Повторитель напряжения
Повторитель напряжения — это вид усилителя, имеющего высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления равный единице. Повторители напряжения широко используются в электронных контрольно-измерительных устройствах.
Схема операционного усилителя: суммирующее и опорное соединения
Принцип действия повторителя напряжения
Соединение цепи обратной связи и инвертирующего входа в операционном усилителе называют суммирующим соединением, поскольку напряжение на этом соединении представляет собой сумму входного напряжения и напряжения обратной связи. Операционные усилители устроены так, чтобы напряжение на суммирующем соединении было равно напряжению на неинвертирующем входе. О суммирующем соединении говорят, что оно стремится иметь напряжение, равное напряжению на неинвертирующем входе. Иными словами, напряжение на неинвертирующем входе служит «эталоном» или опорным напряжением для суммирующего соединения. Поскольку неинвертирующий вход служит «эталоном», для суммирующего соединения, неинвертирующий вход называют «опорным» соединением. Таким образом, можно также сказать, что напряжение на суммирующем соединении всегда стремится быть равным напряжению на опорном соединении. Эта взаимозависимость справедлива для всех операционных усилителей, и понимание ее является ключевым моментом для понимания работы операционных усилителей и определения выходных состояний схем.
В операционном усилителе, термины «вход» и «соединение» означают одно и то же, поскольку нет других точек на неинвертирующем входе, образующих соединения. Но в других схемах, где может быть подсоединена другая цепь, и перед входом образовано еще одно соединение, эти термины имеют разные значения; неинвертирующий вход представляет собой точку, где схема соединена с общей схемой на кристалле, а опорное соединение — это точка, где две схемы образуют общее соединение. Этот вопрос будет рассмотрен более подробно позже в настоящем учебном пособии.
Как пример работы схемы, предположим, что на инвертирующий вход подано 0 В, а на неинвертирующий вход подано +1 В. Напряжение на суммирующем соединении будет +1 В, поскольку напряжение на суммирующем соединении стремится быть равным напряжению на опорном соединении (неинвертирующем входе), то есть в данном случае +1 В.
Может возникнуть вопрос: откуда берется напряжение на суммирующем соединении? Ответ кроется в выходном напряжении и цепи отрицательной обратной связи. В данном типе схем цепь отрицательной обратной связи представляет собой короткозамкнутую цепь между суммирующем соединением и выходом. Поэтому любое напряжение, появляющееся на выходе, также появляется на суммирующем соединении, поскольку с точки зрения электрической цепи эти две точки равны.
Повторитель напряжения имеет характеристики, сходные с характеристиками эмиттерного повторителя, а именно коэффициент усиления единица, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Такие характеристики делают повторитель напряжения отличным буферным устройством.
Буфер представляет собой особый вид схемы, служащей для электрической изоляции между собой двух разных схем. Буфер обладает очень высоким входным сопротивлением, так что он не требует особо много тока от источника сигнала. Его выходное сопротивление при этом очень низкое, что образует хороший источник сигналов. Тщательный контроль входных и выходных сопротивлений буферных схем (заложенной в их конструкции) позволяет буферу точно согласовывать выходное сопротивление одной схемы с входным сопротивлением другой.
10.2. Повторители напряжения
Повторителями напряжения называют усилители с коэффициентом усиления напряжения, близким к единице, не изменяющие полярность (фазу) входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями (по сравнению с простейшим усилительным каскадом). В качестве простейших повторителей напряжения используются схемы с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и схемы с общим стоком (истоковый повторитель).
10.2.1. Эмиттерный повторитель
Принципиальная схема эмиттерного повторителя показана на рис. 10.9,д, его малосигнальная эквивалентная схема – на рис. 10.9,6.
В схеме коллектор через малое внутреннее сопротивление источника питания соединен с общей шиной каскада, т.е. вывод от коллекторного электрода является общей точкой входной и выходной цепей и схему можно считать схемой включения с общим коллектором. Отметим, что в рассматриваемом каскаде шина будет общей лишь по переменному сигналу, для которого сопротивление источника питания очень мало и, как правило, определяется его большой выходной емкостью.
Анализируя эквивалентную схему каскада, можно получить формулу для коэффициента передачи малого сигнала в нагрузку, которой в этой схеме является резистор 
в эмиттерной цепи:
где 
. Поэтому
(10.16)
Если, например, Rr= 0, RЭ =5 кОм, rЭ = 250м, rБ = 150 Ом, 
= 100, тоКU ≈ 0,995. При Rr = 2 кОм КU уменьшается до 0,991. Если параллельно RЭ присоединена внешняя нагрузка RН, то в формулу (10.16) вместо RЭ следует подставить RЭ || RН.
