Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)
Шрифт:
Импеданс источника и нагрузки. Последнее замечание очень важно, поэтому задержим на нем свое внимание, прежде чем приступить к вычислениям, связанным со свойствами эмиттерных повторителей. При анализе электронных схем всегда стремятся связать выходную величину с какой-либо входной, как например на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Представим «нагрузку» схемы как делитель напряжения.
В качестве источника сигнала может выступать выход усилительного каскада (с эквивалентным последовательным импедансомZвых), к которому подключен еще
В некоторых случаях вполне можно пренебречь этим общим требованием для обеспечения стабильности источника по отношению к нагрузке. В частности, если нагрузка подключена всегда (например, входит в состав схемы) и если она представляет собой известную и постоянную величину Zвх, то нет ничего опасного в том, что она «нагружает» источник. Тем не менее, хуже не будет, если уровень сигнала не изменяется при подключении нагрузки. Кроме того, если Zвх изменяется при изменении уровня сигнала, то стабильный источник (Zвых << Zвх) обеспечивает линейность, а делитель напряжения дает искажение линейной зависимости.
Наконец, в двух случаях условие Zвых << Zвх соблюдать просто нельзя: в радиочастотных схемах импедансы обычно выравнивают (Zвых = Zвх) по причине, которую мы объясним в гл. 14.
Второе исключение относится к случаю, когда передаваемым сигналом является не напряжение, а ток. В этом случае ситуация меняется на противоположную, и нужно стремиться к выполнению условия Zвх << Zвых (для источника тока Zвых = ).
Входной импеданс и импеданс эмиттерного повторителя. Итак, эмиттерный повторитель обладает способностью согласовывать импедансы источников сигналов и нагрузок. В этом и состоит его назначение.
Давайте подсчитаем входной и выходной импеданс эмиттерного повторителя. Предположим, что в приведенной схеме в качестве нагрузки выступает резистор R (на практике иногда так и бывает, в других случаях нагрузку подключают параллельно резистору R, но при параллельном соединении преобладает сопротивление R). Пусть напряжение на базе изменилось на величину UБ; соответствующее напряжение на эмиттере составит UЭ = UБ. Определим изменение тока эмиттера: Uэ = Uб/R, равное Iб = [1/(h21Э + 1)]Iэ = Uб/R(h21э + 1) (с учетом того, что Iэ = Iк + Iб). Входное сопротивление схемы равно Uб/Iэ, следовательно,
rвх = (h21э + 1)R.
Коэффициент (h21э)
В выполненном только что преобразовании, как и в гл. 1, мы использовали для обозначения некоторых величин строчные буквы, например h21э, тем самым мы указали, что имеем дело с приращениями (малыми сигналами). Чаще всего нас интересует изменение напряжения (или тока) в схеме, а не постоянные значения (или значения по постоянному току) этих величин. Очень часто эти изменения малых сигналов и представляют собой реальный сигнал, например в усилителе звуковых частот, который имеет устойчивое «смещение» по постоянному току (см. разд. 2.05). Различие между коэффициентом усиления по постоянному току (h21э) и коэффициентом усиления по току для малого сигнала h21Э не всегда очевидно, и для того, и для другого случая используют понятие коэффициента усиления .
Если учесть, что h21Э ~= h21э (за исключением очень высоких частот) и в большинстве случаев интерес представляет не точное, а приблизительное значение этого коэффициента, то использование коэффициента вполне допустимо. В полученном соотношении фигурируют активные сопротивления, однако его можно обобщить и распространить на комплексные импедансы, если переменные Uб,Iэ и др. заменить их комплексными представлениями. В результате получим правило преобразования импедансов для эмиттерного повторителя:
Zвх = (h21э + 1)Zнагр.
Проделав аналогичные преобразования, найдем выходной импеданс эмиттерного повторителя Zвых (импеданс со стороны эмиттера) при использовании источника сигнала с внутренним импедансом Zист:
Zвых = Zист/(h21э + 1).
Строго говоря, в выходной импеданс схемы надо включить и сопротивление параллельного резистора R, но Zвых(импеданс со стороны эмиттера) играет основную роль.
Упражнение 2.1. Покажите, что приведенное выше соотношение справедливо. Подсказка: найдите изменение выходного тока при фиксированном напряжении источника и заданном изменении выходного напряжения. Учтите, что напряжение источника подается на базу через его последовательно включенное внутреннее сопротивление.
Благодаря таким полезным свойствам эмиттерные повторители находят широкое практическое применение, например при создании внутри схем (или на их выходе) источников сигналов с низким импедансом, при получении стабильных эталонных напряжений на основе эталонных источников с высоким импедансом (сформированных, скажем, с помощью делителей напряжения) и для изоляции источников сигналов от влияния последующих каскадов.
Упражнение 2.2. На основе эмиттерного повторителя, к базе которого подключен делитель напряжения, создайте схему источника напряжения +5 В при условии, что используется стабилизированный источник напряжения питания +15 В. Ток нагрузки (максимальный) равен 25 мА. Сопротивление резисторов следует выбрать так, чтобы при подключении полной нагрузки напряжение на выходе изменялось не более чем на 5 %.
Некоторые замечания по поводу эмиттерных повторителей. 1. Отметим (разд. 2.01, правило 4), что транзистор n-р-n– типа в эмиттерном повторителе может только отдавать ток. Например, для схемы, показанной на рис. 2.8, выходное напряжение в положительной полуплоскости изменяется в пределах напряжения насыщения транзистора Uкк (что составляет +9,9 В), в отрицательной полуплоскости оно ограничено значением —5 В. Это связано с тем, что при увеличении отрицательного напряжения на входе транзистор в определенный момент просто выключается, напряжение на входе составляет при этом —4,4 В, а не выходе —5 В.