2.4 Эквивалентные схемы транзистора

Графический метод расчета громоздкий, неточный, исключает возможность аналитического анализа, используется для наглядного представления положения рабочей точки. Аналитический расчет производится только для переменных составляющих напряжений и токов. В этом случае транзистор заменяется эквивалентной схемой, которая представляет собой схему, состоящую из линейных пассивных и активных элементов. Эта схема справедлива только в режиме малого сигнала, т.е. когда связь между приращениями токов и напряжений линейна.

Существует два вида эквивалентных схем: физическая, отражающая процессы, протекающие в транзисторе, и формальная, в которой транзистор представляется в виде четырехполюсника.

Физическая эквивалентная схема составляется для переменных токов и напряжений, но при условии, что эмиттерный переход находится под прямым напряжением, а коллекторный переход — под обратным напряжением, а амплитуды сигналов таковы, что транзистор работает в линейном режиме.

Широко применяется Т – образная эквивалентная схема, показанная на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 — Физическая эквивалентная схема биполярного транзистора

В этой схеме обозначено:

Формальная эквивалентная схема получила наибольшее распространение т.к. формальные параметры легко измеряются и приводятся в справочниках.

Рассмотрим формальную эквивалентную схему при включении транзистора с общим эмиттером (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 — Эквивалентная замена транзистора четырехполюсником

Если за зависимые переменные принять и, то их можно выразить через независимые переменные в виде уравнений

(2.12)

Значение – параметров можно определить, проведя опыт короткого замыкания на выходе и опыт холостого хода на входе.

Опыт короткого замыкания на выходе , тогда из системы уравнений следует

— входное сопротивление транзистора при схеме включения ОЭ;

— коэффициент передачи по току при схеме включения ОЭ.

Опыт холостого хода на входе , тогда из системы уравнений следует

— коэффициент внутренней обратной связи при схеме включения с ОЭ;

— выходная проводимость при схеме включения с ОЭ.

На основе приведенных уравнений можно построить эквивалентную схему транзистора в системе -параметров при включении с ОЭ (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 — Эквивалентная схема транзистора при включении с ОЭ

На практике численные значения параметров, если они не приведены в справочниках, определяют по статическим характеристикам транзистора. Параметры зависят от схемы включения транзистора, что отмечается третьим индексом «э», «б» или «к» соответственно для схем с ОЭ, ОБ или ОК. Покажем, как это делается, на примере схемы с ОЭ.

Параметры иопределяют по входным характеристикам транзистора(рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 — Определение — параметров по входной характеристике

В точке строят характеристический треугольник. При перемещении из точкив точкунапряжение, т.е., а входное сопротивлениеравно отношению катетов характеристического треугольника

. (2.13)

Коэффициент внутренней обратной связи находится при(), что соответствует переходу из точкив точку

, (2.14)

где .

Параметры иопределяют по выходным характеристикам транзистора(рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 — Определение — параметров по выходным характеристикам

Для того, чтобы в точке определить параметр, строят характеристический треугольник. Тогда катетами треугольника будут приращения напряженияи тока, при выполнении условия. Численное значение параметра определяют по формуле

. (2.15)

Для определения параметра через точкупроводят вертикальную линию, которая пересекает две соседних выходных характеристики. Отрезокпропорционален приращению тока, а приращение тока базы равно разности токов, при которых сняты выходные характеристики, то есть, при этом. Следовательно,

, (2.16)

где -.

Эквивалентная схема — транзистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Эквивалентная схема — транзистор

Cтраница 4

При построении эквивалентной схемы транзистора исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы, так же как и тонкий слой базы, обладают некоторыми определенными сопротивлениями, равными соответственно гэ, / к и гъ — Поэтому простейшей эквивалентной схемой транзистора должна служить цепь, составленная из сопротивлений гэ, г и ГБ, соединенных между собой, как показано на рис. 7.14, а. У современных транзисторов в активном режиме работы величина гэ составляет обычно десятки ом, ГБ — сотни ом, а гк — сотни тысяч ом.  [47]

Зависимости параметров эквивалентной схемы транзистора ( § 3.3) от температуры нетрудно определить, поскольку известны зависимости от температуры всех величин, их определяющих. Зависимость / г2Ш ( Г) определяется в основном зависимостью времени жизни от температуры.  [49]

Одна из многочисленных эквивалентных схем транзистора показана на фиг. Первый, второй и четвертый узлы соответствуют зажимам эмиттера, коллектора и базы транзистора.  [50]

Смешанная П — образная эквивалентная схема транзистора с входом на базу.  [51]

Простая Т — образная эквивалентная схема транзистора.  [53]

Второй метод построения эквивалентных схем транзисторов

сводится к составлению так называемых физических эквивалентных схем, которые с определенной степенью точности отображают процессы, происходящие в транзисторах. Их основное преимущество состоит в том, что они позволяют достаточно просто отражать различные свойства реальных полупроводниковых приборов ( например, зависимость их основных параметров от частоты), однако не позволяют создать единых методов анализа для одинаковых усилительных каскадов, в которых используются разные типы транзисторов. Поэтому более удобными оказываются эквивалентные схемы транзисторов, построенные на основе линейных активных четырехполюсников, которыми мы и будем пользоваться в дальнейшем.  [54]

Число секций в эквивалентной схеме транзистора ( рис. 2.34) зависит от требуемой точности описания его характеристик и, в частности, определяется соотношением ширины базы и диффузионной длины неосновных носителей, а также скоростью изменения на-пряжений на р — п переходах.  [56]

Такая модель называется эквивалентной схемой транзистора. Она описывается системой уравнений, идентичной системе уравнений, характеризующих свойства реального транзистора.  [57]

На рис. IV.1 представлена эквивалентная схема транзистора с соответствующей внешней цепью, которая адэкватно описывает транзистор. Единственным нелинейным элементом в этой схеме является конденсатор Ск — Составим — нелинейное уравнение, необходимое для расчета времен нарастания и спада транзистора с линейным распределением примеси. Сопротивление коллектора предполагается достаточно большим для того, чтобы его влиянием в процессе изменения напряжения на коллекторе можно было пренебречь.  [58]

На рис. 4.16 показана эквивалентная схема транзистора, соответствующая физическим ( первичным или внутренним) параметрам. Каждому элементу этой эквивалентной схемы можно придать определенный физический смысл: гэ — дифференциальное ( динамическое) сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении.  [60]

Страницы:      1    2    3    4    5

5.3.ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА БИПОЛЯРНОГО И ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРОВ

Анализ работы усилителя в широком диапазоне частот можно осуществить на основе метода эквивалентных схем, являющегося одним из наиболее распространенных расчетных методов теории электрических цепей. Поскольку электронные усилители строятся на основе биполярных и полевых транзисторов, и пассивных радиоэлементов, то на первом этапе необходимо получить эквивалентную схему активного элемента – транзистора.