Из (10.16) следует, что КU > 0, т.е. повторитель не меняет полярность сигнала или в случае синусоидального сигнала не меняет его фазы (конечно, при достаточно низких частотах, так как в эквивалентной схеме не учтены емкости). Несмотря на то что коэффициент усиления КU близок к единице, повторитель относится к классу усилителей: он усиливает ток, так как 
, а 
>>1.
Входное сопротивление повторителя можно найти, как и в случае простейшего усилителя. Оно оказывается равным 
. Если пренебречь сопротивлениямиrЭ и rБ, то
(10.17)
Заметим, что при наличии внешней нагрузки, подключенной параллельно RЭ, 
(как иКU) уменьшается.
Часто возникает задача увеличения 
. Этого можно добиться увеличением сопротивления резистора
практически без изменения
. Однако этот способ ограничен тем, что для сохранения прежнего тока
в рабочей точке необходимо повышать напряжение источника питания
. Практически приходится либо использовать источник стабильного тока 
в эмиттерной цепи (рис. 10.10,а), либо применять схему с составным транзистором (схему Дарлингтона), показанную на рис. 10.10,б.
Источник стабильного тока будет рассмотрен в § 10.4. Характерной особенностью идеального источника тока является бесконечно большое дифференциальное сопротивление 
(внутреннее сопротивление). Следовательно, вместо 
в (10.17) надо подставить 
, и поэтому
. Однако реально
ограничивается дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода, выраженного через
(рис. 10.9,б). Так как
, то ток будет определяться сопротивлением
. Следовательно, максимально возможное входное сопротивление (как и любого усилителя)
(10.17а)
При 
= 1 мА
составляет 2. 3 МОм. С уменьшением тока
возрастает, но предельное значение определяется поверхностной утечкой коллекторного перехода. При конечном сопротивлении источника
повторителя будет меньше
; его можно оценивать в пределе как параллельное соединение сопротивлений
и
.
Входное сопротивление повторителя на составном транзисторе по формуле (10.17а) из-за большого коэффициента 
легко достигает больших значений даже при сравнительно малом сопротивлении
. Например, если
= 2 кОм, 
= 2000, то расчетное значение
= 4 МОм, а реальное значение (как и в предыдущем случае) ограничено сопротивлением
.
Выходное сопротивление повторителя можно найти по эквивалентной схеме, пользуясь определением (10.9). При 
, гдеКU определяется по формуле (10.16). При 
= 0
Используя (10.9), получаем
(10.18)
Обычно 
>>
, а 
слабо шунтирует цепь. Поэтому в реальных схемах повторителей можно пользоваться упрощенной формулой
(10.18a)
Как видно, выходное сопротивление зависит от сопротивления источника входного сигнала 
. Однако при достаточно больших значениях
, например при использовании составных транзисторов, вторым слагаемым в (10.18а) можно пренебречь. Тогда выходное сопротивление минимально и определяется только дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода, т.е.
(10.19)
Следует заметить, что отношение 
у эмиттерного повторителя несравненно больше, чем у простейшего усилительного каскада и дифференциального каскада (см. § 10.3). Отношение
из (10.18а) и (10.19) равно отношению
, которое обычно более 50 000. Поэтому повторитель широко используется в качестве буферного каскада, позволяя обеспечить связь низкоомной нагрузки с высокоомным источником сигнала, осуществляя при этом усиление тока, а следовательно, и мощности.
Повторитель напряжения на ОУ. Принцип работы
Повторитель напряжения — это самый простой из возможных усилителей, обладающих отрицательной обратной связью (ООС). Выходное напряжение точно равно входному напряжению. Если оно ничем не отличаются, то вы можете спросить — зачем это нужно, если от этого ничего не изменяется?
Суть в том, что речь идет о напряжении, а не о токе. Так вот, повторитель напряжения почти не потребляет тока от источника сигнала, и позволяет получить довольно высокий ток со своего выхода.
Нам часто приходится иметь дело с активными радиокомпонентами, которые имеют очень малый выходной ток. Примером такого компонента является микрофон или фототранзистор. Подключение к ним элементов с низким сопротивлением приведет к уменьшению напряжения выходного сигнала, генерируемого этими источниками.
