Общий эмиттер

Тип электронного усилителя с использованием биполярного транзистора

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

В электронике усилитель с общим эмиттером — это одна из трех основных топологий однокаскадного усилителя на биполярном переходе (BJT), обычно используемая в качестве усилителя напряжения . Он обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (обычно 200), среднее входное сопротивление и высокое выходное сопротивление. Выход усилителя с общим эмиттером инвертирован; то есть для входного синусоидального сигнала выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов относительно входного. ^[1]

В этой схеме базовый вывод транзистора служит входом, коллектор — выходом, а эмиттер является общим для обоих (например, он может быть связан с заземлением или шиной питания ), отсюда и название. Аналоговая схема на полевом транзисторе — это усилитель с общим истоком , а аналоговая схема на лампе — это усилитель с общим катодом .

Вырождение эмиттера

Рисунок 2: Добавление эмиттерного резистора снижает усиление, но увеличивает линейность и стабильность.

Усилители с общим эмиттером дают усилителю инвертированный выход и могут иметь очень высокий коэффициент усиления , который может сильно различаться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления является сильной функцией как температуры, так и тока смещения, поэтому фактический коэффициент усиления несколько непредсказуем. Стабильность — еще одна проблема, связанная с такими схемами с высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи , которая может присутствовать.

Другие проблемы, связанные со схемой, — это низкий динамический диапазон входного сигнала, налагаемый пределом малого сигнала ; при превышении этого предела возникают высокие искажения , и транзистор перестает вести себя как его модель малого сигнала. Одним из распространенных способов решения этих проблем является вырождение эмиттера . Это относится к добавлению небольшого резистора между эмиттером и общим источником сигнала (например, заземлением или шиной питания ). Это сопротивление снижает общую крутизну схемы в , что делает усиление напряжения ${\displaystyle R_{\text{E}}}$ ${\displaystyle G_{m}=g_{m}}$ ${\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}+1}$

${\displaystyle A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {-g_{m}R_{\text{C}}}{g_{m}R_{\text{E}}+1}}\approx -{\frac {R_{\text{C}}}{R_{\text{E}}}},}$

где . ${\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}\gg 1}$

Коэффициент усиления напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов, а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора. Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет снижения коэффициента усиления. ${\displaystyle R_{\text{C}}/R_{\text{E}}}$

(Хотя это часто описывается как « отрицательная обратная связь », поскольку она снижает усиление, увеличивает входное сопротивление и уменьшает искажения, она появилась еще до изобретения усилителя с отрицательной обратной связью и не снижает выходное сопротивление или не увеличивает полосу пропускания, как это делал бы настоящий усилитель с отрицательной обратной связью. ^[2] )

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной гибридной пи-модели можно получить следующие характеристики малых сигналов .

Если резистор дегенерации эмиттера отсутствует, то , и выражения эффективно упрощаются до тех, что даны в крайнем правом столбце (обратите внимание, что коэффициент усиления напряжения является идеальным значением; фактический коэффициент усиления несколько непредсказуем). Как и ожидалось, при увеличении входное сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления напряжения уменьшается. ${\displaystyle R_{\text{E}}=0\,\Omega }$ ${\displaystyle R_{\text{E}}\,}$ ${\displaystyle A_{\text{v}}\,}$

Пропускная способность

Полоса пропускания усилителя с общим эмиттером имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости, возникающей из-за эффекта Миллера . Паразитная емкость база-коллектор выглядит как больший паразитный конденсатор (где отрицательно) от базы до земли . ^[3] Этот большой конденсатор значительно уменьшает полосу пропускания усилителя, поскольку он делает постоянной времени паразитного входного RC-фильтра , где — выходное сопротивление источника сигнала, подключенного к идеальной базе. ${\displaystyle C_{\text{CB}}\,}$ ${\displaystyle C_{\text{CB}}(1-A_{\text{v}})\,}$ ${\displaystyle A_{\text{v}}\,}$ ${\displaystyle r_{\text{s}}(1-A_{\text{V}})C_{\text{CB}}\,}$ ${\displaystyle r_{\text{s}}\,}$

Эту проблему можно решить несколькими способами, в том числе:

• Уменьшение величины коэффициента усиления напряжения (например, путем использования вырождения эмиттера). ${\displaystyle \left|A_{\text{v}}\right|\,}$
• Уменьшение выходного сопротивления источника сигнала, подключенного к базе (например, с помощью эмиттерного повторителя или другого повторителя напряжения ). ${\displaystyle r_{\text{s}}\,}$
• Использование каскодной конфигурации, которая вставляет буфер тока с низким входным импедансом (например, усилитель с общей базой ) между коллектором транзистора и нагрузкой. Эта конфигурация поддерживает напряжение коллектора транзистора примерно постоянным, тем самым делая усиление база-коллектор нулевым и, следовательно (в идеале) устраняя эффект Миллера.
• Использование топологии дифференциального усилителя , например, эмиттерного повторителя, управляющего усилителем с заземленной базой; при условии, что эмиттерный повторитель действительно является усилителем с общим коллектором , эффект Миллера устраняется.