Эквивалентную схему транзистора можно получить, если воспользоваться некоторыми методами теории электрических цепей, в частности, методами анализа линейных активных четырехполюсников. Четырехполюсником называется устройство, которое имеет две точки входа и две точки выхода. Биполярный и полевой транзисторы в любой схеме включения представляют собой четырехполюсник. Различают пассивные и активные четырехполюсники. Пассивные четырехполюсники не содержат источников напряжения или тока. Каскад усилителя на биполярном или полевом транзисторе способен усиливать мощность входного сигнала и является активным четырехполюсником. Теория четырехполюсников разработана для линейных систем, для которых характерна линейная зависимость между током и напряжением. Биполярный и полевой транзисторы являются нелинейными элементами. Однако, при работе в режиме малого сигнала, характерном для усилителей напряжения, усилитель на транзисторе можно считать линейным устройством, и применить к нему теорию линейных четырехполюсников.

На рис. 5.6 представлена эквивалентная схема линейного четырехполюсника. Каждый четырехполюсник характеризуется четырьмя величинами: током и напряжением на входе и током и напряжением на выходе.

Рис. 5.6.Эквивалентная схема четырехполюсника

В теории четырехполюсников зависимости между входными и выходными токами и напряжениями анализируют, используя режимы холостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсника. В результате параметры транзистора находятся из соответствующих уравнений для токов и напряжений. Поскольку к четырехполюсникам относятся различные по физическим принципам функционирования устройства, то уравнения для токов и напряжений будут в каждом случае разными. Существует шесть различных систем уравнений, описывающих связь токов и напряжений для разных видов четырехполюсников.

Будем рассматривать биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером как активный линейный четырехполюсник.

Рис. 5.7. Транзистор по схеме с общим эмиттером как четырехполюсник

Особенности биполярных транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в

— параметрах. Для схемы с ОЭ в этой системе за независимые переменные берутся входной ток И выходное напряжение , а зависимыми будут входное напряжение и выходной ток . Таким образом, можно записать: (5.12) (5.13)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

(5.14) (5.15)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки транзистора, представляют собой некоторые постоянные величины –

-параметры биполярного транзистора. Транзистор в малой окрестности рабочей точки (режим малых сигналов) может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в — параметрах:, (5.16). (5.17)

Для транзистора по схеме с ОЭ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.18). (5.19)

Биполярные транзисторы отличаются небольшим значением входного сопротивления и сравнительно высоким значением выходного сопротивления. Поэтому в такой схеме для нахождения

-параметров уравнений легко осуществить режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника и режим холостого хода на входе четырехполюсника.

Осуществляя режим холостого хода на входе четырехполюсника, найдем из уравнений 5.18 и 5.19 параметры

и при и выясним их физический смысл: — величина, обратная коэффициенту усиления по напряжению при разомкнутой входной цепи, характеризует внутреннюю обратную связь в биполярном транзисторе;= — выходная проводимость транзистора при разомкнутой входной цепи.

Два оставшихся параметра можно найти, осуществив режим короткого замыкания на выходе четырехполюсника. При коротком замыкании на выходе

0. Тогда из уравнений 5.18 и 5.19 найдем:= — дифференциальное входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;= — коэффициент усиления тока базы транзистора при коротком замыкании на выходе.

Так как мы рассматриваем построение эквивалентной схемы биполярного транзистора для переменных составляющих токов и напряжений, то все токи и напряжения в уравнениях в

-параметрах представляют собой переменные составляющие, соответствующие определенному режиму работы биполярного транзистора по постоянному току. Условие для переменной составляющей тока базы 0 соответствует условию для постоянной составляющей, величина которой определяется напряжением смещения. Условие для переменного напряжения =0 соответствует условию Для постоянного напряжения на коллекторе. При этих условиях -параметры принимают вид:, (5.20), (5.21), (5.22). (5.23)

Параметр

имеет размерность сопротивления и для его определения необходимо иметь семейство входных характеристик транзистора.

Параметр

также может быть найден по входной характеристике. Он является безразмерным, его величина мала и составляет, примерно, .

Параметр

также является безразмерной величиной и его можно определить по семейству выходных характеристик.

Параметр

имеет размерность проводимости и может быть определен из семейства выходных характеристик. Величина обратная называется выходным сопротивлением транзистора.

Определение

-параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему биполярного транзистора, широко используемую для анализа устройств на основе биполярного транзистора – усилителей, генераторов, преобразователей частоты. Первое уравнение (5.18) системы уравнений позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где последовательно включены входное сопротивление и эквивалентный генератор внутренней обратной связи. Второе уравнение (5.19) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы. Согласно второму уравнению изменение тока на выходе транзистора зависит от двух составляющих: управляемого генератора тока и величины , определяемой выходной проводимостью. Поэтому в выходную цепь эквивалентной схемы транзистора надо включить управляемый генератор тока и выходную проводимость. Эквивалентная схема биполярного транзистора, составленная на основе уравнений 5.18 и 5.19, при замене приращений переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями

Токов и напряжений, представлена на рис.5.8.

Рис.5.8. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Проводя аналогичные рассуждения, можно получить эквивалентную схему полевого транзистора, представляя полевой транзистор, включенный по схеме с общим истоком, в виде линейного активного четырехполюсника, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Полевой транзистор как линейный четырехполюсник

Особенности полевых транзисторов наилучшим образом учитываются системой уравнений в

— параметрах. Для схемы с ОИ в этой системе за независимые переменные берутся входное напряжение и выходное напряжение , а зависимыми переменными будут входной ток и выходной ток . Эти зависимости можно представить следующими уравнениями:, (5.24). (5.25)

Для малых приращений переменных токов и напряжений запишем уравнения в полных дифференциалах:

, (5.26). (5.27)

Частные производные, вычисленные в окрестности рабочей точки, представляют собой некоторые постоянные величины –

-параметры полевого транзистора. Полевой транзистор в малой окрестности рабочей точки может рассматриваться как линейный четырехполюсник относительно дифференциалов токов и напряжений. Благодаря линейности характеристик на малых участках изменения токов и напряжений дифференциалы в уравнениях можно заменить конечными приращениями. Для переменных составляющих токов и напряжений в активном режиме работы транзистора, когда токи и напряжения достаточно малы, можно перейти к системе уравнений в — параметрах:, (5.28). (5.29)

Полевые транзисторы отличаются высокими значениями величин входного и выходного сопротивлений. Поэтому для нахождения

-параметров необходимо осуществить режим короткого замыкания на входе и на выходе четырехполюсника.

При коротком замыкании на входе

0, а при коротком замыкании на выходе =0. При этом из уравнений (5.28), (5.29) можно найти -параметры:, , , .

