Как избежать ограничения сигнала в эмиттерном повторителе с емкостной развязкой нагрузки

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015

Alex Rysin

Electronic Design

В этой статье анализируется причина, по которой при подключении нагрузки через разделительный конденсатор может ограничиваться отрицательная полуволна сигнала, а также описываются условия, соблюдение которых позволяет избежать этой нежелательной ситуации.

Один инженер обратился ко мне за помощью после того, как столкнулся со странным явлением при тестировании макета узла своей системы. Он обнаружил «загадочное» ограничение сигнала на выходе эмиттерного повторителя. Как он рассказывал, проверяя работу повторителя с более тяжелой, чем обычно, резистивной нагрузкой (с меньшим сопротивлением), он не обнаружил никаких видимых искажений. Однако, после подключения его макетной платы к системе, появилось значительное ограничение нижней полуволны сигнала.

Глядя на схему, я увидел, что резистивный вход следующего устройства отвязан от повторителя конденсатором большой емкости. Я объяснил ему причину возникновения этого явления. Я понял также, что в отличие от чисто резистивной нагрузки, когда возможность возникновения ограничения сигнала достаточно очевидна, проблему, возникающую при подключении нагрузки через разделительный конденсатор, проектировщик может легко упустить из виду.

Однотранзисторный эмиттерный повторитель способен отдать столько вытекающего тока, сколько нужно нагрузке, разумеется, с учетом ограничений, накладываемых предельными параметрами транзистора. Однако транзистор не может принимать втекающий ток. При подключении нагрузки к повторителю через разделительный конденсатор это может приводить к искажениям выходного сигнала из-за его ограничения по причинам, которые далеко не всегда очевидны.

Прежде всего, давайте посмотрим на простой эмиттерный повторитель на NPN транзисторе (Рисунок 1а) и на очевидные причины возможных искажений, обусловленных ограничением сигнала. Положительное ограничение выходного сигнала относительно V_CC произойдет, если большой входной сигнал превысит V_CC примерно на 0.7 В и откроет переход база-коллектор транзистора Q1 (в нашем случае используется распространенный 2N2222). Выше точки ограничения этот переход начинает работать подобно диоду, шунтируя сигнал на шину V_CC. Если ток этого диода не ограничить входным резистором R_I соответствующего номинала, транзистор может быть поврежден.

а)
б)
в)
Рисунок 1.	Для анализа использована простейшая схема эмиттерного повторителя на широко распространенном транзисторе 2N2222 (а). Когда входной сигнал (зеленый) падает ниже VBE, выходной сигнал (красный) обрезается на уровне 0 В (б). При VOFF = 4 В ограничения сигнала не происходит (в).

Ограничение снизу происходит на отрицательной полуволне входного сигнала, если его уровень сигнала на базе транзистора становится меньше примерно 0.7 В (напряжение V_BE транзистора). В этом случае переход база эмиттер транзистора смещается в обратном направлении, ток эмиттера IE падает до нуля, и транзистор выключается. Вследствие этого нижняя часть выходного сигнала будет обрезаться на уровне нуля, пока входной сигнал не вернет транзистор в нормальный режим.

Вблизи точки ограничения ток эмиттера I_E мал, и уровень общих гармонических искажений повторителя (THD) возрастает. В случае синусоидального входного сигнала, чтобы не допустить ограничения, должно выполняться очевидное соотношение:

(1)

где

V_AMPL – пиковая амплитуда,
V_OFF – постоянное смещение входного синусоидального сигнала.

Описанное ограничение иллюстрируется результатами выполненного с помощью PSpice анализа переходных процессов в схеме при следующих значениях параметров:

• V_AMPL = 2 В,
• V_OFF = 2.3 В,
• частота сигнала 1 кГц.

В этом случае V_{I_MIN} = 0.3 В, и моделирование показывает ограничение нижней полуволны выходного сигнала (Рисунок 1б).

На Рисунке 1в представлены результаты анализа той же схемы при V_OFF = 4 В, что обеспечивало запас по уровню ограничения в 1.3 В. Теперь анализ переходных процессов показывает отсутствие ограничений или каких-либо иных заметных искажений выходного сигнала. Хотя, анализ Фурье в профиле моделирования показывает в выходном файле, что THD = 0.143%.

Увеличение нагрузки эмиттерного повторителя приводит к похожим результатам. Например, даже при R_E = 0.5 кОм (что составляет одну треть от значения, использованного в модели), в схеме на Рисунке 2а заметные искажения на диаграмме не наблюдаются, и лишь THD слегка увеличивается от 0.143% до 0.145%.

Далее, через конденсатор подключим к выходу повторителя нагрузочный резистор R_L. Емкость конденсатора C1 выбрана весьма большой (1 Ф), чтобы исключить возможность его вклада в искажения выходного сигнала по окончании переходного процесса. На первый взгляд, можно было бы ожидать того же результата моделирования, как и для схемы на Рисунке 1, но только без постоянной составляющей на R_L. Однако анализ переходного процесса показывает (Рисунок 2б) значительные ограничения сигналов на выходе и на эмиттере транзистора.

а)
б)
Рисунок 2.	В исходную схему эмиттерного повторителя добавлена емкостная развязка резистивной нагрузки. Включение развязывающего конденсатора между RE и RL приводит к значительным искажениям входного сигнала (зеленый), наблюдаемым на эмиттере транзистора (синийи на выходе повторителя (красный) (б).

Этот неочевидный результат имеет простое объяснение. В отсутствие входного сигнала конденсатор C1 заряжен до напряжения на эмиттере Q1. Во время положительной полуволны V_IN ток эмиттера Q1 разделяется между R_E и R_L (I_RE и I_RL, соответственно). Максимальный уровень эмиттерного тока равен:

Однако во время отрицательной полуволны V_IN, когда ток I_RE все еще вытекает из транзистора Q1, то есть, когда величина тока уменьшается, I_RL направлен в противоположную сторону – в Q1 и вычитается из I_RE.

Если результат этого вычитания будет отрицательным, ток I_{E_MIN} спадет до нуля, и выходной сигнал будет ограничен.

Причина, по которой I_RL течет обратно в Q1, также неочевидна. При отсутствии входного сигнала конденсатор C1 полностью заряжен. Постоянное напряжение V_E на его левой обкладке, превышающее по абсолютной величине минимальный уровень входного переменного сигнала (V_{AC_AMPL} = 2 В), в этом случае эквивалентно 4 – 0.7 = 3.3 В. Постоянная составляющая напряжения на правой обкладке конденсатора равна нулю.

Следовательно, во время отрицательной полуволны переменного напряжения падение напряжения на R_E повторяет входной сигнал, но из-за смещения всегда остается положительным. Текущая через R_E составляющая общего выходного тока равна напряжению на эмиттере Q1, деленному на R_E, и тоже положительна. Выходное напряжение V_O на верхнем по схеме выводе R_L также повторяет отрицательную полуволну входного сигнала, но постоянное смещение на нем равно нулю. Во время отрицательной полуволны оно тоже отрицательное. В этой области напряжение изменяется от нуля до отрицательного значения V_AMPL, из-за чего ток через R_L течет в противоположном направлении. I_RL здесь всегда меньше нуля.

Чтобы не столкнуться с проблемой ограничения, ток I_{E_MIN} всегда должен быть больше нуля:

или

(2)

Таким образом, чтобы не допустить ограничения сигнала в однотранзисторном эмиттерном повторителе с емкостной развязкой резистивной нагрузки, три переменные из Уравнения (2) должны подчиняться следующим ограничениям:

или

или

и также из Уравнения 1:

Ссылки

1. Alan B. Grebene, Bipolar and MOS analog integrated circuit design, Wiley - Interscience Publications, John Wiley & Sons.
2. Douglas Self, Small Signal Audio Design, Focal Press, 2010.
3. P. Horwitz, Winfield Hill; The Art of Electronics, Second Edition, Cambridge University Press, 1989.е транзистора (синийи на выходе повторителя (красный) (б).