Усилительный каскад с общим коллектором

Добавлено 5 октября 2017 в 18:40

Сохранить или поделиться

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

 common-collector amplifier 
vin 1 0 
q1 2 1 3 mod1   
v1 2 0 dc 15    
rload 3 0 5k    
.model mod1 npn 
.dc vin 0 5 0.2 
.plot dc v(3,0) 
.end

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

common-collector amplifier
vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
vbias 4 0 dc 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02m .78m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end
 

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения V_БЭ.

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

\[A_I = { I_{эмиттер} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} + I_{база} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} \over I_{база} } + 1\]

\[A_I =\beta + 1\]

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

где

• β₁ – бета первого транзистора;
• β₂ – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

Подведем итоги:

• Усилительный каскад с общим коллектором называется так потому, что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку.
• Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
• Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет синфазно с входным напряжением, что делает каскад с общим коллектором неинвертирующим усилителем.
• Коэффициент усиления по току у усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на самом деле, чуть меньше).
• Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, «переплетающихся» друг с другом так, чтобы эмиттер одного из них был источником тока для базы другого по схеме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления по току равный произведению их собственных коэффициентов усиления по току (β плюс 1).

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

Усилители с общей базой и общим коллектором

Усилитель с общей базой

На рис. 24.1 показан усилитель, где транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ). Необходимое смещение создают два отдельных источника питания. Разделительный конденсатор С₁ обеспечивает передачу пере­менного входного сигнала на эмиттер транзистора (входное напряжение прикладывается между эмиттером и базой). Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R₄.

На рис. 24.2 приведена практическая схема усилителя промежуточной частоты с одним источником питания. Нагрузкой усилителя являет­ся резонансный контур С₃L₁ с трансформаторной связью. С₁ – входной разделительный конденсатор, резисторы R₁ и R₂ образуют цепь смещения по постоянному току, R₃ — эмиттерный резистор. Развязывающий конденсатор С₂ обеспечивает сохранение на базе транзистора нулевого потенциала по переменному току. В данном случае развязывающий конденсатор присоединен к положительной шине источника питания, а не с шасси. Это допустимо, поскольку по переменному току (то есть для переменного сигнала) потенциал этой шины равен нулю. Потенциалы положительной шины источника питания и шасси отличаются только по постоянному току.

Усилитель с ОБ имеет низкое входное сопротивление (50-100 Ом) и низкий коэффициент усиления по сравнению с усилителем по схеме с ОЭ. Преимущество этого усилителя – хорошие частотные характеристики (широкая полоса пропускания). Поэтому усилители с ОБ используют­ся при очень высоких частотах, например в качестве усилителей РЧ в радиоприемниках и телевизорах, усилителей ПЧ в ЧМ-приемниках и т. д.

Рис. 24.1. Усилитель с ОБ. Источники питания Е₁ и Е₂ задают режим усилителя по постоянному току.

Рис. 24.2. ТипичныйУПЧ по схеме с ОБ. 

Фазовые соотношения

При уменьшении входного сигнала потенциал эмиттера уменьшается от­носительно потенциала базы, ток I_c увеличивается и увеличивает падение напряжения на коллекторном резисторе. В результате уменьшается вы­ходное напряжение. Таким образом, усилитель с ОБ не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

Усилитель с общим коллектором

На рис. 24.3(а) показан усилитель, где транзистор включен по схеме с об­щим коллектором. Здесь С₁ и С₂ – входной и выходной разделительные конденсаторы, резисторы R₁ и R₂ образуют цепь смещения по постоянно­му току. Коллекторный резистор отсутствует, так как выходной сигнал снимается с эмиттера. На рис. 24.3(б) представлен обычный способ изображения схемы усилителя с ОК. Выходной сигнал действует на эмиттерном резисторе R₃, и поэтому данная схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель имеет высокий коэффициент усиления по току и меньший единицы коэффициент усиления по напря­жению. Такое значение коэффициента усиления по напряжению связано с действием 100 %-ной отрицательной обратной связи через резистор R₃.

Фазовые соотношения

При увеличении входного сигнала потенциал базы увеличивается отно­сительно потенциала эмиттера, т. е. увеличивается напряжение V_BE, и соответственно увеличивается падение напряжения на эмиттерном рези­сторе, являющегося выходным напряжением. Таким образом, усилитель с ОК не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

Рис. 24.3. Эмиттерный повторитель, или усилитель с ОК, (а)

и стандартное изображение его схемы (б).

Таблица 24.1. Сравнение усилителей с ОЭ, ОБ и ОК

Добавить комментарий

11 Усилительный каскад с общим коллектором

3.3 Усилительный каскад с общим коллектором (ОК)

Простейший ЭП представлен на рисунке 3.3.1 –а, и содержит транзистор и резистор, включенный в цепь эмиттера. Входной сигнал подается между базой и «землей». Изменение отпирающего напряжения на базе транзистора относительно эмиттера от нуля до напряжения насыщения базы вызывает изменение сопротивления (идеального) транзистора от бесконечности до нуля, из-за чего выходное напряжение изменяется от нуля до Е_К. Т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Из-за чего усилитель с общим коллектором получил

второе название, более точно описывающее его свойства — эмиттерный повторитель (ЭП) . Аналогом такой схемы является делитель напряжения, рис. 3.3.1-б. Из рис. 3.3.1-а вытекает, что входное напряжение можно представить в виде суммы:

                                                            (3.3.1)

Поскольку U_RЭ = U_ВЫХ , из выражения (3.3.1) вытекает, что выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения U_БЭ. Заменив U_RЭ = I_ЭR_Э выражение (3.3.1) можно переписать

            ,                        (3.3.2)

из чего следует, что усилитель охвачен стопроцентной отрицательной обратной связью по току, которая, как показано в разделе 3.2, повышает температурную стабильность усилителя. Более совершенная схема ЭП содержит один или два базовых резистора для задания положения рабочей точки транзистора и разделительные конденсаторы для гальванической развязки с источником сигнала и нагрузкой. Включение С_Э, аналогично усилителю ОЭ, привело бы к шунтированию выходного сигнала на ВЧ, из-за чего в ЭП такой конденсатор ставить нельзя.

 Для расчета режима каскада ОК (рис. 3.3.2) составляют уравнения Кирхгофа для входной и выходной цепей усилителя:

Рекомендуемые файлы

                                                                  (3.3.3)

                                                                              (3.3.4)

Решая их с учетом (3.2.15), получим

                                  (3.3.5)

                                               (3.3.6)

                                      (3.3.7)

При графическом методе расчета используют статические выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ. Поэтому в уравнении (3.3.7) заменяют ток I_Э близким ему значением I_К, т. е. I_К≈ I_Э.

Формулы (3.3.5), (3.3.6), (3.3.7) применимы для расчета режима усилителей на рис. 3.3.2. При этом в каскаде на рис. 3.3.2-а роль источника Е_Б выполняет источник Е_К (Е_Б = Е_К), а для усилителя на рис. 3.3.2-б

             ,                              (3.3.8)

Для определения основных параметров каскада ОК составляют малосигнальную эквивалентную схему (рис. 3.3.3), считая, что в области средних частот

                                                                        (3.3.9)

1. Входное сопротивление. Входное сопротивление транзистора,определяемое между точками 0-0’, равно

                                            (3.3.10)

где R_ЭН = R_ЭR_Н /(R_Э + R_Н). Если считать r_К→∞, то с учетом (3.2.15)

                                                    (3.3.11)

Входное сопротивление каскада велико и составляет от десятков до сотен кило-Ом. Оно определяется в основном вторым слагаемым выражения (3.3.11) и оценивается приближенной формулой

                                               (3.3.12)

Большое входное сопротивление обусловлено последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, создаваемой сопротивлением R_ЭН. Сопоставляя структуру выражения (3.3.11), полученного при r_К→∞, со схемой рис. 3.3.3, можно установить, что второе слагаемое этого выражения эквивалентно сопротивлению эмиттерной цепи транзистора (с учетом действия отрицательной обратной связи). Если учесть влияние сопротивления r_К, подключенного параллельно эмиттерной цепи транзистора, то получается

                 (3.3.13)

Из последнего выражения следует, что входное сопротивление транзистора не может быть больше величины r_К даже при сколь угодно больших сопротивлениях R_ЭН.

