Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . ( Апрель 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
В электронике усилитель с общим коллектором (также известный как эмиттерный повторитель ) является одной из трех основных топологий усилителя с одноступенчатым биполярным переходным транзистором (BJT) , обычно используемых в качестве буфера напряжения .
В этой схеме базовый вывод транзистора служит входом, эмиттер - выходом, а коллектор является общим для обоих (например, он может быть привязан к заземлению или шине питания ), отсюда и его название. Аналогичная схема на полевом транзисторе представляет собой усилитель с общим стоком, а аналогичная схема на лампе является катодным повторителем .
Базовая схема [ править ]
Схема может быть объяснена, если рассматривать транзистор как находящийся под управлением отрицательной обратной связи. С этой точки зрения общий коллекторный каскад (рис. 1) представляет собой усилитель с полной последовательной отрицательной обратной связью . В этой конфигурации (рис. 2 с β = 1) все выходное напряжение V OUT размещено напротив и последовательно с входным напряжением V IN . Таким образом, два напряжения вычитаются согласно закону напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализуется только входным контуром), и их необычайная разница V diff = V IN - V OUT применяется к переходу база-эмиттер. . Транзистор постоянно контролирует V diffи регулирует его эмиттер почти равен (меньше V ЕГО ) входное напряжение при прохождении тока коллектора согласно через эмиттерный резистор R E . В результате выходное напряжение следует за изменениями входного напряжения от V BEO до V + ; отсюда и название, эмиттер-последователь .
Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что напряжение база-эмиттер в биполярном транзисторе очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (с хорошим приближением) непосредственно на эмиттер. Это немного зависит от различных нарушений (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен и т. Д.), Поскольку транзистор реагирует на эти нарушения и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.
Математически можно показать, что в схеме с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению равен почти единице:
Небольшое изменение напряжения на входной клемме будет воспроизведено на выходе (немного зависит от коэффициента усиления транзистора и значения сопротивления нагрузки ; см. Формулу усиления ниже). Эта схема полезна, потому что у нее большой входной импеданс , поэтому она не нагружает предыдущую схему:
и малый выходной импеданс , поэтому он может работать с низкоомными нагрузками:
Обычно эмиттерный резистор значительно больше и его можно исключить из уравнения:
Приложения [ править ]
Низкое выходное сопротивление позволяет источнику с большим выходным сопротивлением управлять малым сопротивлением нагрузки ; он функционирует как буфер напряжения . Другими словами, схема имеет коэффициент усиления по току (который в значительной степени зависит от h FE транзистора) вместо усиления по напряжению, поскольку из-за своих характеристик он предпочтителен во многих электронных устройствах. 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 Thévenin комбинации повторителя напряжения, управляемого источником напряжения с высоким сопротивлением Thévenin, уменьшается только до выходного сопротивления повторителя напряжения (небольшое сопротивление). Такое снижение сопротивления делает комбинацию более идеальным источником напряжения. И наоборот, повторитель напряжения, вставленный между малым сопротивлением нагрузки и приводной ступенью, представляет большую нагрузку на приводную ступень - преимущество в передаче сигнала напряжения на небольшую нагрузку.
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 R E используется активный источник тока (рис. 4) для улучшения линейности и / или эффективности. [1]
Характеристики [ править ]
На низких частотах и с использованием упрощенной модели гибридного Пи можно получить следующие характеристики слабого сигнала . (Параметр и параллельные линии обозначают параллельные компоненты .)
Определение | Выражение | Примерное выражение | Условия | |
---|---|---|---|---|
Текущий прирост | ||||
Усиление напряжения | ||||
Входное сопротивление | ||||
Выходное сопротивление |
Там , где это Thevenin сопротивление эквивалентного источника.
Производные [ править ]
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:
Определите следующие значения сопротивления:
Затем, собрав члены, коэффициент усиления по напряжению находится как:
Исходя из этого результата, коэффициент усиления приближается к единице (как и ожидалось для буферного усилителя ), если отношение сопротивлений в знаменателе мало. Это отношение уменьшается с увеличением значения коэффициента усиления по току β и с увеличением значения . Входное сопротивление находится как:
Выходное сопротивление транзистора обычно велико по сравнению с нагрузкой и поэтому доминирует . В результате входное сопротивление усилителя намного больше, чем выходное сопротивление нагрузки при большом усилении по току . То есть размещение усилителя между нагрузкой и источником создает большую (высокоомную) нагрузку на источник, чем прямое соединение с ним , что приводит к меньшему ослаблению сигнала в импедансе источника как следствие разделения напряжения .
На рисунке 6 показана схема слабого сигнала с рисунка 5 с короткозамкнутым входом и испытательным током, подаваемым на его выход. Выходное сопротивление определяется по этой схеме как:
Используя закон Ома, были найдены различные токи, указанные на диаграмме. Собирая термины для базового тока, базовый ток находится как:
где определено выше. Используя это значение для базового тока, закон Ома дает следующее :
Подставляя базовый ток и собирая условия,
где || обозначает параллельное соединение и определено выше. Поскольку обычно при большом усилении по току сопротивление невелико , он доминирует над выходным импедансом, который, следовательно, также невелик. Малый выходной импеданс означает, что последовательная комбинация исходного источника напряжения и повторителя напряжения представляет собой источник напряжения Тевенина с более низким сопротивлением Тевенина в его выходном узле; то есть комбинация источника напряжения с повторителем напряжения делает источник напряжения более идеальным, чем исходный.
См. Также [ править ]
- Общая база
- Общий эмиттер
- Общие ворота
- Общий сток
- Общий источник
- Открытый коллектор
- Двухпортовая сеть
Ссылки [ править ]
- ^ Род Эллиот: Усилитель мощности класса A мощностью 20 Вт
Внешние ссылки [ править ]
- Виктор Джонс: Основные конфигурации усилителя BJT
- Усилитель с общим коллектором NPN - Гиперфизика
- Теодор Павлич: ECE 327: Основы транзисторов; Часть 6: Последователь эмиттера npn
- Дуг Гингрич: усилитель с общим коллектором U Альберты
- Раймонд Фрей: лабораторные упражнения U of Oregon