Истоковый повторитель¶

Истоковый повторитель — это электронное устройство или каскад на полевом транзисторе, в котором выходной сигнал снимается с истока, а входной подаётся на затвор относительно общего провода. По принципу работы истоковый повторитель аналогичен эмиттерному повторителю на биполярных транзисторах: он обеспечивает усиление по току и мощности, но не по напряжению (коэффициент передачи напряжения близок к единице, но всегда меньше 1). Основное назначение истокового повторителя — согласование высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой, а также обеспечение широкой полосы пропускания и малого выходного сопротивления.

¶Принцип работы

Истоковый повторитель строится на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом или с изолированным затвором (MOSFET). В типовой схеме затвор является входом, сток подключается к шине питания (через резистор или непосредственно), а исток — к нагрузке и через резистор смещения к общему проводу. Выходной сигнал снимается с истока.

Входное напряжение \( U_{вх} \) прикладывается между затвором и общим проводом. Напряжение на истоке \( U_{и} \) повторяет входное с небольшим сдвигом, равным напряжению затвор-исток \( U_{зи} \). Поскольку \( U_{зи} \) зависит от тока стока, который, в свою очередь, определяется сопротивлением нагрузки и резистора в цепи истока, выходное напряжение оказывается чуть меньше входного. Коэффициент передачи по напряжению \( K_u \) рассчитывается как:

\[ K_u = \frac{R_н}{R_н + \frac{1}{S}} \]

где \( S \) — крутизна характеристики полевого транзистора (в сименсах), \( R_н \) — сопротивление нагрузки. Для типичных значений \( S \) (несколько мА/В) и \( R_н \) (сотни Ом — единицы кОм) \( K_u \) составляет 0,8–0,99.

¶Характеристики

¶Входное сопротивление

Входное сопротивление истокового повторителя очень высокое — от единиц мегаом до десятков гигаом, особенно при использовании полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET). Это делает его идеальным для согласования с высокоомными источниками, например, с пьезоэлектрическими датчиками, электретными микрофонами или выходами операционных усилителей с высоким выходным сопротивлением.

¶Выходное сопротивление

Выходное сопротивление истокового повторителя низкое, обычно от десятков до сотен Ом. Оно определяется как:

\[ R_{вых} = \frac{1}{S} \]

Для транзисторов с крутизной 10 мА/В выходное сопротивление составляет около 100 Ом. Это позволяет подключать низкоомные нагрузки (например, коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом) без значительного ослабления сигнала.

¶Коэффициент усиления по напряжению

Как уже отмечалось, \( K_u \) всегда меньше 1. Однако истоковый повторитель обеспечивает усиление по току: ток нагрузки может быть во много раз больше тока, потребляемого от источника сигнала. Коэффициент усиления по току \( K_i \) приблизительно равен коэффициенту передачи тока полевого транзистора (для MOSFET — практически бесконечен, для JFET — десятки-сотни). Усиление по мощности может достигать десятков децибел.

¶Частотные свойства

Истоковый повторитель обладает широкой полосой пропускания благодаря отсутствию эффекта Миллера (ёмкость затвор-сток не влияет на вход, так как сток заземлён по переменному току). Верхняя граничная частота может достигать сотен мегагерц и даже единиц гигагерц при использовании специализированных ВЧ-транзисторов.

¶Разновидности

¶Истоковый повторитель на JFET

На полевых транзисторах с p-n-переходом (JFET) истоковый повторитель имеет входное сопротивление порядка 1–10 МОм. Такие схемы используются в измерительной технике и аудиоаппаратуре.

¶Истоковый повторитель на MOSFET

На транзисторах с изолированным затвором (MOSFET) входное сопротивление достигает \( 10^{12} \) Ом и выше. Это позволяет подключать датчики с очень высоким внутренним сопротивлением, например, электростатические микрофоны или пьезоэлектрические акселерометры.

¶Двухтактный истоковый повторитель

Для повышения нагрузочной способности и уменьшения искажений применяют двухтактные схемы на комплементарных полевых транзисторах (n-канальном и p-канальном). Такие повторители используются в выходных каскадах усилителей мощности.

¶Истоковый повторитель с динамической нагрузкой

Вместо резистора в цепи истока устанавливают источник тока на полевом транзисторе. Это позволяет увеличить коэффициент передачи по напряжению (приблизить его к 1) и улучшить линейность.

¶Применение

¶Согласование импедансов

Истоковый повторитель применяется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Например, в измерительных усилителях, где датчик имеет выходное сопротивление 1 МОм, а кабель — 50 Ом.

¶Входные каскады усилителей

Благодаря высокому входному сопротивлению и низкому уровню собственных шумов, истоковые повторители используются во входных каскадах операционных усилителей, предусилителей для микрофонов и гитарных звукоснимателей.

¶Выходные каскады

В усилителях мощности истоковые повторители (часто двухтактные) обеспечивают низкое выходное сопротивление и возможность работы на низкоомную нагрузку (например, на динамики 4–8 Ом).

¶Буферные каскады

В цифровых и аналоговых микросхемах истоковые повторители применяются как буферы для изоляции внутренних цепей от внешних нагрузок и защиты от статического электричества.

¶Высокочастотная техника

В радиопередающих и приёмных устройствах истоковые повторители используются в каскадах усиления высокой частоты, смесителях и гетеродинах благодаря широкой полосе пропускания.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Очень высокое входное сопротивление.
• Низкое выходное сопротивление.
• Широкая полоса пропускания.
• Отсутствие эффекта Миллера.
• Простота схемотехники (малое количество компонентов).

¶Недостатки

• Коэффициент передачи по напряжению меньше 1 (ослабление сигнала).
• Необходимость в симметричном питании или дополнительном смещении для работы в линейном режиме.
• Чувствительность к разбросу параметров транзисторов (особенно крутизны).
• Ограниченная амплитуда выходного сигнала (из-за напряжения насыщения транзистора).

¶Сравнение с эмиттерным повторителем

Истоковый повторитель имеет более высокое входное сопротивление, чем эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе (у последнего оно ограничено входным сопротивлением базы, обычно 10–100 кОм). Выходное сопротивление истокового повторителя, как правило, выше, чем у эмиттерного (единицы-десятки Ом против долей Ома). Однако истоковый повторитель обеспечивает меньший уровень шумов и большую линейность в широком диапазоне частот.

¶Источники

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — 7-е изд. — М.: Мир, 2016. — Т. 1. — Глава 3: Полевые транзисторы.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — 12-е изд. — М.: ДМК Пресс, 2008. — Глава 8: Усилители на полевых транзисторах.
• Миллер Р. Транзисторные усилители: теория и расчёт. — М.: Энергия, 1975. — Глава 5: Повторители напряжения.
• Справочник по электронике / под ред. А. А. Куликовского. — М.: Радио и связь, 1988. — Раздел 2.4: Каскады на полевых транзисторах.