Основы электроники. Эмиттерный повторитель.

Продолжается сага о биполярных транзисторах, и сегодня будет небольшое ответвление. В этой статье мы обсудим такую замечательную схему, как эмиттерный повторитель. Тема эта довольно важна для понимания , поэтому постараюсь все описать довольно подробно и главное понятно.

В общем, начинаем разбираться, и начнем мы, собственно, со схемы.

Схема эмиттерного повторителя.

Выходной сигнал тут снимается с эмиттера, а чему он равен? Правильно, напряжение на базе минус 0.6 В (пусть прямое напряжение перехода база – эмиттер равно 0.6 В). Вот и получается, что сигнал на выходе повторяет входной сигнал за той лишь разницей, что амплитуда его меньше на 0.6 В. Таким образом, эмиттерный повторитель полностью оправдывает свое название.

Все это, конечно, замечательно, но может возникнуть резонный вопрос – зачем? Смысл пока не просматривается -  что на вход подали, то с выхода и сняли. Очевидно, что смысл в этом все же должен быть, так что давайте разбираться, в чем тут идея. Но сначала отвлечемся ненадолго и обсудим один важный для понимания нюанс.

Импеданс нагрузки и источника сигнала.

Строго говоря, сопротивление может быть активным и реактивным (комплексным), но все-таки, сегодня разговор не об этом, поэтому углубляться не будем, просто запомним, что импеданс – это полное сопротивление. А тонкости мы обязательно рассмотрим как-нибудь в отдельной статье.

Итак, нагрузка, источник сигнала и их импеданс.

Пусть у нас есть источник напряжения и к нему подключена нагрузка. Источник не идеальный (а вполне реальный), поэтому его внутреннее сопротивление не равно 0. И в итоге мы получаем делитель напряжения (его составляют резистор нагрузки и внутреннее сопротивление источника), что приводит к тому, что на полезной нагрузке будет напряжение меньшее, чем выдает источник. Естественно, это плохо и с этим надо бороться. А как? Ну, тут только один вариант – внутреннее сопротивление источника должно быть намного меньше,  чем сопротивление нагрузки – R_{вн} << R_{н}. В случае источника тока, картинка прямо противоположная, то есть R_{вн} >> R_{н}.

В электрических схемах в качестве источника сигнала может выступать, например, выход усилительного каскада (его сопротивление R_{вых}), а в качестве нагрузки, например, другой каскад, ну или непосредственно нагрузка (с сопротивлением R_{вх}). Вспоминаем выводы, которые мы получили для примера с источником питания и нагрузкой, и получаем, что R_{вх} должно быть намного больше, чем R_{вых}. А если обобщить, то получаем Z_{вых} << Z_{вх} (символом Z обозначается величина импеданса). А теперь возвращаемся к схеме эмиттерного повторителя.

Так вот, важнейшее свойство эмиттерного повторителя заключается в том, что его входной импеданс намного больше, чем выходной. И это его свойство невероятно полезно. Смотрите сами – пусть у нас есть источник напряжения и нагрузка. Сопротивление нагрузки должно быть значительно больше выходного сопротивления источника. А если источник подключить к нагрузке через эмиттерный повторитель, то источник сможет работать на нагрузку с меньшим значением импеданса. То есть, если у нас R_{нагрузки}(R_{вх}) примерно равно выходному сопротивлению источника (R_{вых}), например, то потеря амплитуды сигнала будет довольно-таки велика (из-за делителя напряжения, состоящего из R_{вых} и R_{вх}). А если мы включим в цепь эмиттерный повторитель, то эти потери будут значительно уменьшены 👍

Говоря проще, эмиттерный повторитель обеспечивает увеличение тока, и, соответственно, мощности при неизменном (практически) напряжении. Собственно, в этом и состоит его принцип работы. Но на этом не заканчиваем, проанализируем некоторые практические схемы использования. И в качестве примера разберем, как использовать повторитель для стабилизации напряжения.

Тут придется второй раз отвлечься от основной темы и немного уделить внимания еще одному полезнейшему элементу – а именно стабилитрону. Данный аспект освещен в отдельном материале, поэтому дублировать не буду, а вот ссылка - баллада о стабилитроне.

Стабилизация напряжения при помощи одного лишь стабилитрона не лишена недостатков. Во-первых, мы не можем отрегулировать выходное напряжение и установить его на определенное значение, ведь оно определяется характеристикой конкретного стабилитрона. Ну а во-вторых, все-таки стабилитрон не идеален, и в связи с этим пульсации входного напряжения сглаживаются не всегда хорошо. Кроме того, если через нагрузку ток не течет, то вся мощность должна рассеяться на стабилитроне, то есть при проектировании схем нужно подыскивать стабилитрон с большой мощностью рассеяния.

И тут мы возвращаемся к главной теме нашей беседы, то есть к эмиттерному повторителю, который может значительно улучшить схему стабилизации.

Стабилитрон играет все ту же роль, то есть стабилизирует напряжение на базе транзистора. Так как это повторитель, то на выходе мы также получаем стабилизированное значение напряжения. А польза такой схемы заключается в том, что теперь ток, протекающий через стабилитрон, не зависит от тока нагрузки (действительно через стабилитрон течет малый ток базы, который потом усиливается транзистором). Ток меньше, а вместе с ним становится меньше и мощность, рассеиваемая на стабилитроне.

А теперь прикинем, как бы еще улучшить эту схему. Было бы неплохо (напротив, даже очень хорошо) снизить пульсации тока в стабилитроне. А как можно отфильтровать пульсации? Конечно, же фильтром - фильтром низких частот. Добавляем в схему RC-цепь:

И получаем модифицированный вариант. На данном моменте и завершаем обсуждение эмиттерного повторителя, всем спасибо за внимание 🤝