Условие

0 означает, что равна нулю лишь переменная составляющая входного напряжения, а постоянная составляющая соответствует уровню начального смещения. Условие 0 означает, что равна нулю переменная составляющая выходного напряжения, а постоянная составляющая равна напряжению на стоке транзистора.

Для схемы с ОИ уравнения можно записать в следующем виде:

, (5.30) . (5.31)

Из этих уравнений можно выяснить физический смысл

— параметров: — входная проводимость. Величина обратная входной проводимости равна входному сопротивлению полевого транзистора; — коэффициент внутренней обратной связи между выходной и входной цепями полевого транзистора. Его величина составляет, примерно, ;— крутизна полевого транзистора;— выходная проводимость. Величина обратная выходной проводимости равна внутреннему сопротивлению полевого транзистора .

Крутизну и внутреннее сопротивление полевого транзистора можно найти из семейства выходных характеристик. Заменяя в системе уравнений приращения переменных составляющих токов и напряжений конечными значениями токов и напряжений, можно записать уравнения в следующем виде:

, (5.32). (5.33)

Определение

-параметров позволяет получить физически обоснованную эквивалентную схему полевого транзистора, показанную на рис.5.10. Первое уравнение (5.32) позволяет описать входную часть эквивалентной схемы, где параллельно включены входная проводимость и эквивалентный генератор тока =, отражающий внутреннюю обратную связь в полевом транзисторе. Второе уравнение (5.33) позволяет описать выходную часть эквивалентной схемы, включающую в себя выходную проводимость и эквивалентный генератор тока , характеризующий усилительные свойства полевого транзистора.

Рис.5.10. Эквивалентная схема полевого транзистора

В результате анализа мы получили похожие эквивалентные схемы для биполярного и полевого транзисторов. В правых частях эквивалентных схем включены генераторы, которые отражают усилительные свойства активных элементов. В левых частях схем включены генераторы, отражающие внутреннюю обратную связь в активных элементах. Поскольку коэффициенты внутренней обратной связи достаточно малы, в дальнейшем анализе будем пренебрегать их величиной. С учетом этого можно исключить эти генераторы из левых частей эквивалентных схем и предложить единую упрощенную эквивалентную схему для биполярного и полевого транзисторов, представленную на рис. 5.11. Эта схема включает в себя входное и выходное сопротивление транзистора и генератор тока

, характеризующий усилительные свойства активного элемента. Для биполярного транзистора , а для полевого транзистора .

Рис. 5.11. Эквивалентная схема биполярного и полевого транзисторов

Эквивалентная схема и коэффициент усиления для схемы с общим эмиттером

Имея в виду коллекторные характеристики, мы знаем теперь, что биполярный транзистор является почти идеальным источником тока. Этот факт облегчает вычисление выходного напряжения, развивающегося на коллекторном резисторе нагрузки в усилителе напряжения.•-образная).

тора; i_c — переменная составляющая коллекторного тока. На эквивалентной схеме (рис. 6.12, б) транзистор показан как генератор постоянного тока, дающий ток

i_c в нагрузку R_v Согласно закону Ома,

На рис. 6.13 показана эквивалентная схема как входной, так и выходной цепи усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. Эквивалентную схему такого вида называют гибридной я-образной эквивалентной схемой, которая позволяет найти такие h-параметры, как

К ^{и Д}Р-

Мы знаем, что коллекторный ток i_c связан с напряжением база—эмиттер v_bx крутизной g_m; из (6.9а) следует, что

и у нас уже есть уравнение (6.16):

Рис. 6.14. Форма входного и выходного сигналов при наличии искажений в усилителе на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, при большой амплитуде колебаний. Входной сигнал показан здесь в увеличенном масштабе для удобства сравнения.

нии тока базы. Поэтому один из способов исправления искажений состоит в том, чтобы сгладить изменения h_ie резистором, включенным последовательно во входной цепи. Подобный эффект даст нешунтированный резистор в эмиттере, при наличии которого возникает обратная связь по току и увеличивается входное сопротивление. Для уменьшения искажений, конечно, можно использовать обратную связь по напряжению. Все эти меры, смягчающие присущую биполярному транзистору нелинейность, к сожалению, уменьшают коэффициент усиления схемы. Одно из изящнейших решений проблемы нелинейности заключается в применении дифференциального усилителя, который является основой большинства линейных интегральных схем (см. гл. 8).

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Определение величин эквивалентной схемы транзистора

Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиколетто) представлена на рис. 4.

Рис. 4. Физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора

1. Барьерная ёмкость коллекторного перехода:

2. Выходное сопротивление транзистора:

3. Сопротивление коллекторного перехода:

4. Сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока:

5. Сопротивление эмиттерного перехода для базового тока:

6. Распределение сопротивления базы:

7. Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода:

8. Собственная постоянная времени транзистора:

9. Крутизна транзистора:

Граничные и предельные частоты биполярного транзистора

Граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ:

Предельная частота в схеме с ОЭ:

Предельная частота в схеме с ОБ:

Предельная частота транзистора по крутизне:

Максимальная частота генерации:

Определение сопротивления транзистора по переменному току

Сопротивление нагрузки по переменному току для биполярного транзистора рассчитывается по формуле:

Для построения нагрузочной прямой по переменному току воспользуемся двумя точками:

Нагрузочная прямая по переменному току приведена на рисунке:

Рис 5. Нагрузочная прямая по переменному току

Построение сквозной характеристики

Для построения сквозной характеристики воспользуемся нагрузочной прямой по переменному току и выходными характеристиками. По точкам пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками строим сквозную характеристику I_к(U_бэ). Точки для построения проходной характеристики (зависимости I_к от U_бэ) представим в таблице:

Iб, мА		0,1	0,2	0,3
Iк, мА
Uбэ, В	0,6	0,76	0,8	0,84

Рис 6. Сквозная характеристика транзистора КТ201А

Определение динамических параметров

Коэффициент усиления по напряжению, К_u (отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе) определим по формуле:

Коэффициент усиления по току К_i (отношение установившегося значения тока сигнала в нагрузку к току сигнала на входе) определим по формуле:

Коэффициент усиления по мощности определим по формуле:

Приращения ∆U_бэ=∆U_вх и соответствующее ему приращение ∆I_б берутся на входной характеристике (с учетом обеих полуволн), а приращение ∆I_к, ∆U_кэ – по нагрузочной прямой для переменного тока на семействе выходных характеристик вблизи режима покоя транзистора.

Для величины амплитуды входного U_вхн=0,02 В имеем:

Для величины амплитуды входного U_вхн=0,01 В имеем:

5. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ  КАСКАД  НА  БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ  ЭМИТТЕРОМ

            Анализировать работу транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 5.1, а) будем, используя в упрощенном виде малосигнальную эквивалентную схему транзистора.

Составим три эквивалентные схемы для соответствующих диапазонов частот: средних, низких (больших времен), высоких (малых  времен), – используя  правила,  данные  в  гл. 4.

            Эквивалентные схемы для области средних частот (средних времен) каскада с ОЭ приведены на рис. 5.1, б, в. При их построении учтено, что значения емкостей С₁, С₂, С_Э выбирают такими, чтобы их сопротивления в диапазоне средних частот, под которым обычно понимают диапазон рабочих частот, были достаточно малы и ими в эквивалентной схеме можно было пренебречь. Источник  напряжения  питания  Е замкнут накоротко.

            Упрощенная эквивалентная схема рис. 5.1, в отличается от схемы рис. 5.1, б тем, что в ней не учтено влияние дифференциального сопротивления коллекторного перехода , которое достаточно велико и при небольших сопротивлениях R_K (до десятков кОм, а иногда и выше) его можно не учитывать.

            На малосигнальных эквивалентных схемах направления включения генераторов тока зависят от мгновенного значения полярности входного напряжения. Поэтому они могут со­впадать или быть противоположными направлениям включения генераторов,  характеризующих  статический  режим.

            Статический режим каскада с ОЭ подробно рассмотрен в гл. 3. При ориентировочной оценке тока покоя транзистора можно  использовать  уравнение

где U_БЭО – напряжение база – эмиттер, определяемое из входной характеристики при токе базы I_БО (I_БО^{= I_КО / h_21Э). Уравнение (5.1) справедливо для случаев, когда I_БО во много раз меньше тока делителя I_Д, состоящего из резисторов R₁, R_{2 (IБО <<  IД), и от его значения мало зависит потенциал базы.}}

            Найдем параметры каскада, характеризующие его свойства при усилении сигналов переменного тока, используя эквивалентные схемы рис. 5.1, б. При этом введем допущение, которое не вполне справедливо, но для упрощения им пользуются на практике. Будем считать, что ток базы i_б полностью протекает через  и не ответвляется в цепь коллектора, а ток коллектора i_к не ответвляется в цепь базы и также протекает в цепи эмиттера. Если первое допущение, как правило, выполняется вследствие большого значения , то второе не соответствует действительности. Однако в связи с при­ближенным характером расчета электронных цепей, а также ввиду большого разброса характеристик и параметров актив­ных приборов, достигающего сотен процентов, погрешностями от введения допущений пренебрегают. При уточненном расчете второе допущение учитывают, вводя коэффициент внутренней обратной  связи.

Входное сопротивление

            Если не учитывать сопротивление делителя  R_l|| R₂,  то  входное  сопротивление  каскада

                                                                R_ВХ = u_BX / i_BX,

где   u_BX  — выходное   напряжение  на  зажимах   база – эмиттер; i_BX – входной  ток  базы.

            Как  видно  из  рис. 5.1, в,  входное  напряжение

откуда

                                        

            Для получения полного входного сопротивления необходимо учесть шунтирующее действие сопротивлений R₁ и R₂. Так как  для  переменного  тока  они  включены  параллельно,  то

                            

Схемы замещения биполярного транзистора

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Введение.

В учебных планах по курсу «Электроника» предусматривается выполнение работы по расчету параметров биполярного транзистора. В настоящих указаниях изложена методика этих расчетов.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя электродами (эмиттер, база и коллектор). Переходы образуются тремя слоями с чередующимися типами проводимости, как показано на рис.1. В зависимости от порядка чередования этих слоев различают два типа транзистора: p-n-p и n-p-n. На рис.1 приведены их схемные обозначения.

 

 

Рис .1. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n-p-n и p-n-p и их схемные обозначения

В настоящих указаниях методика расчета изложена для случая включения биполярного транзистора по схеме «с общим эмиттером», которая нашла широкое применение. В этой схеме, приведенной на рис.2, эмиттер входит в состав, как входной, так и выходной цепей. Входным током является базовый ток, входным напряжением является напряжение база-эмиттер. Выходным током является коллекторный ток, выходным напряжением является напряжение коллектор-эмиттер. На рис.2 показана схема включения транзистора типа n-p-n с указанием полярности напряжений, подаваемых к электрода. В случае транзистора типа p-n-p полярность напряжений должна быть изменена.

 

Рис. 2. Схема включения биполярного транзистора типа

n-p-n с общим эмиттером

Схемы замещения биполярного транзистора

При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения, в которой транзистор представляется в виде активного четырехполюсника. Возможны две схемы замещения транзистора: бесструктурная и структурная, в которой отражены физические связи между ее элементами. В обоих случаях полагается линейная связь между токами и напряжениями в приборе. Такой подход возможен, когда транзистор работает при открытом эмиттерном переходе и закрытом коллекторном переходе, а значения его токов и напряжений не выходят за пределы рабочей области на выходной характеристике.

Рис. 3. Бесструктурная схема замещения биполярного транзистора

На рис.3 приведена бесструктурная схема замещения биполярного транзистора. Поскольку электрический режим прибора в схеме ОЭ определяется входным током I_Б и выходным напряжением U , четырехполюсник схемы замещения описывается системой уравнений типа Н. При этом вместо значений токов и напряжений в уравнениях используются приращения значений этих параметров относительной соответствующих величин, находящихся внутри рабочей области. Таким образом, в случае бесструктурной схемы значения приращений токов и напряжений биполярного транзистора связываются через h-параметры уравнениями

Δ U = h Δ I_Б + h Δ U , (1)

 

Δ I = h Δ I_Б + h Δ U . (2)

 

Из соотношения (1) при Δ U = 0 следует

h = , (3)

а при Δ I_Б = 0

h = . (4)

 

Аналогичным образом из соотношения (2) можно получить

h = , (5)

h = . (6)

Согласно соотношениям (3) – (6)

h является входным сопротивлением транзистора при постоянном значении напряжения U ;

h — коэффициент обратной связи по напряжению;

h — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U ;

h — выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Структурная схема замещения транзистора можно представить в виде Т-образной схемы. Такая схема для случая включения транзистора с ОЭ приведена на рис.4, где приращения токов и напряжений обозначены как i_Б, i_К, u_БЭ, u_КЭ.

 

Рис. 4. Бесструктурная схема замещения биполярного транзистора

 

Левая часть этой эквивалентной схемы транзистора отражает эмиттерный переход, находящийся в открытом состоянии. Резистор r_Э представляет собой сопротивление открытого перехода, величина которого невелика и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Резистор r_Б представляет сопротивление базового слоя, величина которого как правило составляет 100-500 Ом. Им по существу определяется входное сопротив-ление прибора, поскольку величина сопротивления r_Э весьма мала. Правая часть схемы рис.4 отражает коллекторный переход. Он представляется параллельным соединением сопротивления r_К(Э) и барьерной емкости коллекторного перехода С_К. Кроме того, параллельно им включен источник тока βi_Б, отражающий факт переноса рабочих носителей заряда из эмиттерного слоя в коллекторный слой. На низких частотах емкостное сопротивление велико и шунтирующим действием емкости С_К на источник тока βi_Б можно пренебречь. Поэтому подключение емкости С_К на рис.4 обозначено пунктиром.

Согласно эквивалентной схеме рис.4 на низких частотах с учетом малой величины сопротивления r_Э приращение коллекторного тока определяется соотношением

 

 

из которого следует, что с учетом (5)

 

h = b,

а с учетом (6)

 

r = .

 

Поскольку коллекторный переход транзистора закрыт, его сопротивле-ние очень велико. Поэтому величина параметра h₂₂ имеет порядок 10^-4 См. Величина параметра h₂₁ обычно составляет несколько десятков.

Таким образом значения параметров r_б, r_к(э) и b структурной схемы замещения транзистора определяются, если известны значения параметров h₁₁, h₂₁ и h₂₂ бесструктурной схемы замещения.

 

Поиск по сайту:

Учебное пособие по усилителю с общим эмиттером

Усилитель с общим коллектором — это еще один тип биполярного переходного транзистора (BJT), в котором входной сигнал подается на вывод базы, а выходной сигнал снимается с вывода эмиттера. Таким образом, клемма коллектора является общей как для входных, так и для выходных цепей. Этот тип конфигурации называется общим коллектором (CC), потому что клемма коллектора эффективно «заземлена» или «заземлена» через источник питания.

Во многих отношениях конфигурация с общим коллектором (CC) является противоположностью конфигурации с общим эмиттером (CE), поскольку подключенный нагрузочный резистор перемещается от обычной клеммы коллектора, обозначенной R _C , к клемме эмиттера, где находится имеет маркировку R _E .

Конфигурация с общим коллектором или заземленным коллектором обычно используется там, где источник входного сигнала с высоким импедансом должен быть подключен к выходной нагрузке с низким импедансом, требующей высокого коэффициента усиления по току.Рассмотрим схему усилителя с общим коллектором ниже.

Усилитель с общим коллектором на транзисторе NPN

Резисторы R ₁ и R ₂ образуют простую схему делителя напряжения, используемую для смещения NPN-транзистора в проводимость. Поскольку этот делитель напряжения слегка нагружает транзистор, базовое напряжение, V _B , можно легко вычислить, используя простую формулу делителя напряжения, как показано на рисунке.

Сетевой делитель напряжения

Когда коллекторный вывод транзистора подключен напрямую к V _CC и отсутствует сопротивление коллектора (R _C = 0), любой ток коллектора будет вызывать падение напряжения на эмиттерном резисторе R _E .

Однако в схеме усилителя с общим коллектором такое же падение напряжения V _E также представляет выходное напряжение V _OUT .

В идеале мы бы хотели, чтобы падение напряжения постоянного тока на R _E было равно половине напряжения питания, V _CC , чтобы выходное напряжение покоя транзисторов находилось где-то посередине характеристических кривых, обеспечивая максимальный выходной сигнал без отсечки. . Таким образом, выбор R _E сильно зависит от I _B и коэффициента усиления транзистора по току Beta, β.

Поскольку pn-переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, ток базы протекает через переход к эмиттеру, стимулируя работу транзистора, вызывая протекание гораздо большего тока коллектора, I _C . Таким образом, ток эмиттера представляет собой комбинацию тока базы и коллектора, как: I _E = I _B + I _C . Однако, поскольку ток базы чрезвычайно мал по сравнению с током коллектора, ток эмиттера, следовательно, приблизительно равен току коллектора.Таким образом, I _E ≈ I _C

Как и в случае конфигурации усилителя с общим эмиттером (CE), входной сигнал подается на вывод базы транзистора, и, как мы уже говорили ранее, выходной сигнал усилителя снимается с вывода эмиттер-эмиттер. Однако, поскольку между базой транзистора и его выводом эмиттера имеется только один смещенный в прямом направлении pn-переход, любой входной сигнал, подаваемый на базу, проходит непосредственно через переход к эмиттеру. Следовательно, выходной сигнал, присутствующий на эмиттере, синфазен с приложенным входным сигналом на базе.

Поскольку выходной сигнал усилителя берется через нагрузку эмиттера, этот тип конфигурации транзистора также известен как схема эмиттерного повторителя , поскольку выход эмиттера «следует» или отслеживает любые изменения напряжения базового входного сигнала, за исключением того, что он остается примерно на 0,7 В (В _BE ) ниже базового напряжения. Таким образом, V _IN и V _OUT синфазны, создавая нулевую разность фаз между входным и выходным сигналами.

При этом pn-переход эмиттера эффективно действует как диод с прямым смещением, и для небольших входных сигналов переменного тока этот переход эмиттерного диода имеет сопротивление, равное: r ‘ _e = 25 мВ / I _e , где 25 мВ — это тепловое напряжение перехода при комнатной температуре (25 ^o C) и I _e — ток эмиттера.Таким образом, когда ток эмиттера увеличивается, сопротивление эмиттера уменьшается на пропорциональную величину.

Базовый ток, который протекает через это внутреннее сопротивление перехода база-эмиттер, также течет и проходит через подключенный извне эмиттерный резистор, R _E . Эти два сопротивления соединены последовательно, действуя как сеть делителя потенциала, создавая падение напряжения. Поскольку значение r ’ _e очень мало, а R _E намного больше, обычно в диапазоне килом (кОм), величина выходного напряжения усилителя, следовательно, меньше его входного напряжения.

Однако на самом деле величина выходного напряжения (размах) обычно находится в диапазоне от 98 до 99% входного напряжения, что в большинстве случаев достаточно близко, чтобы рассматривать его как единичное усиление.

Мы можем рассчитать коэффициент усиления по напряжению, V _A усилителя с общим коллектором, используя формулу делителя напряжения, как показано, предполагая, что базовое напряжение V _B фактически является входным напряжением V _IN .

Коэффициент усиления напряжения усилителя с общим коллектором

Таким образом, усилитель с общим коллектором не может обеспечить усиление напряжения, и другое выражение, используемое для описания схемы усилителя с общим коллектором, — это схема Voltage Follower Circuit по очевидным причинам.Таким образом, поскольку выходной сигнал следует за входом и синфазен со входом, схема общего коллектора представляет собой неинвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления напряжения.

Пример №1 усилителя с общим коллектором

Усилитель с общим коллектором построен с использованием биполярного транзистора NPN и цепи смещения делителя напряжения. Если R ₁ = 5k6Ω, R ₂ = 6k8Ω и напряжение питания составляет 12 вольт. Вычислите значения: V _B , V _C и V _E , тока эмиттера I _E , внутреннего сопротивления эмиттера r ‘ _e и коэффициента усиления по напряжению A _V при сопротивлении нагрузки. 4k7Ω.Также нарисуйте окончательную схему и соответствующую характеристическую кривую с линией нагрузки.