В такой ситуации имеет смысл использовать повторитель напряжения. Он имеет высокое входное сопротивление, поэтому он не снижает и не искажает входной сигнал, а так же обладает низким выходным сопротивлением, что позволяет подключить энергоемкие компоненты, например, светодиод.
Чтобы понять, как работает повторитель напряжения, мы должны знать три элементарных правила, определяющие работу операционного усилителя:
Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.
Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток
Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.
Предположим, что входное напряжение стало 3В, а в настоящее время на выходе у нас 1В. Что произойдет? Усилитель определяет, что между инвертирующим входом (-) и неинвертирующим (+) разница составляет 2В.
Поэтому, в соответствии с правилом №1, выходное напряжение увеличивается до тех пор, пока напряжения на входах не сравняют. Ситуацию дополнительно упрощает тот факт, что выход соединен непосредственно с инвертирующим входом (-), и это неизбежно приводит к тому, что напряжение на этих двух выводах становиться одинаковым.
Повторитель напряжения
Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремиться к Rвых каскада с общим эмиттером, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при Rr=0.
Rвх=Rб+(1+h21э)Rн
Rвых=Rэ+(Rr+Rб)/(1+h21э)
где Rб — сопротивление базы (1. 20 Ом и более);
h21э — коэффициент передачи тока;
Rэ=Fт/Iк(ма);
Fт=25мВ — температурный потенциал;
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.
Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от Сн и грубо может быть оценена как Сн/h21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определении Сн эмиттерный повторители могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее опасным следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятнообъяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала:
При передаче фронта к току транзистора помимо тока Iэ=Uвых/Rэ добавляется ток заряда Сн.
При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекаюший через Rэ, а не через транзистор. Если Uвх будет снижаться быстрее перезаряда Сн, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.
Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений Fmax=Iэ/2nUmCn , где Um — амплитуда сигнала.
Как видно из формулы, расширить полосу пропускания эмиттерного повторителя можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в эмиттерном повторителе носят пилообразный характер:
2. Повторитель на составном транзисторе Шиклаи.
Rвх>1МОм, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10Гц до 100 кГц.
3.Составной транзистор со следящей связью в цепи базы.
Из-за огромного входного сопротивления повторителей на составных транзисторах особенно остро встаёт о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор или следящую связь в цепи базы:
Для того что бы искусственно увеличить сопротивление Rк и исключить (нейтрализовать) влияние ёмкости Ск , т.е. исключить её перезаряд, необходимо что бы напряжение Uкб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал Uк1 пропорционально потенциалу Uб1, ток через Rк и Ск станет равным нулю, а это равноценно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подаётся переменная составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой ёмкости:
или с помощью стабилитрона,схемы сдвига уровня:
или с помощью истокового повторителя:
Аналогичная идея реализована в широкополосном повторителе:
4.Эмиттерный повторитель с повышенным быстродействием.
Реализован за счёт быстродействующей линейной положительной обратной связи с помощью транзисторов VT1-VT3.
5.Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности.
Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1, VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно Rвх, равному безконечности.
6. Повторитель с увеличинным входным сопротивлением.
Rвх практически не зависит от h21э.
7.Высоколинейный эмиттерный повторитель с высокой нагрузочной способностью.
Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки: Rн=>R3/2
Для того,что бы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо что бы напряжение Uэб было постоянно во всём диапазоне изменения входного напряжения.
Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого надо в предыдущей схеме токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки:
8.Простейший двухтактный эмиттерный повторитель.
Резистор R уменьшает искажения типа «ступенька» в момент перехода через ноль (т.е. во время отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0.4. 0.5 В) не целесообразно.
Введение смещения с помощью диодов или другого генератора напряжения позволяет избавитьтся от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.
9.Эмиттерный повторитель с увеличенным входным сопротивлением с помощью следящей обратной связи.
10. Выходной каскад на квазикомплементарной паре.
Верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогично VT4, VT5, симметрируютвходное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2..3 раза.
11.Двухтактные каскады.
По схеме Шиклаи (недостаток — возникновение больших сквозных токов при перегрузках, особенно на высоких частотах)
По схеме Дарлингтона
Повторитель по схеме Шиклаи и Дарлингтона
12.Схемы, позволяющие достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.
13.Повторитель с высокой термостабильностью.
Недостаток — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искаженияв виде нечётных гармоник.
С повышенной нагрузочной способностью
14.Повторитель с повышенной нагрузочной способностью.
Повышенная нагрузочная способность достигнута за счёт введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов.