Общий эмиттер

Тип электронного усилителя на биполярном транзисторе.

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

В электронике усилитель с общим эмиттером представляет собой одну из трех основных топологий усилителя на однокаскадном биполярном транзисторе (BJT), обычно используемом 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; т.е. 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 подключен к заземлению или шине питания ), отсюда и его название. Аналогичная схема на полевом транзисторе представляет собой усилитель с общим истоком , а аналогичная ламповая схема представляет собой усилитель с общим катодом .

Вырождение эмиттера

Рисунок 2. Добавление эмиттерного резистора снижает коэффициент усиления, но увеличивает линейность и стабильность.

Усилители с общим эмиттером дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления , который может сильно варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от 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.

Другими проблемами, связанными со схемой, являются низкий входной динамический диапазон , обусловленный ограничением слабого сигнала ; При превышении этого предела возникают высокие искажения , и транзистор перестает вести себя так, как его модель с малым сигналом. Одним из распространенных способов решения этих проблем является дегенерация эмиттера . Это относится к добавлению небольшого резистора между эмиттером и общим источником сигнала (например, опорной землей или шиной питания ). Этот импеданс уменьшает общую крутизну цепи в 1 раз , что приводит к увеличению коэффициента усиления по напряжению. ${\displaystyle R_{\text{E}}}$ ${\displaystyle G_{m}=g_{m}}$ ${\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}+1}$

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

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

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

(Хотя это часто называют « отрицательной обратной связью », поскольку оно уменьшает усиление, повышает входное сопротивление и уменьшает искажения, оно предшествует изобретению усилителя с отрицательной обратной связью и не уменьшает выходное сопротивление или не увеличивает полосу пропускания, как настоящий усилитель с отрицательной обратной связью. сделал бы ^[2] )

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной модели гибридного пи можно получить следующие характеристики слабого сигнала .

Если эмиттерный резистор вырождения отсутствует, то , и выражения эффективно упрощаются до значений, приведенных в крайнем правом столбце (обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению является идеальным значением; фактическое усиление несколько непредсказуемо). Как и ожидалось, при увеличении входное сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления по напряжению 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 в результате эффекта Миллера . Паразитная емкость база-коллектор выглядит как больший паразитный конденсатор ( отрицательный ) между базой и землей . ^[3] Этот большой конденсатор значительно уменьшает полосу пропускания усилителя, поскольку он создает постоянную времени паразитного входного RC-фильтра , где — выходное сопротивление источника сигнала, подключенного к идеальной базе. ${\displaystyle C_{\text{CB}}\,}$ ${\displaystyle C_{\text{CB}}(1-A_{\text{v}})\,}$ ${\displaystyle A_{\text{v}}\,}$ ${\displaystyle r_{\text{s}}(1-A_{\text{V}})C_{\text{CB}}\,}$ ${\displaystyle r_{\text{s}}\,}$

Проблему можно решить несколькими способами, в том числе:

• Уменьшение величины усиления по напряжению (например, за счет 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, при которой между коллектором транзистора и нагрузкой вставляется токовый буфер с низким входным сопротивлением (например, усилитель с общей базой ). Эта конфигурация поддерживает примерно постоянное напряжение коллектора транзистора, тем самым сводя коэффициент усиления между базой и коллектором к нулю и, следовательно (в идеале) устраняя эффект Миллера.
• Использование топологии дифференциального усилителя, такой как эмиттерный повторитель , управляющий усилителем с заземленной базой; пока эмиттерный повторитель действительно является усилителем с общим коллектором , эффект Миллера устраняется.

Эффект Миллера аналогичным образом отрицательно влияет на характеристики усилителя с общим истоком (и имеет аналогичные решения). Когда сигнал переменного тока подается на транзисторный усилитель, это вызывает колебания базового напряжения VB при сигнале переменного тока. Положительная половина приложенного сигнала вызовет увеличение значения VB. Этот поворот увеличит базовый ток IB и вызовет соответствующее увеличение тока эмиттера IE и тока коллектора IC. В результате напряжение коллектор-эмиттер снизится из-за увеличения падения напряжения на RL. Отрицательное изменение сигнала переменного тока вызовет уменьшение IB, это действие затем вызывает 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 на землю и базовую цепь транзистора. Выходной сигнал появляется на земле и коллекторе транзистора. Поскольку эмиттер подключен к земле, он является общим для сигналов, входных и выходных.

Схема с общим эмиттером является наиболее широко используемой в усилителях на переходных транзисторах. По сравнению с соединением с общей базой он имеет более высокое входное сопротивление и меньшее выходное сопротивление. Для смещения легко использовать один источник питания. Кроме того, при работе с общим эмиттером (CE) обычно достигается более высокий коэффициент усиления по напряжению и мощности.

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером получается из токов цепи базы и коллектора. Поскольку очень небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора, коэффициент усиления по току (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: Несимметричный усилитель npn с общим эмиттером и вырождением эмиттера. Схема, связанная по переменному току, 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 R1 _и R2 _{смещают} транзистор так, что он остается в активном режиме во всем диапазоне входного сигнала. Выходной сигнал представляет собой инвертированную копию составляющей переменного тока на входе _, которая была усилена соотношением RC / RE и сдвинута на величину, определяемую всеми четырьмя резисторами _. Поскольку R _C часто бывает большим, выходное сопротивление этой схемы может быть непомерно высоким. Чтобы решить эту проблему, R _C поддерживается как можно более низким, а за усилителем следует буфер напряжения , подобный эмиттерному повторителю .

Радио

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

Аудио

Усилители с общим эмиттером также используются в усилителях звука. Например, применение усилителя с общим эмиттером, сделанное своими руками или любителем, представлено в ^{[4] .}

Смотрите также

• Портал электроники

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

Рекомендации

1. «Конфигурация BJT с общим эмиттером» . Электротехнический класс . Архивировано из оригинала 5 июня 2021 г.
2. «Искажение и обратная связь». sound.whsites.net . Архивировано из оригинала 20 декабря 2016 г. Проверено 27 января 2016 г. Хотя принято считать, что эмиттерная... дегенерация - это обратная связь, это верно лишь отчасти. ... это 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.). Издательство Кембриджского университета. стр. 102–104. ISBN 978-0-521-37095-0.
4. Однотранзисторный усилитель звука - как работает усилитель с общим эмиттером https://youtube.com/watch/QGInwQa_XEM

Внешние ссылки

• Моделирование схемы усилителя с общим эмиттером или моделирование усилителя на транзисторе с общим эмиттером
• Базовые конфигурации BJT-усилителей
• Усилитель с общим эмиттером NPN — Гиперфизика
• ECE 327: Основы транзисторов. Приводится пример схемы с общим эмиттером с пояснениями.