Общий эмиттер

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 на полевом транзисторе схема представляет собой усилитель с общим истоком , а аналогичная ламповая схема представляет собой усилитель с общим катодом .

Вырождение эмиттера

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 $R_{\text{E}}$ снижает общую крутизну $G_{m}=g_{m}$ цепи в раз $g_{m}R_{\text{E}}+1$ , что приводит к увеличению напряжения

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

Коэффициент усиления по напряжению зависит почти исключительно от соотношения резисторов. $R_{\text{C}}/R_{\text{E}}$ а не внутренние и непредсказуемые характеристики транзистора. Таким образом, характеристики искажений и стабильности схемы улучшаются за счет снижения усиления.

(Хотя это часто описывается как « отрицательная обратная связь », поскольку она уменьшает усиление, повышает входное сопротивление и уменьшает искажения, она предшествует изобретению усилителя с отрицательной обратной связью и не уменьшает выходное сопротивление и 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 следующие характеристики слабого сигнала можно получить .

	Определение	Выражение
	Определение	С эмиттером вырождение	Без эмиттера дегенерация; т. е. R _E = 0
Текущий выигрыш	$A_{\text{i}}\triangleq {\frac {i_{\text{out}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$\beta \,$	$\beta$
Усиление напряжения	$A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\,$	$-{\frac {\beta R_{\text{C}}}{r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}}}\,$	$-g_{m}R_{\text{C}}$
Входное сопротивление	$r_{\text{in}}\triangleq {\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}\,$	$r_{\pi }$
Выходное сопротивление	$r_{\text{out}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}\,$	$R_{\text{C}}\,$	$R_{\text{C}}$

Если сопротивление эмиттера отсутствует, то $R_{\text{E}}=0\,\Omega$ , и выражения фактически 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, когда $R_{\text{E}}\,$ увеличивается, входное сопротивление увеличивается и коэффициент усиления по напряжению $A_{\text{v}}\,$ снижается.

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 $C_{\text{CB}}\,$ выглядит как больший паразитный конденсатор $C_{\text{CB}}(1-A_{\text{v}})\,$ (где $A_{\text{v}}\,$ отрицательно) от базы к земле . ^[3] Этот большой конденсатор значительно уменьшает полосу пропускания усилителя, поскольку увеличивает постоянную времени паразитного входного RC-фильтра. $r_{\text{s}}(1-A_{\text{V}})C_{\text{CB}}\,$ где $r_{\text{s}}\,$ — выходное сопротивление источника сигнала, подключенного к идеальной базе.

Проблему можно решить несколькими способами, в том числе:

Уменьшение величины усиления по напряжению $\left|A_{\text{v}}\right|\,$ (например, с помощью эмиттерного вырождения).
Уменьшение выходного сопротивления $r_{\text{s}}\,$ источника сигнала, подключенного к базе (например, с помощью эмиттерного повторителя или другого повторителя напряжения ).
Использование каскодной вставляется токовый буфер с низким входным сопротивлением (например, усилитель с общей базой конфигурации, при которой между коллектором транзистора и нагрузкой ). 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 дифференциального усилителя топологии , 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 ток базы IB и вызовет соответствующее увеличение тока эмиттера IE и тока коллектора IC. В результате напряжение коллектор-эмиттер уменьшится 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.

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. сигнал представляет собой инвертированную копию составляющей переменного тока на входе, которая была усилена соотношением RC _. / RE _{Выходной} 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 – обсудить ]} 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 своими руками или любителем представлено в разделе . ^[4]

См. также

Ссылки

^ «Конфигурация BJT с общим эмиттером» . Электротехнический класс . Архивировано из оригинала 5 июня 2021 г.
^ «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).
^ Пол Горовиц и Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 102–104 . ISBN 978-0-521-37095-0 .
^ 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.

[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).

[TAoE-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

[1]

[2]

[3]

[4]

v т и Транзисторные усилители
	Биполярный транзистор :	Общий эмиттер Общий коллектор Общая база
	Полевой транзистор :	Общий источник Общий сток Общие ворота
	Несколько транзисторов:	Транзистор Дарлингтона Дополнительная пара обратной связи Каскод Длиннохвостая пара