промежутку затвор-исток и еще больше открывает транзистор. - крутизна транзистора, - внутреннее сопротивление транзистора (исток - сток). Тогда выходное сопротивление транзистора в ИП

 

 

Это сопротивление невелико. Оно составляет сотни Ом.

Транзистор с поданным на него входным напряжением повторителя является источником колебаний в выходной цепи. Представим этот источник эквивалентной схемой активного двухполюсника в виде генератора тока (рис. 3,б), параллельно которому подключено полученное в (2) выходное сопротивление.

Ток генератора найдем, из опыта короткого замыкания выходных зажимов 2-2' при подаче на зажимы 1-1' напряжения . Он равен . К выходным заводам активного двухполюсника, заменяющего транзистор, подключаем Rи, разделительный конденсатор С2 и сопротивление нагрузки R_н, т.е. все то, что подключено к выходу транзистора на принципиальной схеме.

Из рис. 3б коэффициент передачи ИП на средних частотах

 

здесь , , - полное сопротивление нагрузки транзистора. Выходное сопротивление ИП по отношению к его нагрузке равно

 

Контрольные вопросы

Обоснуйте формулу (1)

Рис.4

Ограничимся рассмотрением случая резистивно-емкостной нагрузки, как наиболее типичной. Тогда эквивалентная схема выходной цепи повторителя примет вид, показанный на рис 4,а, где включает емкость нагрузки, емкость монтажа и выходную емкость транзистора (между стоком и истоком). Из рис.4a коэффициент передачи ИП на верхних частотах (в комплексной форме)

где - постоянная времени (для верхних частот) цепи нагрузки эквивалентного генератора тока.

Нормированная АЧХ приведена на рис. 4б, где по вертикали, отложен относительный коэффициент передачи ИП.

 

Спад АЧХ происходит из-за уменьшения сопротивления емкости с повышением частоты, что уменьшает амплитуду выходного напряжения при неизменном входном. Верхняя граничная частота высока из-за низкого выходного сопротивления, благодаря чему шунтирующее действие емкости только на весьма высоких частотах.

Анализ ПХ в области малых времен можно выполнить по эквивалентной схеме для области верхних частот (рис. 4в)f задавая в виде перепада. Тогда выходное напряжение будет нарастать по экспоненте

описывающей процесс заряда емкости через сопротивление.

Зависимость (5) на рис. 4в изображена в относительном масштабе: . Благодаря малой постоянной времени (вследствие малого ) время нарастания фронта ПХ получается малым.

При передачи больших перепадов могут наблюдаться два нежелательных явления. Из-за наличия емкости нагрузки выходное напряжение скачком измениться не может, А значит, весь входной перепад в первый момент окажется приложенным к промежутку затвор-исток.

Если этот перепад большой, то в случае его запирающей полярности он запрет транзистор, что приведет к растягиванию фронта выходного напряжения. Подробнее это явление мы рассмотрим позже на примере ЭП (см. раздел 3.4). Если большой перепад имеет отпирающую полярность, то он приведет к отпиранию управляющего n-р перехода транзистора, а значит, к появлению входного тока и резкому падению входного сопротивления повторителя. В повторителях на МОП-транзисторах затвор изолирован, и падения входного сопротивления не происходит.

 

Контрольные вопросы

1. Изобразите АЧХ ИП в области нижних частот и обоснуйте ее. опираясь на рис. 3б

2. Обоснуйте формулу (4) и ход графика , опираясь на рис. 4а.

Входная проводимость

Так как током затвора можно пренебречь, входная проводимость транзистора в ИП (рис. 5,а) обусловлена лишь межэлектродными емкостями Сзс и Сзи.

Рис.5

 

 

На низких частотах они дают только входную емкость Свх. Для отыскания ее запишем входной ток

Для низких и средних частот . Тогда

/?

ш Поэтому Ri

вляется

откуда входная емкость транзистора

В нее емкость входит полностью, так как она оказывается подключенной параллельно входным зажимам. Вклад емкости уменьшен, так как ток через нее меньше, чем если бы он протекал при подсоединении ко входным зажимам повторителя. Это обусловлено тем, что напряжение, приложенное к мало. Оно равно разности входного и выходного напряжений повторителя.