1. Напряжение смещения базы, В _В

2. Напряжение на коллекторе, В _С . Поскольку сопротивление нагрузки коллектора отсутствует, вывод коллектора транзисторов подключается непосредственно к шине питания постоянного тока, поэтому V _C = V _CC = 12 вольт.

3. Напряжение смещения эмиттера, В _Э

4. Ток эмиттера, I _E

5.Сопротивление эмиттера переменного тока, r ’ _e

6. Коэффициент усиления по напряжению, А _В

Схема усилителя с общим коллектором с линией нагрузки

Входное сопротивление общего коллектора

Хотя усилитель с общим коллектором не очень хорош в качестве усилителя напряжения, поскольку, как мы видели, его коэффициент усиления по напряжению для небольшого сигнала приблизительно равен единице ( _В, 1), он, тем не менее, является очень хорошим буфером напряжения. схема из-за ее высокого входного (Z _IN ) и низкого выходного (Z _OUT ) импедансов, обеспечивая изоляцию между источником входного сигнала и нагрузкой с полным сопротивлением.

Другой полезной особенностью усилителя с общим коллектором является то, что он обеспечивает усиление по току (A _i ), пока он является проводящим. То есть он может пропускать большой ток, текущий от коллектора к эмиттеру, в ответ на небольшое изменение его базового тока, I _B . Помните, что этот постоянный ток видит только R _E , так как R _C не существует. Тогда постоянный ток будет просто: V _CC / R _E , который может быть большим, если R _E мало.

Рассмотрим базовую конфигурацию усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя ниже:

Конфигурация усилителя с общим коллектором

Для анализа цепи переменного тока конденсаторы закорочены, а V _CC закорочен (нулевое сопротивление). Таким образом, эквивалентная схема дана, как показано с токами смещения и напряжениями, указанными как:

Входное сопротивление, Z _IN конфигурации с общим коллектором, смотрящее в базу, определяется как:

Но как Бета, β обычно намного больше 1 (обычно выше 100), выражение: β + 1 может быть уменьшено до Бета, β, поскольку умножение на 100 практически то же самое, что умножение на 101.Таким образом:

Базовый импеданс усилителя с общим коллектором

Где: β — коэффициент усиления транзистора по току, R _e — эквивалентное сопротивление эмиттера, а r ’ _e — сопротивление переменному току диода эмиттер-база. Обратите внимание, что, поскольку объединенное значение R _e , как правило, намного больше, чем эквивалентное сопротивление диодов, r ‘ _e (килоом по сравнению с несколькими омами), базовое сопротивление транзистора может быть задано просто: β * R _е .

Интересно отметить, что входное сопротивление базы транзистора, Z _{IN (база)} , может управляться значением резистора эмиттерной ветви R _E или нагрузочного резистора R _L , поскольку они соединены параллельно.

Хотя приведенное выше уравнение дает нам входной импеданс в основании транзистора, оно не дает нам истинного входного сопротивления, которое исходный сигнал мог бы видеть в полной схеме усилителя. Для этого нам нужно рассмотреть два резистора, которые составляют цепь смещения делителя напряжения. Таким образом:

Входное сопротивление усилителя с общим коллектором

Общий коллектор Пример №2

Используя приведенную выше схему усилителя с общим коллектором, рассчитайте входные сопротивления базы транзисторов и каскада усилителя, если сопротивление нагрузки R _L составляет 10 кОм, а коэффициент усиления по току NPN-транзисторов равен 100.

1. Сопротивление эмиттера переменного тока, r ’ _e

2. Сопротивление эквивалентной нагрузки, R _e

3. Базовое сопротивление транзисторов, Z _BASE

2. Входное сопротивление усилителя, Z _{IN (STAGE)}

Поскольку базовое сопротивление транзисторов 322 кОм намного выше, чем входное сопротивление усилителя всего 2,8 кОм, входное сопротивление усилителя с общим коллектором определяется соотношением двух резисторов смещения, R ₁ и R ₂ .

Выходное сопротивление общего коллектора

Чтобы определить выходное сопротивление усилителя CC Z _OUT , глядя от нагрузки обратно на вывод эмиттера усилителя, мы должны сначала снять нагрузку, так как мы хотим увидеть эффективное сопротивление усилителя, который управляет нагрузкой. Таким образом, эквивалентная схема переменного тока на выходе усилителя имеет вид:

Сверху входное сопротивление базовой цепи определяется как: R _B = R ₁ || R ₂ .Коэффициент усиления транзистора по току определяется как: β. Таким образом, выходное уравнение имеет вид:

Таким образом, мы можем видеть, что эмиттерный резистор R _E фактически включен параллельно всему импедансу транзистора, смотрящему назад в его вывод эмиттера.

Если мы рассчитаем выходной импеданс нашей схемы усилителя с общим эмиттером, используя значения компонентов, указанные выше, это даст выходное сопротивление Z _OUT менее 50 Ом (49,5 Ом), что намного меньше, чем более высокое входное сопротивление Z _{. IN (BASE)} рассчитано ранее.

Таким образом, мы можем видеть, что конфигурация усилителя с общим коллектором , исходя из расчетов, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс, что позволяет ей управлять нагрузкой с низким импедансом. Фактически, из-за относительно высокого входного сопротивления усилителей CC и очень низкого выходного сопротивления он обычно используется в качестве буферного усилителя с единичным усилением.

Определив, что выходное сопротивление Z _OUT нашего приведенного выше примера усилителя составляет приблизительно 50 Ом по расчетам, если мы теперь снова подключим нагрузочный резистор 10 кОм обратно в схему, результирующее выходное сопротивление будет:

Несмотря на то, что сопротивление нагрузки составляет 10 кОм, эквивалентное выходное сопротивление все еще низкое — 49.3 Ом. Это связано с тем, что R _L больше по сравнению с Z _OUT , поэтому для максимальной передачи мощности R _L должен быть равен Z _OUT . Поскольку коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим коллектором считается равным единице (1), коэффициент усиления мощности усилителя должен быть равен его коэффициенту усиления по току, так как P = V * I.

Поскольку коэффициент усиления по току общего коллектора определяется как отношение тока эмиттера к току базы, γ = I _E / I _B = β + 1, следовательно, коэффициент усиления по току усилителя должен быть приблизительно равен Бета (β) как β + 1 практически то же самое, что и Бета.

Общий коллектор, сводка

В этом руководстве мы видели, что усилитель с общим коллектором получил свое название, потому что клемма коллектора BJT является общей как для входных, так и для выходных цепей, поскольку нет сопротивления коллектора, R _C .

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим коллектором приблизительно равен единице (A _v 1), а его коэффициент усиления по току A _i примерно равен Beta (A _i β), который зависит от значение бета-значения конкретных транзисторов может быть довольно высоким.

Мы также убедились в расчетах, что входное сопротивление Z _IN высокое, а выходное сопротивление Z _OUT низкое, что делает его полезным для согласования импеданса (или согласования сопротивлений) или в качестве буферной схемы между источник напряжения и низкоомная нагрузка.

Поскольку усилитель с общим коллектором (CC) получает свой входной сигнал на базу с выходным напряжением, снимаемым через нагрузку эмиттера, входное и выходное напряжения являются «синфазными» (разность фаз 0 ^— ), таким образом, общая Конфигурация коллектора носит вторичное имя Emitter Follower , поскольку выходное напряжение (напряжение эмиттера) следует за входным базовым напряжением.

Усилитель с общим коллектором | Биполярные переходные транзисторы

Наша следующая конфигурация транзистора для изучения немного проще для расчета усиления. Схема, получившая название конфигурации с общим коллектором, показана на рисунке ниже.

Усилитель с общим коллектором имеет общий коллектор для входа и выхода.

Это называется конфигурацией с общим коллектором, потому что (без учета батареи источника питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод коллектора в качестве общей точки подключения, как показано на рисунке ниже.

Общий коллектор: Вход применяется к базе и коллектору. Выход из схемы эмиттер-коллектор.

Должно быть очевидно, что нагрузочный резистор в схеме усилителя с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, включенные последовательно с эмиттером.Поскольку вывод эмиттера транзистора обрабатывает наибольший ток (сумма токов базы и коллектора, так как токи базы и коллектора всегда соединяются вместе, образуя ток эмиттера), было бы разумно предположить, что этот усилитель будет иметь ток эмиттера. очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно верно: усиление по току для усилителя с общим коллектором довольно велико, больше, чем у любой другой конфигурации транзисторного усилителя . Однако это не обязательно то, что отличает его от других конструкций усилителей.

Пример модели SPICE

Давайте сразу приступим к SPICE-анализу этой схемы усилителя, и вы сразу сможете увидеть, в чем уникальность этого усилителя. Список соединений представлен на рисунке ниже.

Усилитель с общим коллектором для SPICE.

усилитель с общим коллектором
вин 1 0
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 постоянного тока 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0 5 0.2
.plot dc v (3,0)
.конец
 

Общий коллектор: выход равен входу за вычетом 0.7 В В BE падение.

В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, общий коллектор создает выходное напряжение , прямое , а не , обратное , пропорциональное возрастающему входному напряжению.

По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, внимательное рассмотрение показывает, что выходное напряжение почти на идентично входному напряжению, отставая от него примерно на 0,7 вольт.

Это уникальное качество усилителя с общим коллектором: выходное напряжение почти равно входному напряжению .Рассмотренный с точки зрения изменения выходного напряжения для данной величины входного напряжения изменения , этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению почти единицу (1) или 0 дБ. Это верно для транзисторов с любым значением β и для нагрузочных резисторов с любым значением сопротивления.

Диодный источник тока Модель транзистора

Легко понять, почему выходное напряжение усилителя с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению.Обращаясь к модели транзистора с источником тока диода на рисунке ниже, мы видим, что ток базы должен проходить через PN переход база-эмиттер, что эквивалентно нормальному выпрямительному диоду.

Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном или насыщенном режиме), он будет иметь падение напряжения примерно 0,7 В, если предположить, что конструкция из кремния. Это падение на 0,7 В в значительной степени не зависит от фактической величины базового тока; таким образом, мы можем считать его постоянным:

Эмиттерный повторитель: напряжение эмиттера следует за базовым напряжением (минус 0.Падение напряжения 7 В VBE.)

Учитывая полярности напряжения на PN переходе база-эмиттер и нагрузочном резисторе, мы видим, что эти должны суммировать , чтобы равняться входному напряжению, в соответствии с законом Кирхгофа о напряжении.

Другими словами, напряжение нагрузки всегда будет примерно на 0,7 В ниже входного напряжения для всех условий, когда транзистор является проводящим. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 В и насыщение при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0.7 вольт.

Из-за такого поведения схема усилителя с общим коллектором также известна как усилитель с повторителем напряжения или повторитель с эмиттером , поскольку напряжение эмиттерной нагрузки очень близко соответствует входному.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного тока требует того же входного «смещения», что и в схеме с общим эмиттером: к входному сигналу переменного тока необходимо добавить постоянное напряжение, чтобы транзистор оставался в активном режиме в течение всего времени. цикл.Когда это будет сделано, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

усилитель с общим коллектором
вин 1 4 грех (0 1,5 2000 0 0)
vbias 4 0 постоянного тока 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 постоянного тока 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02м. .78м
.plot tran v (1,0) v (3,0)
.конец
 

Усилитель с общим коллектором (эмиттерным повторителем).

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выход следует за входом. На выходе такая же размах амплитуды, что и на входе.Тем не менее, уровень постоянного тока смещен вниз на одно падение на диоде VBE.

Общий коллектор (эмиттер-повторитель): Выход V (3) следует за входом V (1) минус падение VBE 0,7 В.

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

Коэффициент неинвертирующего напряжения на общем коллекторе очень близок к 1.

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает какого-либо усиления по напряжению (фактически, на практике коэффициент усиления по напряжению немного на меньше , чем 1), единственным коэффициентом усиления является ток.Конфигурация усилителя с общим эмиттером, рассмотренная в предыдущем разделе, имела коэффициент усиления по току, равный β транзистора, так как входной ток проходил через базу, а выходной (нагрузочный) ток проходил через коллектор, а β по определению является соотношение между токами коллектора и базы. Однако в конфигурации с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, таким образом, ее ток равен току эмиттера. С эмиттером, несущим ток коллектора и током базы , нагрузка в этом типе усилителя имеет весь ток коллектора, протекающий через него плюс входной ток базы.Это дает текущий коэффициент усиления β плюс 1:

.

Еще раз, транзисторы PNP так же пригодны для использования в конфигурации с общим коллектором, как и транзисторы NPN. Вычисления усиления такие же, как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственная разница заключается в полярности напряжения и направлениях тока, показанных на рисунке ниже.

PNP версия усилителя с общим коллектором.

Популярное применение усилителя с общим коллектором — для регулируемых источников питания постоянного тока, где нерегулируемый (изменяющийся) источник постоянного напряжения ограничивается на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку.Конечно, стабилитроны уже обеспечивают эту функцию регулирования напряжения, показанную на рисунке ниже.

Стабилитрон стабилизатора напряжения.

Однако при прямом использовании ток, который может подаваться на нагрузку, обычно весьма ограничен. По сути, эта схема регулирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток через последовательный резистор на достаточно высоком уровне, чтобы сбросить все избыточное напряжение источника питания на нем, стабилитрон потребляет больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы поддерживать напряжение на себе. устойчивый.

Один из популярных способов увеличить токоподъемность схемы регулятора, подобной этой, — это использовать транзистор с общим коллектором для усиления тока нагрузки, так что стабилитрон должен обрабатывать только ток, необходимый для управления базой. транзистора.