Эффект Миллера отрицательно влияет на производительность усилителя с общим источником таким же образом (и имеет похожие решения). Когда сигнал переменного тока подается на транзисторный усилитель, он заставляет базовое напряжение VB колебаться по значению при сигнале переменного тока. Положительная половина приложенного сигнала вызовет увеличение значения VB, в свою очередь, увеличит базовый ток IB и вызовет соответствующее увеличение тока эмиттера IE и тока коллектора IC. В результате напряжение коллектор-эмиттер будет уменьшено из-за увеличения падения напряжения на RL. Отрицательное изменение сигнала переменного тока вызовет уменьшение IB, это действие затем вызовет соответствующее уменьшение IE через RL.

Его также называют усилителем с общим эмиттером, поскольку эмиттер транзистора является общим как для входной, так и для выходной цепи. Входной сигнал подается через землю и базовую цепь транзистора. Выходной сигнал появляется через землю и коллектор транзистора. Поскольку эмиттер подключен к земле, он является общим для сигналов, входа и выхода.

Схема с общим эмиттером является наиболее широко используемой из усилителей на транзисторах с переходом. По сравнению с общей базой она имеет более высокое входное сопротивление и более низкое выходное сопротивление. Для смещения легко использовать один источник питания. Кроме того, для работы с общим эмиттером (CE) обычно получают более высокие коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером получается из токов базы и коллектора. Поскольку очень небольшое изменение тока базы приводит к большому изменению тока коллектора, коэффициент усиления тока (β) всегда больше единицы для схемы с общим эмиттером, типичное значение составляет около 50.

Приложения

Усилитель напряжения низкой частоты

Типичный пример использования усилителя с общим эмиттером показан на рисунке 3.

Рисунок 3: Однотактный npn- усилитель с общим эмиттером и дегенерацией эмиттера. Связанная по переменному току схема действует как усилитель сдвига уровня. Здесь падение напряжения база-эмиттер предполагается равным 0,65 вольт.

Входной конденсатор C удаляет любую постоянную составляющую входа, а резисторы R ₁ и R ₂ смещают транзистор так, чтобы он оставался в активном режиме для всего диапазона входа. Выход представляет собой инвертированную копию переменной составляющей входа, которая была усилена отношением R _C / R _E и смещена на величину, определяемую всеми четырьмя резисторами. Поскольку R _C часто велико, выходное сопротивление этой схемы может быть чрезмерно высоким. Чтобы облегчить эту проблему, R _C поддерживается как можно более низким, а за усилителем следует буфер напряжения, такой как эмиттерный повторитель .

Радио

Усилители с общим эмиттером также используются в радиочастотных цепях, например, для усиления слабых сигналов, принимаемых антенной . [ ^{сомнительно – обсудить ] В} этом случае обычно заменяют нагрузочный резистор настраиваемой схемой. Это может быть сделано для ограничения полосы пропускания узкой полосой, центрированной вокруг предполагаемой рабочей частоты. Что еще более важно, это также позволяет схеме работать на более высоких частотах, поскольку настроенная схема может использоваться для резонирования любых межэлектродных и паразитных емкостей, которые обычно ограничивают частотную характеристику. Общие эмиттеры также обычно используются в качестве малошумящих усилителей .

Аудио

Усилители с общим эмиттером также используются для аудиоусилителей. Например, самодельное или любительское применение усилителя с общим эмиттером представлено в ^{[4] .}

Смотрите также

• Портал электроники

• Общая база
• Обычный коллектор
• Общие ворота
• Общий сток
• Общий источник
• Открытый коллектор
• Двухпортовая сеть

Ссылки

1. "Конфигурация BJT с общим эмиттером". Класс электротехники . Архивировано из оригинала 2021-06-05.
2. "Искажение и обратная связь". sound.whsites.net . Архивировано из оригинала 2016-12-20 . Получено 2016-01-27 . Хотя общепринято считать, что эмиттер ... дегенерация - это обратная связь, это верно лишь отчасти. ... она не влияет на эффективную полосу пропускания или выходное сопротивление. Гарольд Блэк изобрел отрицательную обратную связь, а не дегенерацию (которая предшествовала его изобретению).
3. Пол Горовиц и Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Cambridge University Press. стр. 102–104. ISBN 978-0-521-37095-0.
4. Однотранзисторный аудиоусилитель - Как работает усилитель с общим эмиттером https://youtube.com/watch/QGInwQa_XEM

Внешние ссылки

• Моделирование схемы усилителя с общим эмиттером или моделирование транзисторного усилителя с общим эмиттером
• Базовые конфигурации усилителей на биполярных транзисторах
• Усилитель с общим эмиттером NPN – HyperPhysics
• ECE 327: Основы транзисторов – Приводится пример схемы с общим эмиттером с пояснениями.