Общий коллектор

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

В электронике усилитель общим коллектором с (также известный как эмиттерный повторитель усилителя на однокаскадном биполярном переходном транзисторе (BJT) ) представляет собой одну из трех основных топологий , обычно используемом в качестве буфера напряжения .

В этой схеме базовый вывод транзистора служит входом, эмиттер — выходом, а коллектор является общим для обоих (например, он может быть подключен к заземлению или шине питания ), отсюда и его название. Аналогичная на полевом транзисторе схема представляет собой усилитель с общим стоком , а аналогичная ламповая схема — катодный повторитель .

Базовая схема

Рисунок 2. Усилитель с отрицательной обратной связью.

Эту схему можно объяснить, рассматривая транзистор как находящийся под управлением 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 расположено 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 реализуется только входным контуром), а их разность V _diff = V _in − V _out прикладывается к переходу база-эмиттер. . Транзистор постоянно контролирует V _{разницу напряжения} и регулирует напряжение своего эмиттера до значения V _минус практически постоянное значение V _BE, пропуская ток коллектора через эмиттерный резистор R _E . В результате выходное напряжение следует за изменениями входного напряжения VBE _от до V ₊ ; отсюда и название «эмиттерный повторитель».

Интуитивно это поведение можно также понять, осознав, что V _BE очень нечувствителен к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (в хорошем приближении) непосредственно на эмиттер. Оно незначительно зависит от различных возмущений (допусков транзистора, изменений температуры, сопротивления нагрузки, коллекторного резистора, если он добавлен и т. д.), поскольку транзистор реагирует на эти возмущения 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 по напряжению , почти равный единице:

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

Рисунок 3: PNP-версия схемы эмиттер-повторитель, все полярности перепутаны.

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

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

поэтому он не будет нагружать предыдущую схему и имеет небольшой выходной импеданс

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

поэтому он может управлять нагрузками с низким сопротивлением.

Обычно эмиттерный резистор значительно больше и его можно исключить из уравнения:

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

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 нагрузкой с небольшим сопротивлением без изменения ее напряжения. напряжения Таким образом, эта схема находит применение в качестве буфера . Другими словами, схема имеет коэффициент усиления по току (который во многом зависит от h _FE транзистора), а не коэффициент усиления по напряжению. 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 Тевенена комбинации повторителя напряжения, приводимого в действие источником напряжения с высоким сопротивлением Тевенена, уменьшается только до выходного сопротивления повторителя напряжения (небольшое сопротивление). Такое снижение сопротивления делает данную комбинацию более идеальным источником напряжения. И наоборот, повторитель напряжения, вставленный между небольшим сопротивлением нагрузки и каскадом возбуждения, создает большую нагрузку на каскад возбуждения, что является преимуществом при подаче сигнала напряжения на небольшую нагрузку.

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

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной модели гибридного пи следующие характеристики слабого сигнала можно получить . (Параметр $\beta =g_{m}r_{\pi }$ параллельные . линии указывают на параллельное соединение компонентов )

	Определение	Выражение	Примерное выражение	Условия
Текущий выигрыш	$A_{\mathrm {i} }={i_{\text{out}} \over i_{\text{in}}}$	$\beta _{0}+1\$	$\approx \beta _{0}$	$\beta _{0}\gg 1$
Усиление напряжения	$A_{\mathrm {v} }={v_{\text{out}} \over v_{\text{in}}}$	${g_{m}R_{\text{E}} \over g_{m}R_{\text{E}}+1}$	$\approx 1$	$g_{m}R_{\text{E}}\gg 1$
Входное сопротивление	$r_{\text{in}}={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}$	$r_{\pi }+(\beta _{0}+1)R_{\text{E}}\$	$\approx \beta _{0}R_{\text{E}}$	$(g_{m}R_{\text{E}}\gg 1)\wedge (\beta _{0}\gg 1)$
Выходное сопротивление	$r_{\text{out}}={\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}$	$R_{\text{E}}\parallel {r_{\pi }+R_{\text{source}} \over \beta _{0}+1}$	$\approx {1 \over g_{m}}+{R_{\text{source}} \over \beta _{0}}$	$(\beta _{0}\gg 1)\wedge (r_{\text{in}}\gg R_{\text{source}})$

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

Выводы

Рисунок 5: Схема слабого сигнала, соответствующая рисунку 3, с использованием модели гибридного пи для биполярного транзистора на частотах, достаточно низких, чтобы игнорировать емкости биполярного устройства.

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

На рисунке 5 показана низкочастотная гибридная пи-модель для схемы, показанной на рисунке 3. С помощью закона Ома были определены различные токи, и эти результаты показаны на диаграмме. Применяя текущий закон Кирхгофа к эмиттеру, получаем:

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

Определите следующие значения сопротивления:

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

Затем, собирая слагаемые, находим коэффициент усиления по напряжению:

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

Из этого результата коэффициент усиления приближается к единице (как и ожидалось для буферного усилителя ), если отношение сопротивлений в знаменателе мало. Это соотношение уменьшается с увеличением значения коэффициента усиления по току β и с увеличением значения $R_{\text{E}}$.Входное сопротивление находится как

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

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

На рис. 6 показана схема слабого сигнала, показанная на рис. 5, с закороченным входом и испытательным током, подаваемым на его выход. Выходное сопротивление находится с помощью этой схемы как

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

С помощью закона Ома были найдены различные токи, указанные на схеме. Собирая условия для тока базы, ток базы находится как

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

где $R_{\text{E}}$ определено выше. Используя это значение для базового тока, закон Ома обеспечивает

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

Подставляя базовый ток и собирая условия,

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

где || обозначает параллельное соединение, а $R$ определено выше. Потому что $R$ обычно представляет собой небольшое сопротивление, когда коэффициент усиления тока $\beta$ большой, $R$ доминирует над выходным сопротивлением, которое поэтому также невелико. Небольшой выходной импеданс означает, что последовательная комбинация исходного источника напряжения и повторителя напряжения представляет собой источник напряжения Тевенена с более низким сопротивлением Тевенена в его выходном узле; то есть комбинация источника напряжения с повторителем напряжения делает источник напряжения более идеальным, чем исходный.

См. также

• Общая база
• Общий эмиттер
• Общие ворота
• Общий сток
• Общий источник
• Контакт питания микросхемы
• Открытый коллектор
• Двухпортовая сеть

Внешние ссылки

• Р. Виктор Джонс: базовые конфигурации BJT-усилителей
• Усилитель с общим коллектором NPN — Гиперфизика
• Теодор Павлик: ECE 327: Основы транзисторов; часть 6: повторитель эмиттера npn
• Дуг Гингрич: Усилитель с общим коллектором в Университете Альберты
• Рэймонд Фрей: Лабораторные упражнения Университета Орегона