Входное сопротивление каскада, определяемое между точками 1-1′,

                                                                             (3.3.14)

Так как R_ВХ.Т обычно велико, то сопротивление R_Б сильно шунтирует вход каскада и пользоваться упрощенным выражением R_ВХ ≈ R_ВХ.Т не всегда допустимо.

Для увеличения входного сопротивления надо выбирать R_Б >> R_ВХ.Т, что не всегда можно реализовать в практических схемах.

2. Коэффициент усиления ЭДС и напряжения. Из эквивалентной схемы рис. 3.3.3 следует, что

Если считать R_Б >> R_ВХ.Т ,что эквивалентно i_Б≈ i_ВХ и учесть (3.2.15) и (3.3.12), то

                                                                                                                                                            (3.3.15)

Так как β +1=1/(1-α), то

                                                (3.3.16)

                                        (3.3.17)

Из полученных формул видно, что в усилителе ОК нет усиления сигнала по напряжению (K_e<1, К_и<1). Однако при R_ВХ.Т >> R_Г, что равносильно неравенству (1-α)(R_Г+r_Б) <<r_Э+R_ЭН, коэффициенты усиления К_е и К_u близки к единице.

3. Коэффициент усиления тока. Из эквивалентной схемы на рис. 3.3.3 можно записать, что i_ВХR_ВХ = i_бR_ВХ.Т, а i_ЭR_ЭН = — i_ВЫХR_Н. Тогда с учетом (3.2.15), (3.314) и

                                                                                (3.3.18)

получим

                               (3.3.19)

Знак «-» в (3.3.19) означает, что реальное направление выходного тока i_ВЫХ противоположно выбранному положительному направлению (рис. 3.3.3).

Максимальное значение K_i будет при R_Э> R_Н и R_Б> R_ВХ.Т :

                                  ,                                                  (3.3.20)

что значительно больше единицы.

4. Коэффициент усиления мощности. Так как K_i >> 1,и К_и ≈ 1, то

К_P= K_i К_и>1.

5. Выходное сопротивление. При расчете выходного сопротивления исходят из общего определения . Для этого по упрощенному выражению (3.3.17) составляют эквивалентную схему каскада рис. 3.3.4,(СХЕМУ НАРИСОВАТЬ) в которой связь между током i_Э и ЭДС e_Г сохраняется такой же, как и в схеме на рис. 3.3.3. В этом можно убедиться, получив К_е непосредственно из схемы рис. 3.3.4.

Из схемы на риc. 3.3.4 находят выходное напряжение холостого хода (R_Н→∞)

                                                        (3.3.21)

и выходной ток короткого замыкания

                                                                 (3.3.22)

Откуда

              (3.3.23)

Выходное сопротивление каскада состоит из двух параллельно включенных сопротивлений: R_Э и выходного сопротивления транзистора. Тогда ив формулы (3.3.23) следует, что

                                         (3.3.24)

Рекомендация для Вас — 16 Гражданское общество и правовое государство.

Так как обычно R_Э >>R_ВЫХ.Т, то

                                        (3.3.25)

Таким образом, выходное сопротивление каскада ОК весьма мало и составляет десятки Ом.

Проведенный анализ показывает, что усилительный каскад ОК не усиливает напряжения, но дает усиление тока и мощности. Коэффициент усиления тока в этом каскаде наибольший из всех рассмотренных. Каскад обладает наибольшим входным и очень малым выходным сопротивлением.

Большое входное и малое выходное сопротивление позволяют использовать усилитель ОК в качестве согласующего каскада для передачи сигнала от источника с большим внутренним сопротивлением в низкоомную нагрузку. Обычно ЭП ставят на входе электронного устройства, если известно, что источник сигнала – высокоомный, или на выходе для обеспечения большого тока в нагрузку. В основе компенсационного стабилизатора напряжения также лежит эмиттерный повторитель.

2.07. Усилитель с общим эмиттером

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 2.26). Напряжение на коллекторе равно

U_к=U_кк — I_кR_к.

