Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель — это схема включения биполярного транзистора (или полевого транзистора с общим стоком), в которой выходной сигнал снимается с эмиттера (истока), а коллектор (сток) является общим электродом для входной и выходной цепей. Основное свойство эмиттерного повторителя — коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице (менее 1), при значительном усилении по току и, как следствие, по мощности. Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлению, эта схема широко применяется в качестве согласующего каскада (буфера) между высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой.

Принцип работы

В основе работы эмиттерного повторителя лежит схема с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора. Входной сигнал подаётся на базу транзистора относительно общего провода (земли). Напряжение на эмиттере, с которого снимается выходной сигнал, повторяет напряжение на базе, но сдвинуто на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер (для кремниевых транзисторов — около 0,6–0,7 В). Поскольку выходное напряжение «следит» за входным, схема и получила название «повторитель».

Коэффициент передачи

Коэффициент передачи по напряжению \( K_U \) для эмиттерного повторителя определяется выражением:

\[ K_U = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} = \frac{R_э}{R_э + r_э} \]

где \( R_э \) — сопротивление в цепи эмиттера, \( r_э \) — динамическое сопротивление эмиттерного перехода (обычно единицы-десятки Ом). При \( R_э \gg r_э \) коэффициент передачи стремится к 1, но всегда остаётся меньше неё. Типичные значения \( K_U \) составляют 0,9–0,99.

Входное и выходное сопротивление

Входное сопротивление эмиттерного повторителя значительно выше, чем у схемы с общим эмиттером, и определяется как:

\[ R_{вх} = (\beta + 1) \cdot (R_э \parallel R_н) \]

где \( \beta \) — коэффициент усиления транзистора по току, \( R_н \) — сопротивление нагрузки. Для современных транзисторов с \( \beta \) порядка 100–1000 входное сопротивление может достигать сотен килоом и даже единиц мегаом.

Выходное сопротивление, напротив, очень мало (обычно единицы-десятки Ом) и приближённо равно:

\[ R_{вых} \approx \frac{R_г}{\beta + 1} + r_э \]

где \( R_г \) — внутреннее сопротивление источника сигнала. Низкое выходное сопротивление позволяет эмиттерному повторителю эффективно работать на низкоомную нагрузку, например, на динамики или длинные линии связи.

Классификация и разновидности

Эмиттерные повторители классифицируются по типу используемых транзисторов и особенностям схемотехники.

По типу активных элементов

• На биполярных транзисторах (n-p-n или p-n-p) — классическая реализация. Требуют согласования полярности питания.
• На полевых транзисторах (с общим стоком) — аналогичная схема, называемая истоковым повторителем. Отличается ещё более высоким входным сопротивлением (до \(10^{12}\) Ом для МОП-транзисторов), но меньшим коэффициентом передачи по напряжению (обычно 0,5–0,9).
• На составных транзисторах (схема Дарлингтона) — два транзистора, включённых по схеме с общим коллектором, обеспечивают очень высокий коэффициент усиления по току (\( \beta_{общ} = \beta_1 \cdot \beta_2 \)) и, соответственно, максимальное входное сопротивление. Недостаток — повышенное падение напряжения на переходе (около 1,2–1,4 В).

По режиму работы

• Класс A — транзистор открыт в течение всего периода сигнала. Обеспечивает наименьшие искажения, но низкий КПД (теоретически до 50%, практически 20–30%).
• Двухтактные (комплементарные) повторители — состоят из пары транзисторов разной проводимости (n-p-n и p-n-p). Каждый транзистор работает в своём полупериоде сигнала, что позволяет существенно повысить КПД (до 60–70% в классе AB) и уменьшить нелинейные искажения.

Применение

Эмиттерные повторители являются одним из базовых функциональных узлов в аналоговой и цифровой электронике.

Согласование импедансов

Основное применение — буферизация сигналов. Например, в звуковой технике эмиттерный повторитель ставится между предварительным усилителем (высокоомный выход) и оконечным усилителем мощности (низкоомный вход). Это предотвращает потери сигнала и искажения, вызванные рассогласованием сопротивлений.

Выходные каскады усилителей

Двухтактные эмиттерные повторители на комплементарных транзисторах (например, на парах КТ815/КТ814 или КТ817/КТ816) широко используются в оконечных каскадах усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Они обеспечивают высокий ток в нагрузке при малом выходном сопротивлении.

Логические схемы

В цифровой электронике эмиттерные повторители применяются в интерфейсах передачи данных (например, в стандарте RS-485) для увеличения нагрузочной способности выходов микросхем. Также они используются в схемах с открытым коллектором для согласования уровней напряжения.

Источники опорного напряжения

В стабилизаторах напряжения и источниках опорного напряжения эмиттерный повторитель (часто на составном транзисторе) служит для усиления тока стабилитрона или операционного усилителя, обеспечивая стабильное выходное напряжение при изменении нагрузки.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокое входное сопротивление — минимальное шунтирование источника сигнала.
• Низкое выходное сопротивление — способность работать на низкоомную нагрузку.
• Широкая полоса пропускания (по сравнению с каскадом с общим эмиттером) благодаря отсутствию эффекта Миллера.
• Простота схемотехники — требуется минимум внешних компонентов.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы — схема не усиливает напряжение, а лишь повторяет его.
• Наличие постоянного смещения (сдвига уровня) между входом и выходом (для биполярных транзисторов — около 0,6–0,7 В, для составных — 1,2–1,4 В). В некоторых применениях (например, в операционных усилителях) это требует дополнительных схем компенсации.
• Относительно низкий КПД в однотактных схемах класса A.

История

Принцип эмиттерного повторителя был впервые описан в середине XX века, вскоре после появления первых биполярных транзисторов (1947–1948 гг., лаборатория Bell Labs). Схема с общим коллектором быстро стала стандартным элементом аналоговой схемотехники благодаря своей простоте и эффективности. В 1950-х годах, с развитием транзисторной техники в СССР, эмиттерные повторители начали применяться в радиоприёмниках, усилителях и вычислительной технике. В 1960-х годах появились интегральные схемы, в которых эмиттерные повторители использовались в качестве согласующих каскадов на кристалле.

Интересные факты

• В англоязычной литературе эмиттерный повторитель часто называют «эмиттерным последователем» (emitter follower), что отражает его основное свойство — выходное напряжение «следует» за входным.
• В схемотехнике операционных усилителей (ОУ) эмиттерные повторители используются в выходных каскадах для обеспечения низкого выходного сопротивления и защиты от короткого замыкания.
• На основе эмиттерных повторителей строятся так называемые «токовые зеркала» — схемы, копирующие ток с высокой точностью, широко применяемые в аналоговых интегральных микросхемах.
• В высокочастотной технике (например, в радиопередатчиках) эмиттерные повторители могут работать на частотах до сотен мегагерц, если используются специальные высокочастотные транзисторы.

Источники

• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники» (The Art of Electronics), 3-е издание, 2015.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника», 12-е издание, 2008.
• Степаненко И. П. «Основы теории транзисторов и транзисторных схем», 4-е издание, 1977.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. «Электроника», 2-е издание, 1991.