Эмиттерный повторитель напряжения

5. Эмиттерный повторитель напряжения

Эмиттерный повторитель напряжения представляет собой УК на БПТ с ОК. ЭПН обладает малым выходным сопротивлением и высоким входным сопротивлением. В связи с этим такой каскад часто применяют в качестве согласующего, который включают между низкоомной нагрузкой, являющейся, например, выходным каскадом усилителя, и каскадом предварительного усилителя. Базовая схема ЭПН и его эквивалентная схема приведены на рис.2.1 рис.2.2.

В схеме ЭПН выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по значению входному напряжению и совпадает с ним по фазе. Резистор Rэ в схеме с ЭПН выполняет ту же функцию, что и резистор Rk в УК о ОЭ - создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по выходной цепи базы. Конденсаторы С 1 и С2 - разделительные, предназначены для пропускания переменной составляющей сигнала. Резисторы R1 и R2 предназначены для задания режима покоя каскада. Задаваемое смещение обеспечивает протекание коллекторного тока в течение полного периода входного сигнала. Резисторы R1 и R2 выбраны так, что в отсутствие входного сигнала потенциал базы равен примерно половине напряжения источника питания. Точку покоя устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимально симметричный сигнал (без ограничений и срезов). Это зависит от соотношения сопротивления плеч делителя R1-R2.

Высокое входное сопротивления является одним из важнейших преимуществ каскада с ЭПН. Высокое входное сопротивление требуется в случае применения каскада в качестве согласующего звена при работе от источника входного сигнала, имеющего большое внутренне сопротивление.

Исходные данные:

R_н=199 Ом

U_mн = 8 B

I_mн= 66мА

Выбираем транзистор:

Выбираем КТ503А( Si n-p-n в=40... 120 I_kmax=300мА Р_kmax=0.5Вт)

Точку покоя устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимально симметричный сигнал (без ограничений и срезов). Это зависит от соотношения сопротивлений плеч делителя R1 - R2.

Из входной и выходной характеристик определяем следующие значения:

в = 40

Сопротивление R_э:

Сопротивление входной цепи транзистора:

Сопротивления плеч делителя R1 - R2 найдём из следующих условий:

где: Получим:

Условие температурной стабилизации выполняется:

Далее рассчитываем входное сопротивление каскада:

 

Выходное сопротивление каскада несложно получить, рассматривая эквивалентную схему рис.2.2 со стороны выходных зажимов:

Поскольку значение r_э невелико, то выходное сопротивление каскада мало. Это свойство ЭПН используют, когда необходимо согласовать выходную цепь усилителя с низкоомной нагрузкой.

Коэффициент усиления напряжения находится по выражению:

 

Значения разделительных емкостей С1 и С2:

 

6. Расчет второго каскада предварительного усиления

 

Усиливаемый сигнал от источника сигнала Ег (рис. 2.1) в базовую цепь транзистора подается через разделительный конденсатор С1. Сопротивление R_к является коллекторной нагрузкой. С него усиленное переменное напряжение через разделительный конденсатор С2 подается в нагрузку R_н . При последовательном включении УК сопротивлением нагрузки является входное сопротивление следующего каскада.

Рассмотрим назначение элементов схемы УК.

Конденсаторы С1 и С2 - разделительные, назначение которых -отделить переменный усиливаемый сигнал от постоянных напряжений и токов, действующих внутри схемы. Конденсатор С1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых исключить протекание постоянного тока по цепи En-Rr-Rl и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения U6n в режиме покоя от внутреннего сопротивления Rг источника Ег Конденсатор С2 не пропускает постоянную составляющую выходного сигнала в нагрузку.

Делитель напряжения R1-R2 предназначен для установления рабочей точки транзистора в состоянии покоя. Положение рабочей точки должно обеспечивать режим А работы УК. В зависимости от соотношения между плечами делителя R1-R2 на базу транзистора подает определенное напряжение Uбэп в состоянии покоя, которое в свою очередь определяет ток базы покоя Iбп.

Резистор Rk осуществляет последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, которая обеспечивает стабилизацию положения рабочей точки на вольтамперных характеристиках транзистора при воздействии на УК внешних дестабилизирующих факторов.

Расчет каскада по постоянному току.

Расчет усилительного каскада производится раздельно по постоянному и переменному токам. Целью расчета по постоянному току является определение положения рабочей точки на характеристиках транзистора и ее температурную стабильность. Расчет по переменному току заключается в определении основных динамических параметров, коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности, “шитого и выходного сопротивлений каскада и динамической крутизны. Поскольку характеристики транзистора нелинейные, то единой методики расчета УК не существует. Каскады, работающие при большом уровне сигнала, рассчитывается графоаналитические методом с использованием ВАХ транзистора, а УК с малым уровнем сигнала - аналитическим методом, который основан на использовании эквивалентных схем транзистора. Условно сигнал считается малым, если его амплитуда не превышает 15..20% постоянного значения напряжения в рабочей точке.