Рис. 2.26.

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.27. Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты (резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т.е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь).

Рис. 2.27. Каскад усиления переменного тока с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера. Обратите внимание, что выходной сигнал снимается с коллектора, а не с эмиттера.

Иначе говоря,

C ≥ l/2πƒ(R₁ || R₂). U_к=U_кк — I_кR_к.

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В ( + 20 В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал u_б. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе u_э — u_б и вызывает изменение эмиттерного тока:

i_э = u_э/R_э = u_б/R_э

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большой коэффициент h_21э). Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

u_к = — i_кR_к = — u_б(R_к/R_э)

Стоп! Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

Коэффициент усиления = u_вых/u_вх = — R_к/R_э.

В нашем примере коэффициент усиления равен -10000/1000, или -10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Входное и выходное сопротивление для усилителя с общим эмиттером. Нетрудно определить входное и выходное сопротивление усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов 110кОм, 10кОм и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно равно 100 кОм (сопротивление R_э, увеличенное в h_21э раз), а значит, входное сопротивление равно приблизительно 8 кОм (преобладающую роль играет сопротивление 10 кОм). Если используется развязывающий конденсатор, указанный на схеме, то получаем фильтр высоких частот с точкой — 3 дБ на частоте 200 Гц. Для сигналов в рабочей полосе частот (выше частоты, соответствующей точке — 3 дБ) конденсатором емкостью 0,1 мкФ можно пренебречь и учитывать только сопротивление 8 кОм, соединенное с ним последовательно.

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. Что же получается? Если бы не коллекторный резистор, то схема не отличалась бы от источника тока. Коллектор обладает очень большим сопротивлением (порядка мегаом), поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которого составляет 10 кОм. Напомним, что сопротивление со стороны коллектора велико, а со стороны эмиттера мало (как и в схеме эмиттерного повторителя). В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящего в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

12.3 . Усилительный каскад с общим коллектором

(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис.12.3 ,а. Для схем с ОК коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, при этом вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя. Резистор нагрузки включен в эмиттерную цепь..

При этом из схемы каскада с ОК можно увидеть, что

.

а)

б)

Рис.12.3. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя на БТ с ОК

Поскольку для переменного тока сопротивление прямосмещенного перехода очень мало ( единицы Ом), то выходное напряжение приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Поскольку Rэ не зашунтирован конденсатором (как в схеме с ОЭ), в усилителе с ОБ действует глубокая отрицательная ОС по постоянному току. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором R_э.

Начальный ток смещения в режиме покоя, т.е. при задают с помощьюR₁, R₂ и R_э таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы ивыполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.10,б. можно отметить следующие характеристики усилителя с ОК

1. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК

относительно входного генератора равен

. (12.17)

2) Коэффициент усиления по току равен ,(12.18)

где ;(12.19)

.

Следовательно K_I равен

. (12.20)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

3) Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов R₁, R₂ и сопротивлением входной цепи транзистора r_вх

. (12.21)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

. (12.22)

Очевидно ,что сопротивление входной цепи транзистора r_вх и входное сопротивление всего каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ и достигает 200…300 кОм.

Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

4) Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется

. (12.23)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

В целом усилитель с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Усилитель с общим коллектором

Наша следующая конфигурация транзистора для изучения немного проще для расчетов усиления. Вызывается конфигурация с общим коллектором, его принципиальная схема приведена на рисунке ниже .

Усилитель с общим коллектором имеет коллектор , общий для ввода и вывода.

Это называется конфигурацией с общим коллектором , так как (без учета батареи питания) , как источник сигнала и распределение нагрузки на коллектор свинца в качестве общей точки соединения , как на рисунке ниже .

Общий коллектор: Входной сигнал подается на базу и коллектор. Выход из цепи эмиттер-коллектор.

Должно быть очевидно, что сопротивление нагрузки в цепи усилителя с общим коллектором принимает как базовый и коллекторный токи, размещаемых последовательно с эмиттером. Так как эмиттер свинца транзистора является обработка самой актуальной (сумма токов базы и коллектора, так как базовый и коллекторный токи всегда сетки вместе, чтобы сформировать ток эмиттера) один, было бы разумно предположить, что этот усилитель будет иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно верно: текущий коэффициент усиления для усилителя с общим коллектором является довольно большим, больше, чем любой другой конфигурации транзистора усилителя. Тем не менее, это не обязательно то, что отличает ее от других конструкций усилителя.