На высоких частотах, в случае резистивно-емкостной нагрузки, в (6) вместо следует подставить из (4). Тогда произведя математические преобразования, получим (вывод опускаем)

,

где т.е. активная составляющая входной проводимости транзистора отрицательна. Ограничимся показом этого с помощью векторной диаграмма (рис. 5б). Для упрощения построений емкость учитывать не будем, так как она входит лишь в и может быть учтена особо. В фазе с напряжением затвор – исток находится ток истока последний, протекая по резистивно-ёмкостной нагрузке транзистора, создаёт на неё напряжение , отстающее от на угол меньше 90°. Векторная сумма .

Через под действием протекает опережающий его на 90° входной ток . Разложим его на две составляющие и ,направленные параллельно и перпендикулярно вектору . Составляющая направлена навстречу и поэтому свидетельствует об отрицательном знаке активной составляющей входной проводимости Отрицательный знак обусловлен тем, что из-за емкостей и фазовый сдвиг между и превышает 90°. Вектор свидетельствует о наличии входной емкости.

Из-за отрицательного знака проводимости повторитель может самовозбудиться, если внутреннее сопротивление источника входного сигнала имеет индуктивный характер. В этом случае с учетом входной емкости повторителя образуется параллельный колебательный контур, зашунтированный отрицательным сопротивлением. Для устранения самовозбуждения последовательно в вывод затвора включают добавочный резистор (сотни Ом или единицы килоом) и тем компенсируют отрицательное сопротивление.

 

Контрольные вопросы

1. Почему емкости и входят в (7) не на равных правах?

2. При каком характере нагрузки и сопротивления источника входного сигнала повторитель может самовозбудиться? Покажите, что при самовозбуждении образуется емкостная трехточечная схема автогенератора с участием , ,

3. Поясните построение диаграммы на рис. 5б и сделайте из нее заключение о характере полной входной проводимости транзистора.

Выходное сопоставление

 

Выходное сопротивление ЭП (рис. 1б) . Для определения нужно на рис. 1б положить Ег = 0. Тогда между базой и землей останется лишь внутреннее сопротивление эквивалентного генератора Rг (рис. 6а), а выходное сопротивление транзистора можно записать по аналогии с входным сопротивлением в схеме с ОБ.

Рис.6

На низких и средних частотах

 

 

График этой зависимости от построен на рис. 6б (в логарифмическом масштабе) При

Это- сопротивление эмиттер – коллектор при обрыве вывода базы и известно из теории каскада с ОЭ. При и составляет лишь десятки Ом.

На верхних частотах нужно в (8) учесть комплексность величин и . Однако обычно и можно не учитывать. Заменяя

, получим

Оно имеет резистивно-индуктивный характер, причем его резистивная (активная) составляющая , a выходная индуктивность транзистора .В частности при

,

 

Следовательно, сравнению с ИП здесь выходное сопротивление транзистора зависит от и содержит индуктивную составляющую. Первая особенность обусловлена наличием тока базы, а вторая – инерционностью биполярного транзистора.

 

Контрольные вопросы

1. Изобразите в схеме рис. 6а транзистор в виде простейшей модели (рис.9,а) и обоснуйте по ней формулу (8).

2. Почему в ИП не зависит от , а в ЭП зависит?

Рис.7

причем на основе рис. 7, а. ЭДС холостого хода

 

Эта формула справедлива на всех частотах, даже на высших, так как модуль полного сопротивления коллекторного перехода . На эквивалентной схеме сопротивление должно быть взято для (т.е. )

К выходным зажимам активного двухполюсника подключаем сопротивление нагрузки транзистора . В области средних частот согласно (10) , (емкость нагрузки на этих частотах можно не учитывать) и коэффициент передачи

 

В области высших частот выходное сопротивление состоит из и (рис. 8,а).

 

Рис.8

Поэтому в случае чисто резистивной нагрузки с повышением частоты при неизменной амплитуде входного напряжения будет уменьшаться амплитуда тока в цепи из-за увеличения индуктивного сопротивления , а значит, будет уменьшаться и коэффициент передачи (на верхних частотах). Соответствующая АЧХ представлена кривой 1 на pис. 8б.

