Эта статья в некоторой мере является продолжением статьи «Про предварительный каскад усиления сигналов на транзисторе по схеме с общим эмиттером» (часть 1, часть 2). Для более полного понимания некоторых моментов в описании, рекомендую ознакомиться с предыдущей статьёй.
Казалось бы, ну что можно ещё рассказать про «старый добрый» каскад на транзисторе с общим коллектором (ОК), или по-другому – эмиттерный повторитель (ЭП). Всё давным-давно изучено, описано в литературе. Радиолюбители знают о нём, о его назначении, и активно используют в своих конструкциях.
В этой статье я хочу рассказать о редко используемой радиолюбителями схеме включения ЭП, а именно включение с непосредственной (гальванической) связью с предыдущим каскадом.
Но сначала, необходимое небольшое вступление.
Радиолюбители, в основном, используют в своих разработках две схемы "обвязки" транзистора в ЭП. В первом случае рабочая точка характеристики (линейный режим) задаётся с помощью делителя напряжения RБ1, RБ2 («правильная схема» по Хоровицу и Хиллу )), [1], во втором – ток базы задаётся с помощью одного резистора RБ (рис.1):
Рис.1
Радиолюбители, особенно «старой закалки», используют именно эти схемы, чаще схему №2.
Но я хочу рассказать и показать, что в подавляющем большинстве случаев применения ЭП базу транзистора можно подключать НЕПОСРЕДСТВЕННО к выходу предыдущего каскада, вот так, например:
Рис.2
ПРОСТЕЙШАЯ схема, состоящая из двух элементов. В микросхемах ЭП именно так и подключают.
Чтобы рассчитать напряжение на эмиттере Uэ и номинал Rэ нужно знать всего три вещи:
1. Напряжение на выходе предыдущего каскада;
2. На эмиттерном переходе кремниевого транзистора (Uбэ) падает примерно 0,6 вольта;
3. Закон Ома.
Ну и примем одно условие, что каскад маломощный, и ток эмиттера примерно равен току коллектора и составляет 1 мА.
А теперь перейдём к делу. Возьмём схему предварительного усилителя из предыдущей статьи и «прикрутим» к ней ЭП:
Рис.3
И рассчитаем номинал Rэ ЭП:
1. Т.к. на базе транзистора напряжение равно выходному напряжению предыдущего каскада и составляет 5,6 вольт, то на эмиттере будет напряжение на 0,6 в меньше (см. п. 2):
Uэ = Uб- Uбэ = 5,6в -0,6в = 5в.
А так как ток эмиттера ОЭ по условию равен 1 мА, то
Rэ = 5в/1мА = 5 кОм.
Выберем из стандартного ряда Е24 значение Rэ = 5,1 кОм.
ВСЁ. Расчёт ЭП окончен:
Рис.4
А теперь давайте проверим рассчитанную нами схему в симуляторе, в Мультисиме.
Транзистор выберем BC107BР (по параметрам близок к нашим КТ342Б, КТ3102Б).
Запускаем симуляцию:
МС1
И убеждаемся в правильности расчёта. (Хотя что тут может быть неправильно. Всё ооочень просто). Для радиолюбительской схемы прецизионная точность)).
Осталось проверить работу схемы на переменном токе:
МС2
Убеждаемся, что ЭП нисколько не испортил работу предыдущего каскада (более подробно результат симуляции ПУ см. в предыдущей статье). Ну разве что на 1мВ уменьшил выходное напряжение. Но ЭП, они все, такие)).
И форма сигнала на осциллографе (красная осциллограмма – вход, синяя – выход) - красивая правильная синусоида:
МС3
Транзистор ЭП структуры n-p-n можно непосредственно подключать к предыдущему каскаду, если постоянное напряжение на его выходе выше 1,2 - 1,5 вольта, иначе напряжение Uэ может оказаться слишком малым, и ЭП будет вносить искажения в сигнал.
Если же всё-таки возникнет необходимость подключения ЭП к схеме с низким уровнем постоянного напряжения на выходе, например ПУ с низким напряжением питания, тогда можно подключить транзистор структуры p-n-p. Пусть на выходе предыдущего каскада у нас имеется напряжение +0,6 вольта:
Рис.5
Номинал эмиттерного резистора рассчитывается так же, только необходимо помнить, что в схеме, в которой питание с «общим минусом», напряжение на эмиттере транзистора структуры p-n-p БОЛЬШЕ, чем напряжение на базе на 0,6 вольта, относительно общего провода. Надеюсь, результаты расчёта (рис.5), понятно как получились.
Кстати говоря, p-n-p транзистор не возбраняется использовать в ЭП и в других случаях, на усмотрение разработчика схемы.
Идем дальше. Мы рассмотрели непосредственное подключение ЭП к предыдущему каскаду, в котором применяется резистивная нагрузка, и постоянное напряжение на его выходе колеблется в некоторых пределах от значения Uп/2.
А что, если нагрузкой предыдущего каскада является дроссель или контур?
Тогда на выходе каскада будет присутствовать постоянное напряжение, практически равное напряжению питания. Как будет вести себя ЭП, если его непосредственно подключить, например к каскаду, нагруженному на контур?
Возьмём для эксперимента вот такую изящную схему каскодного ОИ-ОЗ [2] на полевых транзисторах (fпч=10,7 МГц):
Рис.6
Сначала просимулируем её, так сказать, «в чистом виде». И режимы по постоянному току посмотрим, и на переменном проверим. На входе синусоидальный сигнал с амплитудой 1 мВ (пик-ту-пик) частотой 10,7 МГц, индуктивность катушки подобрана по максимальному уровню сигнала на выходе, транзисторы, применённые в схеме (BF245A и BF245C) – примерные аналоги КП303А и КП303Е соответственно:
МС4
Результаты моделирования особого пояснения не требуют, Ку схемы составляет значение Uвых/Uвх = 165мВ/1мВ = 165, осциллограф регистрирует красивый сигнал:
МС5
А теперь, подключаем к выходу этого УПЧ эмиттерный повторитель:
Рис.7
Номинал Rэ и режимы уже посчитаны и указаны на схеме. Изящная схемка получилась). Но запустим симуляцию. В качестве транзистора ЭП выбираем 2N2369A, примерный аналог нашего КТ368А:
МС6
ТА-ДАМММММММ!
Немного упал Ку, немного вырос Кни (совсем не важно), немного пришлось подобрать индуктивность контура (а как же ещё, к нему подключились ёмкости переходов транзистора, да и Rвх ЭП – не бесконечно большое сопротивление).
НО. Схема прекрасно работает. Режимы ЭП совпадают с расчётом, а на выходе ЭП всё такая же красивая синусоида:
МС7
А объясняется всё просто. Транзистор ЭП находится в активном режиме, напряжение на коллекторе Uк больше напряжения на эмиттере Uэ, напряжение на базе Uб больше напряжения на эмиттере Uэ, а ОДНИМ резистором Rэ задан адекватный ток эмиттера (коллектора) транзистора. Ток базы установился автоматически, благодаря присущей ЭП 100%-ной отрицательной обратной связи с выхода на вход.
Конечно, в процессе моделирования не были учтены различные дополнительные факторы, как-то нагрузочные сопротивления на выходе, различные паразитные ёмкости и т.д. Я ставил перед собой лишь цель показать возможность непосредственного подключения ЭП к выходу предыдущего каскада, и продемонстрировать на примерах, что схема от такого подключения нисколько не «страдает». Ровно наоборот. Мы избавляемся от ненужных элементов, только ухудшающих параметры ЭП. Резисторы задания рабочей точки уменьшают Rвх ЭП, а конденсатор на входе вносит частотные и фазовые искажения.
Такое включение ЭП можно смело делать как на НЧ, так и на ВЧ, применяя соответствующие транзисторы.
Ток эмиттера транзистора ЭП, естественно можно увеличивать, в зависимости от величины сопротивления предполагаемой нагрузки. Правило такое - чем меньше сопротивление нагрузки - тем больше должен быть ток эмиттера, и, соответственно, меньше значение Rэ.
И напоследок.
Входное сопротивление ЭП на постоянном токе:
Rвх = (h21э+1)*Rэ [1], т.е. если у нас (в последнем примере) применялся транзистор с h21э = 100, тогда Rвх ЭП составляло (100+1)*11 кОм = 1111 кОм или округленно 1,1 МОм.
Входной импеданс (проще говоря, входное сопротивление на переменном токе):
Zвх = (h21э+1)*Zнагрузки [1];
Выходной импеданс:
Zвых = Zисточника/(h21э+1) [1].
Из формул понятно, что чем больше к-т усиления транзистора (h21э), тем выше входное (и ниже выходное) сопротивление ЭП. Делаем выводы.
На этом разрешите данный обзор закончить. Надеюсь, Вам было интересно.
Литература:
1. 1986. П. Хоровиц. У. Хилл. Искусство схемотехники. 1 том.
2. Поляков В.Т. Каскодный и дифференциальный усилители на полевых транзисторах. Радио, 1984, №11, с.28-29.
Все свои статьи я пишу не регулярно, а "под настроение" и "для души". Если Вам интересна или в чём-то полезна данная статья, Вы можете выразить свою благодарность, нажав на кнопочку "Поддержать".
Благодарю Вас за внимание.
Всем всего доброго!