Давайте сразу перейдем к анализу SPICE этого схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникальность этого усилителя. Схема на рисунке ниже . Список соединений на рисунке ниже .

Усилитель с общим коллектором для SPICE.

 усилитель с общим коллектором 
 Vin 1 0 
 q1 2 1 3 mod1   
 v1 2 0 DC 15    
 Rload 3 0 5k    
 .MODEL mod1 NPN 
 .dc Vin 0 5 0,2 
 .plot DC v (3,0) 
 .конец    

Общий коллектор: выход равен входной менее 0,7 В. _BE падение.

В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, общий коллектор генерирует выходное напряжение в прямом , а не обратно пропорционально возрастающей входного напряжения. Смотрите рисунок выше . По мере увеличения входного напряжения, так что делает выходное напряжение. Кроме того, внимательное изучение показывает , что выходное напряжение почти идентичен входному напряжению, отстающих от примерно 0,7 вольт.

Это уникальное качество усилителя с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. Рассмотренные с точки зрения изменения выходного напряжения на заданную величину изменения входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению почти точно единицы (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов любого значения р, а для нагрузочных сопротивлений любого значения сопротивления.

Несложно понять, почему выходное напряжение усилителя с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению. Ссылаясь на диод транзистора источника тока модели на рисунке ниже , мы видим , что базовый ток должен пройти через база-эмиттер PN — перехода, которое эквивалентно нормальному ректификационной диода. Если это соединение поступательно-смещена (транзистор проводит ток в обоих его активных или насыщенных режимах), он будет иметь падение напряжения около 0,7 вольт, предполагая, что строительство кремния. Это падение 0,7 вольт в значительной степени независимо от фактической величины тока базы; Таким образом, мы можем рассматривать его как константу:

Излучатель последователь: эмиттер следует базового напряжения (менее 0,7 В. _на падение.)

С учетом полярности напряжения через база-эмиттер PN — перехода и резистор нагрузки, мы видим , что они должны сложить равным входному напряжению, в соответствии с законом Кирхгофа напряжения. Другими словами, напряжение нагрузки всегда будет составлять около 0,7 вольт меньше, чем входное напряжение для всех условий, когда транзистор проводит. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольт, а также насыщение при входном напряжении свыше батареи (питания) напряжения плюс 0,7 вольт.

Из — за этого поведения, схема усилителя с общим коллектором также известен как напряжение повторителя или усилителя эмиттерных повторителей, так как напряжение эмиттер нагрузки следуют вход так близко.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного тока требует тот же вход «возвращающий», используемый в схеме с общим эмиттером: напряжение постоянного тока, должен быть добавлен к входному сигналу переменного тока, чтобы сохранить транзистор в активном режиме в течение всего цикла , Когда это будет сделано, то результат будет неинвертирующий усилитель на рисунке ниже .

 усилитель с общим коллектором
 Vin 1 4 sin (0 1.5 2000 0 0)
 Vbias 4 0 DC 2,3
 q1 2 1 3 mod1
 v1 2 0 DC 15
 Rload 3 0 5k
 .MODEL mod1 NPN
 .tran .02m .78m
 .plot Tran v (1,0) v (3,0)
 .конец

Общий коллектор (эмиттерный повторитель) усилитель.

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже , показывают , что выход за входом. Выход такой же, амплитуда от пика до пика в качестве входных данных. Хотя уровень DC смещается вниз на один V _BE диод падение.

Общий коллектор (эмиттерный повторитель): Выход V3 следующим входу V1 меньше 0,7 В. BE падение.

Вот еще один вид на схеме (рис ниже ) с осциллографов , подключенных к нескольким точкам , представляющим интерес.

Общий коэффициент усиления по напряжению коллектор неинвертирующий 1.

Так как эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления напряжения (на самом деле, на практике это на самом деле имеет коэффициент усиления по напряжению чуть меньше 1), ее единственным фактором усиления является текущим. Конфигурация усилитель с общим эмиттером рассмотрены в предыдущем разделе было коэффициент усиления по току, равный р-транзистора, в том, что входной ток прошел через базу и выходного тока (нагрузки) прошел через коллектор, а β по определению является соотношение между коллекторного и базового токов. В конфигурации с общим коллектором, однако, нагрузка расположена последовательно с эмиттером, а следовательно, его ток равен току эмиттера. С эмиттера с током коллекторного и базового тока, нагрузка в этом типе усилителя имеет весь ток коллектора проходит через него , плюс входной ток базы. Это дает коэффициент усиления по току р плюс 1:

Еще раз, PnP транзисторы являются столь же действительны для использования в конфигурации с общим коллектором как Транзисторы. Расчеты коэффициента усиления все равно, как и неинвертирующий усиливаемого сигнала. Единственное отличие состоит в полярности напряжения и тока направлениях , показанных на рисунке ниже .

ПНП версия усилителя с общим коллектором.

Популярное применение усилителя с общим коллектором для регулируемых источников питания постоянного тока, где нерегулируемый (варьирования) источник напряжения постоянного тока обрезается на заданном уровне с регулируемым электропитанием (постоянный) напряжения на нагрузке. Конечно, стабилитроны уже предоставляют эту функцию регулирования напряжения , показанной на рисунке ниже .

Стабилитрон Регулятор напряжения диода.

Тем не менее, при использовании в этом прямым способом, величина тока, который может подаваться в нагрузку, как правило, весьма ограничены. По существу, эта схема регулирует напряжение на нагрузке, сохраняя ток через последовательный резистор на достаточно высоком уровне, чтобы отбросить все избыточное напряжение источника питания через нее, стабилитрон рисунок более или менее тока по мере необходимости, чтобы сохранить напряжение на себя устойчивым , Для сильноточных нагрузок, простой регулятор напряжения стабилитрон будет иметь шунта тяжелый ток через диод, чтобы быть эффективными при регулировании напряжения нагрузки в случае больших изменений сопротивления нагрузки или источника напряжения.

Один популярный способ увеличить значение тока, способность цепи регулятора, как это использовать с общим коллектором транзистора для усиления тока на нагрузку, так что схема Стабилитрон только должен обрабатывать количество тока, необходимого для приведения в базу транзистора. (Рисунок ниже )

Общее применение коллектора: регулятор напряжения.

Там действительно только один нюанс такого подхода: напряжение нагрузки будет составлять приблизительно 0,7 вольт меньше, чем напряжение диода Зенера, из-за 0,7 вольт капли база-эмиттер транзистора. Так как эта разница 0,7 вольт достаточно постоянным в широком диапазоне токов нагрузки, стабилитрон с 0,7 вольт более высокий рейтинг может быть выбран для применения.

Иногда высокий коэффициент усиления по току одного транзистора, конфигурация с общим коллектором недостаточно для конкретного применения. Если дело обстоит именно так, несколько транзисторов может быть поставлена вместе в популярной конфигурации , известной как пара Дарлингтона, просто расширение концепции с общим коллектором , показанной на рисунке ниже .

Дарлингтона пара NPN.

Дарлингтона пар по существу поместите один транзистор в качестве нагрузки с общим коллектором для другого транзистора, таким образом, умножив свои индивидуальные текущие выгоды. Базовый ток через левый верхний транзистор усиливается через эмиттера, который транзистора, который непосредственно связан с основанием правого нижнего транзистора, в котором ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по напряжению до сих пор почти равен 1 , если весь узел соединен с нагрузкой в общим коллектором моды, хотя напряжение нагрузки будет полный 1,4 вольт меньше , чем входное напряжение , показанного на рисунке ниже .

На основе усилителя с общим коллектором Дарлингтон пара теряет два V _ВЕ диодных капель.

Дарлингтона пар могут быть приобретены в виде дискретных единиц (два транзистора в одном пакете), или может быть построена из пары отдельных транзисторов. Конечно, если еще больше усиление тока желателен, чем то, что может быть получена с помощью пары Дарлингтона триплет или квадруплетную сборки, могут быть построены.