Исходные данные:

R_н = 6533 Ом

U_mн = 19 В

Пусть коэффициент усиления каскада К=40

Выбираем транзистор:

 

Выбираем KT503Б(Si n-p-n в=80...240 I_Кmax=300мА Р_Kmax=0.5Вт). Из входной и выходной характеристик транзистора определяем следующие значения:

в = 140

Примем падение напряжения на сопротилении фильтра:

,

где , Е_п = 40

Находим напряжение, подводимое к делителю:

Расчёт элементов, обеспечивающих рабочий режим транзистора:

Коэффициент температурной нестабильности S = 3

Сопротивление входной цепи транзистора:

Найдём R_б:

Определяем значение Rэ:

Находим значения R1 и R2:

 

Напряжение базы U_бп в состоянии покоя:

Определяем ток в цепи делителя базы:

Ток Iд должен в (2...5) раз превышать Iбп

Сопротивление Rф фильтра находим по формуле:

 

Для нахождения r_k применим 2-й закон Кирхгофа к выходной цепи коллектора:

Поверочный расчёт коэффициента температурной нестабильности S:

Расчет номинальных значений ёмкостей:

Ёмкость Сф определяется из условия получения необходимой фильтрации питающего напряжения:

Расчёт значений ёмкостей С₁,С₂ и Сэ производятся по формулам:

где

Расчёт динамических параметров усилительного каскада. Эквивалентная схема замещения каскада.

Динамическими параметрами УК являются коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, крутизна усиления. Эти параметры рассматриваются на основе анализа эквивалентной схемы УК для переменных составляющих токов и напряжений. Полная эквивалентная схема замещения каскада содержит следующие элементы: Свх - емкость входной цепи УК, См - емкость монтажа, Сн - емкость нагрузки, Rб= R_l || R₂; транзистор замещен Т - образной схемой замещения (элементы r'б, rэ, r_k*, Ск* и вI6); зажимы "плюс" и "минус" источника питания Еп закорочены по переменной составляющей. Обычно емкость Сф выбирается такой, чтобы ее сопротивление на самой низкой рабочей частоте было близко к нулю и закорачивало резистор Rф. Поэтому цепочка Rф-Сф на схеме не приведена.

Для упрощения анализа и расчетных соотношений принято рассматривать работу усилительного каскада раздельно в области средних, низких и высоких частот.

Анализ УК в области средних частот

На средних частотах (в центральной области полосы пропускания усилителя) сопротивление емкостей C_l, C₂ и Сэ близко к нулю, а сопротивление паразитных емкостей Свх, См, а также емкостей Ск* и Си велико. Поэтому ветви схемы рис.3.2. с C_l, C₂ и Сэ могут быть закорочены, а ветви с Свх, См, Ск* и Си разомкнуты.

Входное сопротивление каскада равно параллельному соединению Rвxvt и Rб:

Выходное сопротивление каскада:

Коэффициент усиления напряжения каскада найдём из формулы:

 

где

Коэффициент усиления тока и мощности:

 

Крутизна усилительного каскада определится отношением:

 

Анализ УК в области низких частот:

В области низких частот следует учесть влияние на параметры каскада разделительных конденсаторов C_l и C₂ и ёмкости в цепи эмиттера Сэ. При правильном выборе Параметров цепочки Rф-Сф ее влияние на частотную характеристику в области НЧ мало и в данном случае не рассматривается. Эквивалентная схема усилителя в области НЧ получается из схемы (рис.3.2.) путем включения емкостей С1,С2 и Сэ и исключения емкости Ск*.

При переходе к более низким частотам возрастают сопротивления ёмкостей C_l, C₂ и Сэ, что приводит к уменьшению токов Iб и Iн и напряжения Uвых. Параметры каскада зависят от частоты. Проанализируем изменения лишь основного показателя коэффициента усиления. С целью упрощения расчетов влияние каждой из указанных выше емкостей рассмотрим отдельно.

Влияние емкости С₁.(положим С₂ = Сэ = ∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

 

где - постоянная времени входной цепи

Влияние емкости С2.(положим С₁ = С_э = ∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

где - постоянная времени выходной цепи

Влияние емкости Сэ.(положим С1=С2=∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

 

где - постоянная времени эмиттерной цепи

Таким образом, рассмотрев влияние конденсаторов Cl, C2 и Сэ раздельно, установили, что каждый уменьшает коэффициент усиления каскада с понижением частоты, причем структура формул одинакова.

При совместном действии рассмотренных емкостей структура формулы коэффициента усиления также не изменится:

где - эквивалентная постоянная времени каскада в области низких частот:

 

Эти соотношения позволяют записать выражение для модуля коэффициента усиления и его фазы, которые используются для построения АЧХ и ФЧХ усилителя в области низких частот:

К_н уменьшается при понижении частоты. .Это приводит к появлению частотных искажений. Для их количественной оценки используют коэффициент частотных искажений:

 

На нижней граничной частоте щ_н коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щ_н Мн= 0.707, а щ_н ф_н= 1. Отсюда можно определить щ_н по заданному значению ф_н:

Анализ УК в области высоких частот:

Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот (ВЧ) определяется инерционностью транзистора. Эквивалентная схема усилителя для области ВЧ следует из рис. 3.2, если в последней учесть конденсатор Ск* ,а также частотно-зависимые параметры в(jщ) и r_k^*(jщ)

Найдём постоянную времени каскада в области ВЧ из выражения (fв=15000Гц):

Искомое выражение для коэффициента усиления области высоких частот получим , произведя замену параметров в и г_к :

 

Запишем выражения для АЧХ и ФЧХ усилителя в области высоких частот:

 

Для количественной оценки ВЧ искажений водится коэффициент частотных искажений:

 

 

На верхней граничной частоте щ_в коэффициент К_н уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щ_в Мн= 0.707, а щ_в ф_в= 1.

При одновременном анализе усилителя во всем частотном диапазоне, т.е. по полной эквивалентной схеме, может быть получено следующее выражение для коэффициента усиления усилителя, модуля и фазы коэффициента частотных искажений :

 

 

Графики АЧХ и ФЧХ УК2 в области ВЧ и НЧ: