Обычный коллектор

Тип транзисторного усилителя

Рисунок 1: Базовая схема NPN с общим коллектором (без учета деталей смещения ).

В электронике усилитель с общим коллектором (также известный как эмиттерный повторитель ) — одна из трех основных топологий однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе (БПТ) , обычно используемая в качестве буфера напряжения .

В этой схеме базовый вывод транзистора служит входом, эмиттер — выходом, а коллектор является общим для обоих (например, он может быть связан с заземлением или шиной питания ), отсюда и название. Аналоговая схема полевого транзистора — это усилитель с общим стоком , а аналоговая схема трубки — это катодный повторитель .

Основная схема

Рисунок 2: Усилитель с отрицательной обратной связью

Схему можно объяснить, рассматривая транзистор как находящийся под контролем отрицательной обратной связи. С этой точки зрения каскад с общим коллектором (рис. 1) представляет собой усилитель с полной последовательной отрицательной обратной связью . В этой конфигурации (рис. 2 с β = 1) все выходное напряжение V _out размещается напротив и последовательно с входным напряжением V _in . Таким образом, два напряжения вычитаются в соответствии с законом напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализован только входным контуром), и их разность V _diff = V _in − V _out прикладывается к переходу база-эмиттер. Транзистор непрерывно отслеживает V _diff и регулирует свое эмиттерное напряжение так, чтобы оно равнялось V _in минус в основном постоянное V _{BE ,} пропуская ток коллектора через эмиттерный резистор R _E . В результате выходное напряжение следует изменениям входного напряжения от V _BE до V ₊ ; отсюда и название «эмиттерный повторитель».

Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что V _BE очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (в хорошем приближении) непосредственно на эмиттер. Оно немного зависит от различных помех (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен, и т. д.), поскольку транзистор реагирует на эти помехи и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.

Математически можно показать, что схема с общим коллектором имеет коэффициент усиления напряжения , близкий к единице:

${\displaystyle A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\approx 1.}$

Рисунок 3: PNP-версия схемы эмиттерного повторителя, все полярности поменяны местами.

Небольшое изменение напряжения на входном терминале будет воспроизведено на выходе (в небольшой степени в зависимости от коэффициента усиления транзистора и значения сопротивления нагрузки ; см. формулу коэффициента усиления ниже). Эта схема полезна, поскольку имеет большое входное сопротивление

${\displaystyle r_{\text{in}}\approx \beta _{0}R_{\text{E}},}$

поэтому он не будет нагружать предыдущую схему, и небольшое выходное сопротивление

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{E}}\parallel R_{\text{source}}}{\beta _{0}}},}$

поэтому он может управлять нагрузками с низким сопротивлением.

Обычно сопротивление эмиттера значительно больше и его можно исключить из уравнения:

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{source}}}{\beta _{0}}}.}$

Приложения

Рисунок 4: Повторитель напряжения NPN со смещением источника тока , подходящий для интегральных схем

Низкое выходное сопротивление усилителя с общим коллектором позволяет источнику с большим выходным сопротивлением управлять малым сопротивлением нагрузки без изменения ее напряжения. Таким образом, эта схема находит применение в качестве буфера напряжения . Другими словами, схема имеет усиление тока (которое в значительной степени зависит от h _FE транзистора) вместо усиления напряжения. Небольшое изменение входного тока приводит к гораздо большему изменению выходного тока, подаваемого на выходную нагрузку.

Одним из аспектов буферного действия является преобразование импедансов. Например, сопротивление Тевенина комбинации повторителя напряжения, управляемого источником напряжения с высоким сопротивлением Тевенина, уменьшается до выходного сопротивления повторителя напряжения (маленькое сопротивление). Это уменьшение сопротивления делает комбинацию более идеальным источником напряжения. И наоборот, повторитель напряжения, вставленный между малым сопротивлением нагрузки и управляющим каскадом, представляет большую нагрузку для управляющего каскада — преимущество в соединении сигнала напряжения с малой нагрузкой.

Эта конфигурация обычно используется в выходных каскадах усилителей класса B и класса AB . Базовая схема модифицирована для работы транзистора в режиме класса B или AB. В _режиме класса A иногда вместо RE используется активный источник тока (рис. 4) для улучшения линейности и/или эффективности. ^[1]

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной гибридной пи-модели можно получить следующие характеристики малых сигналов . (Параметр и параллельные линии указывают на параллельно включенные компоненты .) ${\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}$

Где - эквивалентное сопротивление источника Тевенена . ${\displaystyle R_{\text{source}}\ }$

Производные

Рисунок 5: Схема малого сигнала, соответствующая рисунку 3, использующая гибридную пи-модель для биполярного транзистора на частотах, достаточно низких, чтобы игнорировать емкости биполярного устройства.

Рисунок 6: Низкочастотная схема малого сигнала для биполярного повторителя напряжения с тестовым током на выходе для определения выходного сопротивления. Резистор . ${\displaystyle R_{\text{E}}=R_{\text{L}}\parallel r_{\text{O}}}$

На рисунке 5 показана низкочастотная гибридная пи-модель для схемы рисунка 3. Используя закон Ома , были определены различные токи, и эти результаты показаны на диаграмме. Применяя закон тока Кирхгофа на эмиттере, находим:

${\displaystyle (\beta +1){\frac {v_{\text{in}}-v_{\text{out}}}{R_{\text{S}}+r_{\pi }}}=v_{\text{out}}\left({\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}}\right).}$

Определите следующие значения сопротивления:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}}$

Затем, собирая члены, находим коэффициент усиления по напряжению:

${\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {1}{1+{\frac {R}{R_{\text{E}}}}}}.}$

Из этого результата следует, что усиление приближается к единице (как и ожидалось для буферного усилителя ), если отношение сопротивлений в знаменателе мало. Это отношение уменьшается с большими значениями усиления по току β и с большими значениями . Входное сопротивление находится как ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{in}}&={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{b}}}}={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{1-A_{\text{v}}}}\\&=\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\text{E}}}{R}}\right)\\&=R_{\text{S}}+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}.\end{aligned}}}$

Выходное сопротивление транзистора обычно велико по сравнению с нагрузкой , и поэтому доминирует . Из этого результата следует, что входное сопротивление усилителя намного больше выходного сопротивления нагрузки для большого коэффициента усиления тока . То есть, размещение усилителя между нагрузкой и источником представляет большую (высокоомную) нагрузку для источника, чем прямое соединение с , что приводит к меньшему затуханию сигнала в сопротивлении источника вследствие деления напряжения . ${\displaystyle r_{\text{O}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{E}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{S}}}$

На рисунке 6 показана схема малого сигнала рисунка 5 с закороченным входом и тестовым током, поданным на выход. Выходное сопротивление находится с использованием этой схемы как

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}.}$

Используя закон Ома, были найдены различные токи, как показано на диаграмме. Собирая термины для базового тока, базовый ток находится как

${\displaystyle (\beta +1)i_{\text{b}}=i_{\text{x}}-{\frac {v_{\text{x}}}{R_{\text{E}}}},}$

где определено выше. Используя это значение для тока базы, закон Ома дает ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle v_{\text{x}}=i_{\text{b}}\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right).}$

Подставляя базовый ток и собирая термины,

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}=R\parallel R_{\text{E}},}$

где || обозначает параллельное соединение, и определено выше. Поскольку обычно представляет собой небольшое сопротивление, когда коэффициент усиления по току велик, доминирует выходное сопротивление, которое, следовательно, также мало. Малое выходное сопротивление означает, что последовательное соединение исходного источника напряжения и повторителя напряжения представляет собой источник напряжения Тевенена с более низким сопротивлением Тевенена в его выходном узле; то есть сочетание источника напряжения с повторителем напряжения делает более идеальный источник напряжения, чем исходный. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle R}$

Смотрите также

• Портал электроники

• Общая база
• Общий эмиттер
• Общие ворота
• Общий сток
• Общий источник
• контакт питания ИС
• Открытый коллектор
• Двухпортовая сеть

Ссылки

1. Род Эллиот: 20-ваттный усилитель мощности класса А

Внешние ссылки

• R Victor Jones: Базовые конфигурации усилителей на биполярных транзисторах
• Усилитель с общим коллектором NPN — HyperPhysics
• Теодор Павлик: ECE 327: Основы транзисторов; часть 6: npn-эмиттерный повторитель
• Дуг Гингрич: Усилитель с общим коллектором, Университет Альберты
• Рэймонд Фрей: Лабораторные упражнения Университет Орегона