Если же нагрузка резистивно-емкостная (), то эквивалентная схема выходной цепи ЭП представляет собой последовательный колебательный контур, включающий два сопротивления (рис.8, а). При приближении к частоте резонанса полное сопротивление цепи уменьшается, а значит, амплитуда тока в ней увеличиваются. Из-за этого на АЧХ может быть подъем (кривая 2). Из теории цепей известно, что на частоте резонанса напряжение на любой из реактивностей последовательного колебательного контура, в том числе и на емкости, в Q раз (Q - добротность) больше, чем ЭДС, - здесь равная . Следовательно, на частоте резонанса K=Q т.е. коэффициент передачи повторителя равен добротности контура. Значит, если Q > K₀, подъем на АЧХ ЭП существует. Однако максимальный коэффициент передачи обычно не превышает 1,5-2, а у повторителей на высокочастотных транзисторах не более 1,2, так как оказывается малой.

При изменении изменяется частота максимума характеристики, примерно совпадающая с резонансной частотой контура. Но одновременно изменяется и вносимое нагрузкой R_н последовательное сопротивление контура, а значит, и добротность Q. Оказывается, что подъем на характеристике существует только в том случае, если емкость нагрузки не очень мала и не очень велика: . Значение составляет обычно десятки или сотни пФ, а - тысячи или десятки тысяч пФ.Для устранения подъема достаточно уменьшить (например, путем уменьшения R_э) что ухудшит добротность эквивалентного контура.

 

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте эквивалентную схему рис 7б. Почему

Рис.9

На низких и средних частотах комплексного характера величин

в (14) можно не учитывать и входное сопротивление транзистора в ЭП

(15)

График его зависимости от приведен на рис. 10а, где

.

 

Рис.10

Предельные значения вполне согласуются со схемой, причем

В области верхних частот нужно учитывать емкость коллекторного перехода и комплексность коэффициента усиления транзистора по току считать . Ввиду малого (десятки Ом) можно приближенно считать, что входит в качестве слагаемого во входную емкость. Влияние комплексности коэффициента оценим с целью упрощения

(исключения математических выводов) только качественно, с помощью

векторных диаграмм. Эта комплексность обусловлена инерционностью биполярного транзистора, т.е. фазовыми сдвигами токов и относительно тока . которые образуют на векторной диаграмме известный треугольник (рис.10б).

В случае чисто резистивной нагрузки транзистора выходное напряжение с током . Ток базы создает на напряжение . Векторная сумма (). Из диаграммы видно, что входной ток опережает по фазе напряжение на угол меньше 90°. Следовательно, входное сопротивление (проводимость) транзистора комплексное с емкостным характером. Опираясь на формулу (14), можно доказать, что состоит из параллельного соединения

и

 

где - частота, на которой . Входная емкость транзистора

Благодаря включению в вывод эмиттера она в ЭП (примерно рав­ная С_(э)) намного меньше, чем в схеме с ОЭ.

В случае резистивно-емкостной нагрузки транзистора () на векторной диаграмме (рис.10,в) напря­жение будет отставать от тока на угол меньше 90°. По прежнему . По длине векторов видно, что теперь , т.е. на данной частота К> 1. А проекция вектора на направление отрицательна, что свидетельст­вует об отрицательном знаке активной составляющей входной проводи­мости. Следовательно, при индуктивном характере внутреннего сопро­тивления источника входного сигнала и наличии емкости нагрузки ЭП, как я ИП, может самовозбудиться. Для предотвращения самовозбужде­ния в вывод базы включают добавочный резистор.

Контрольные вопросы

1 Закишите и обоснуйте формулу (15) прямо по схеме рис 1.

2 Определите предельные значения на рис.10 непосредст­венно из схемы ЭП

3. Обоснуйте построение векторных диаграмм на рис.10. Какие

Вывода из них следуют?

Рис.11

При значительных кривая близка к экспоненте с постоянной времени и время нарастания . Благодаря малому фронт ПХ получается коротким при любой полярности перепада.

В случае подачи большого перепада запирающей полярно­сти при наличии емкости нагрузки транзистора фронт выходного напряжения сильно растягивается. Пусть в момент t₁ напряжение на базе скачком уменьшается на величину (рис. 12,а,б). К концу переходного процесса напряжение (на эмиттере) изменится на величину и составит . Однако в момент t₁ оно измениться не может ввиду наличия . Поэтому весь перепад прикладывается между базой и эмиттером, а так как его величина большая, то он запирает транзистор. С этого момента начинается свободный разряд емкости через сопротивление по экспоненте 1 с постоянной времени . Как только напряжение уменьшается до (момент t₂) транзистор открывается и через него начинает протекать ток. Это уменьшает скорость дальнейшего разряда емкости, который теперь пойдет по экспоненте 2 с постоянной времени .