• ОБЗОР:
• С общим коллектором транзистора усилители представляют собой так называемые , поскольку входные и выходные напряжения точки разделяют коллектор свинца транзистора общего друг с другом, не считая каких — либо источников питания.
• Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
• Выходное напряжение на усилителе с общим коллектором будет находиться в фазе с входным напряжением, делая общим коллектором усилителя схемы неинвертирующий.
• В настоящее время коэффициент усиления усилителя с общим коллектором равен р плюс 1. коэффициент усиления по напряжению приблизительно равна 1 (на практике, только немного меньше).
• Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов «совмещена» друг на друга так , что эмиттер один питает ток к базе другого в форме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления тока равен произведению (умножение) их отдельных текущих доходов общим коллектором (р плюс 1).

Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель) .

В качестве согласующего усилителя часто используется эмиттерный повторитель – каскад, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором рис. 6.6. В этой схеме нет коллекторного резистора, но для создания выходного напряжения включен резистор R_Э в цепь эмиттера.

Рис. 6.6. Схема усилителя с общим коллектором

Особенностью схемы является способ формирования рабочей точки покоя транзистора. Постоянные ток и напряжение между базой и эмиттером транзистора формируются источником E_К и резисторами R»_Б , R’_БR_Э:

U_БЭ0= E_К R‘_Б/( R’’_Б +R‘_Б)- R_Э I_Э0.

Здесь учтено, что постоянный ток базы транзистора сравнительно небольшой.

Управляющее переменное напряжение u_БЭ(t)создается двумя источниками

— источником, подключенным на вход усилителя, — u_ВХ,

_— резистором R_Э ,-переменной составляющей тока эмиттера i_Э:

u_БЭ(t)= u_ВХ(t) — R_Э i_Э (t).

Выходное напряжение равно:

u_ВыХ(t) = R_Э i_Э (t).

Таким образом в схеме сформирована отрицательная обратная связь, которая позволяет получить эффект температурной стабилизации тока, широкий диапазон амплитудной характеристики, коэффициент усиления по напряжению около 1 и другие положительные свойства.

Схема замещения усилителя в линейном режиме, который можно получить, если амплитуда входного напряжения не превышает половины напряжения источника E_К, приведена на рис.6.7.

Рис. 6.7. Схема замещения усилителя с общим коллектором в линейном режиме

Здесь R_Б,ЭК -эквивалентное сопротивление по переменному току

.

Из схемы замещения можно получить выражения для основных параметров эмиттерного повторителя.

Узнать еще:

Входное и выходное сопротивление усилителя с общим коллектором — Доказательство — Освоение дизайна электроники

В этой статье я покажу метод определения входного и выходного сопротивления усилителя с общим коллектором. Усилитель с общим коллектором — это хорошо известная схема (см. Рисунок 1). Он в основном используется в качестве буфера из-за высокого входного сопротивления, небольшого выходного сопротивления и единичного усиления. Уравнения, выведенные в этой статье, являются символическими, как и вывод любой другой формулы на этом веб-сайте.Тем не менее, даже если значения сопротивлений не являются числовыми, уравнения достаточно интуитивно понятны, чтобы показать свойство усилителя с высоким входным и низким выходным сопротивлением.

Рисунок 1

Выходное сопротивление общего коллектора

Выходное сопротивление этого усилителя — это сопротивление, которое видит следующий каскад, если смотреть на эмиттерный резистор R _E , как показано на рисунке 1.

В предыдущей статье «Вывести передаточную функцию усилителя с общим коллектором с помощью теоремы Тевенина» я использовал теорему Тевенина, чтобы шаг за шагом продемонстрировать, как получить передаточную функцию слабого сигнала этого усилителя.В той же статье я показал, что усилитель с общим коллектором эквивалентен источнику Thevenin, который питает R _E (см. Рисунок 2).

Рисунок 2

Этот источник имеет напряжение холостого хода

и сопротивление

Расчет выходного сопротивления общего коллектора сводится к расчету выходного сопротивления этой цепи, поскольку две цепи эквивалентны.

На рисунке 2 v _oc является независимым источником.Если мы закоротим этот источник, выходное сопротивление цепи, как видно из R _E , составит R _E параллельно с r _th . Следовательно, r _out можно записать как в следующем уравнении.

Судя по обычным номиналам резисторов источника R _{, r ∏ и R E , отношение (источник R + r ∏ ) / R E мало по сравнению с β + 1. Это показывает, что влияние R E мало при вычислении выходного сопротивления общего коллектора или, самое большее, оно уменьшает r th , что как раз то, что нам нужно для выхода схемы.Если пренебречь (R источник + r ∏ ) / R E , r out станет}

, которое является уравнением, показанным в большинстве статей или учебников. Выходное сопротивление зависит в основном от сопротивления источника R _{, источника} , входного сопротивления транзистора r _∏ , и оно невелико, поскольку эти два значения резистора делятся на большое число β + 1.

Входное сопротивление общего коллектора

Входное сопротивление обычно рассчитывается с помощью тестового источника, подключенного ко входу усилителя.Его значение может быть легко получено, если мы знаем тестовый источник и ток, который он подает в тестируемую цепь. Для этой задачи давайте заменим транзистор его малосигнальным эквивалентом, показанным на рисунке 3.

Рисунок 3

Согласно закону Ома, вход r _{вычисляется путем деления напряжения тестового источника на его ток. .}

Осматривая схему на рисунке 3, мы видим, что i _test = i _b .

Также мы замечаем, что R _E получает два тока, i _test и β i _test . Таким образом, из v _test , R _source , r _∏ , R _E loop, v _test можно записать в виде следующего уравнения:

Таким образом, входное сопротивление слабого сигнала усилителя с общим коллектором равно

Это уравнение показывает, что усилитель с общим коллектором имеет большое входное сопротивление из-за произведения (β + 1) R _E .Во многих текстах источник R + r _∏ не учитывается, потому что он намного меньше, чем (β + 1) R _E . Насколько маленький? Источник с R _{может иметь сопротивление около 10 кОм, а r ∏ — около 1 кОм. Если R E составляет 1 кОм, а β + 1 равно 200 Ом, можно легко вычислить, что источник R + r ∏ можно не учитывать в уравнении входного} r _.

Усилитель с общим коллектором, обладающий малым выходным сопротивлением и большим входным сопротивлением, в основном используется в качестве буфера.Как и в предыдущей статье, он имеет единичное усиление, что делает его идеальной схемой для изоляции различных каскадов при разработке электронных схем.

Конфигурация общего коллектора

Общий Конфигурация коллектора

В этой конфигурации клемма базы транзистора служит входом, клемма эмиттера является выходом, а клемма коллектора является общей для входа и выхода.Следовательно, она называется общей конфигурацией сборщика. Вход применяется между базой и коллектором, а выход — между эмиттером и коллектором.

В конфигурации с общим коллектором клемма коллектора заземлена, поэтому конфигурация с общим коллектором также известна как конфигурация с заземленным коллектором.

Иногда конфигурацию с общим коллектором также называют эмиттерным повторителем, повторителем напряжения, усилителем с общим коллектором, усилителем CC или конфигурацией CC.Эта конфигурация в основном используется в качестве буфера напряжения.

Входное напряжение питания между базой и коллектором обозначается VBC, а выходное напряжение между эмиттером и коллектором обозначается VEC.

В этой конфигурации входной ток или базовый ток обозначен IB, а выходной ток или ток эмиттера обозначен IE. Усилитель с общим коллектором имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.Он имеет низкий коэффициент усиления по напряжению и высокий коэффициент усиления по току.

Коэффициент усиления по мощности усилителя с общим коллектором средний. Чтобы полностью описать поведение транзистора с конфигурацией CC, нам нужны два набора характеристик — входные характеристики и выходные характеристики.

Входные характеристики

Входные характеристики описывают взаимосвязь между входным током или базовым током (IB) и входным напряжением или напряжением база-коллектор (VBC).

Сначала нарисуйте вертикальную и горизонтальную линии. Вертикальная линия представляет ось Y, а горизонтальная линия представляет ось x