Рис.12

Несмотря на то, что в момент t₂ постоянная времени цепи резко уменьшается ()_, крутизна экспоненты становится меньше. Однако в этом нет противоречия, так как крутизна экспоненты определяется не только постоянной времени, но и начальным значением или "размахом", который у экспоненты 2 во много раз меньше, чем у экспоненты 1.

Здесь почти весь фронт выходного напряжения формируется в виде экспоненты 1 с большой постоянной времени, и время нарастания оказывается большим (),что сильно искажает при передаче короткие импульсы большой амплитуды. Растягивание больших перепадов запирающей полярности присуще всем простым повторителям: эмиттерному, истоковому_, катодному. Для уменьшения длительности фронта надо уменьшать (например, путем уменьшения ). Но это снижает входное сопротивление и коэффициент передачи, а главное - требует для формирования того же перепада выходного напряжения большего перепада тока транзистора, а значит, и его исходное значение, что ухудшает экономичность питания и может потребовать применения более мощного транзистора.

Если большой перепад имеет отпирающую для транзистора поляр то он передается весьма быстро, так как транзистор открывается предела, что форсирует процесс заряда емкости .

 

Контрольные вопросы

Содержание отчета

Принципиальная схема макета (одна из двух ее частей), названия заданий, результаты эксперимента с совладением всех обозначений (для части 1 - в виде таблиц), графики. При сдаче отчета уметь объяснить полученные результаты.

Рис. 1

При положительной полуволне входного переменного напряжения транзистор (типа n-р-n) еще больше открывается и его ток увеличивается, а при отрицательной – уменьшается. В результате этого переменное выходное напряжение имеет ту же фазу, что и входное. Оно служит напряжением обратной связи (ОС), оказывается включенным последовательно с входным и направлено навстречу ему. Поэтому ОС является последовательной отрицательной по напряжению.

Выходное напряжение меньше входного, но ненамного - на величину напряжения база - эмиттер. Поэтому Umвых ≈ Umвх. Так как напряжение эмиттера и по фазе, и по амплитуде повторяет напряжение, поданное на вход, то каскад называется ЭП. Усиления по напряжению он не дает, но дает усиление по току и по мощности, которое приблизительно равно β- коэффициенту усиления транзистора по току. Усиление по мощности у ЭП меньше, чем у каскада с ОЭ, который дает усиление как по току, так и по напряжению. Зато ЭП имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, а поэтому может использоваться как связующее звено между высокоомным источником сигналов и низкоомной нагрузкой. Кроме того, повторитель имеет широкую полосу пропускания. Эти положительные свойства обусловлены наличием глубокой отрицательной ОС.

Структура выходной цепи транзистора в ЭП такая же, как и в схеме с ОЭ: последовательное соединение источника питания, сопротивления нагрузки и промежутка коллектор-эмиттер транзистора. Поэтому, как и в схеме с ОЭ, максимально достижимая амплитуда выходного переменного напряжения не может превысить половины напряжения питания. Отличие от схемы с ОЭ лишь в способе подачи входного напряжения. Оно подается здесь не между базой и эмиттером, а между базой и землей (коллектором), т.е. стало больше на величину выходного напряжения.

Анализ ЭП будем проводить по упрощенной схеме (рис. 1,6). На ней точку входа каскада условно принимается вывод базы транзистора, а резисторы R1 и R2 отнесены к эквивалентному генератору входного сигнала (Ег, Rг). К выходным зажимам повторителя подключено сопротивление нагрузки Rн.

Рис.2

R

R

может бить

i

Истоковый повторитель (рис. 2, а, б) работает аналогично. Однако ток затвора ничтожно мал. Поэтому входное сопротивление повторителя, практически равное R1 || R2, может быть единицы мегаом и более. В схеме рис. 2,а смещение рабочей точки создаётся напряжением на резисторе Rн. Поэтому R1 не является принципиально необходимым. Катодный повторитель (рис. 2в) является аналогом истокового повторителя и встречается в старой радиоаппаратуре.

Хотя эмиттерный и истоковый повторители являются каскадами с глубокой ОС, их анализ проще проводить не с позиций теории ОС.

 

Контрольные вопросы

Изобразите принципиальные схемы ЭП и ИП.