Применение общего коллектора: регулятор напряжения.

При таком подходе есть только одно предостережение: напряжение нагрузки будет примерно на 0,7 В ниже напряжения стабилитрона из-за 0 на транзисторе.Падение база-эмиттер 7 вольт. Поскольку эта разница в 0,7 В довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, для этого приложения можно выбрать стабилитрон с более высоким номиналом на 0,7 В.

Иногда большого коэффициента усиления по току однотранзисторной конфигурации с общим коллектором недостаточно для конкретного применения. Если это так, несколько транзисторов могут быть соединены вместе в популярной конфигурации, известной как пара Дарлингтона , , что является расширением концепции общего коллектора, показанной на рисунке ниже.

Пара Дарлингтона NPN.

Пары Дарлингтона, по сути, размещают один транзистор в качестве нагрузки с общим коллектором для другого транзистора, тем самым увеличивая свой коэффициент усиления по току. Базовый ток через верхний левый транзистор усиливается через эмиттер этого транзистора, который напрямую подключен к базе нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий прирост тока следующий:

Коэффициент усиления по напряжению по-прежнему почти равен 1, если вся сборка подключена к нагрузке по схеме с общим коллектором, хотя напряжение нагрузки будет равно 1.На 4 вольта меньше входного напряжения, показанного на рисунке ниже.

Усилитель с общим коллектором на основе пары Дарлингтона теряет два выпадения на диодах VBE.

Пары Дарлингтона

могут быть приобретены как дискретные блоки (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если желателен даже больший коэффициент усиления по току, чем тот, который может быть получен с парой, могут быть созданы триплетные или квадруплетные сборки Дарлингтона.

ОБЗОР:

• Транзисторные усилители с общим коллектором называются так, потому что точки входного и выходного напряжения совместно используют коллекторный вывод транзистора друг с другом, без учета каких-либо источников питания.
• Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
• Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет совпадать по фазе с входным напряжением, что делает схему с общим коллектором неинвертирующей схемой усилителя .
• Коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению приблизительно равен 1 (на практике лишь немного меньше).
• Пара Дарлингтона — это пара транзисторов, «совмещенных» друг с другом, так что эмиттер одного подает ток на базу другого в форме общего коллектора.Результатом является общий коэффициент усиления по току, равный произведению (умножению) их индивидуальных коэффициентов усиления по току общего коллектора (β плюс 1).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Анализ цепи общего коллектора

| Входное и выходное сопротивление

Анализ цепи общего коллектора:

В Анализе цепи общего коллектора (CC), показанном на рис. 6-28, внешняя нагрузка (R _L ) соединена конденсатором с выводом эмиттера транзистора.Схема использует смещение делителя напряжения для получения напряжения базы транзистора (В _B ) от источника питания. Вывод коллектора транзистора напрямую подключен к V _{CC, коллекторный резистор} не используется. Выходное напряжение схемы создается на эмиттерном резисторе (R _E ), байпасный конденсатор отсутствует.

Чтобы понять работу анализа цепи общего коллектора, обратите внимание, что V _B является постоянной величиной и что V _E = V _B — V _BE .Когда сигнал подается через C ₁ на базу транзистора, V _B увеличивается и уменьшается по мере того, как сигнал становится положительным и отрицательным. Если напряжение сигнала (v _s ) увеличивается до +0,5 В, V _B увеличивается на 0,5 В. Кроме того, V _E увеличивается на 0,5 В, поскольку V _BE остается практически постоянным, а V _E = V _B — V _BE . Изменение V _E связано через C ₂ , чтобы получить выходное напряжение переменного тока (v _o = 0.5 В) (см. Осциллограммы на рис. 6-29). Аналогично, когда v _s уменьшается до -0,5 В, как V _B , так и V _E уменьшаются на 0,5 В, что дает v _или = -0,5 В.

Видно, что выходное напряжение переменного тока из цепи CC по существу такое же, как входное напряжение; нет усиления по напряжению или фазового сдвига. Таким образом, можно сказать, что анализ схемы с общим коллектором имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1. (Фактически, выходное напряжение может быть немного меньше входного из-за очень небольшого изменения V _BE .)

Тот факт, что выходное напряжение CC следует за изменениями напряжения сигнала, дает схеме другое название: эмиттерный повторитель.

Эквивалентная цепь h-параметра:

Что касается цепи CE, то источник питания и конденсаторы необходимо заменить короткозамкнутыми, чтобы изучить характеристики CC переменного тока. Это дает эквивалентную схему CC переменного тока на рис. 6-30 (a). Входные клеммы эквивалентной схемы переменного тока являются базой и коллектором транзистора, а выходные клеммы — эмиттером и коллектором.Поскольку клемма коллектора является общей для входа и выхода, конфигурация схемы называется Анализ цепи общего коллектора.

Схема h-параметра CC теперь нарисована путем подстановки модели h-параметра транзистора в эквивалентную схему переменного тока, чтобы получить схему на рис. 6-30 (b). Направления тока и полярности напряжения, указанные на рис. 6-30 (b), опять же, создаются положительным сигнальным напряжением. Следует отметить, что h _rc = 1 для цепи CC; все v _o возвращаются на вход.Таким образом, в отличие от схемы CE, генератор обратной связи нельзя исключить в эквивалентной схеме усилителя CE.

Входное сопротивление:

Входное сопротивление для анализа цепи общего коллектора определяется путем написания уравнения для входного напряжения. Ссылаясь на Рис. 6-30 и Рис. 6-31,

Уравнение 6-23 аналогично уравнению для входного импеданса транзистора в цепи CE с эмиттерным резистором без обхода (уравнение.6-20), за исключением того, что R _L теперь используется параллельно с R _E . Входной импеданс схемы снова определяется формулой. 6-12,

Используя уравнение. 6-23, можно быстро оценить входное сопротивление на базе транзистора в цепи CC. Схема с R _E = 1 кОм и h _fe = 100, имеет Z _b ≈ 100 кОм, если R _L R _E .

Выходное сопротивление:

Как уже говорилось, напряжение на выходе цепи CC возвращается обратно на вход.Этот факт используется при определении выходного сопротивления (Z _e ) на выводе эмиттера. Предполагается, что напряжение сигнала равно нулю, и v _o используется для вычисления I _e . При v _s = 0, I _b создается обратным напряжением (h _rc v _o = v _o ), [см. Рис. 6-32 (a)].

Обратите внимание, что выходное сопротивление на выводе эмиттера составляет

.

Интересно сравнить это с базовым входным сопротивлением (уравнение.6-23), то есть

Уравнение 6-24 дает выходной импеданс устройства. (На самом деле, 1 / h _oc должен быть включен, но он оказывает незначительное влияние на Z _e .) Выходное сопротивление схемы также включает R _E , [см. Рис. 6-32 (b)].

R _E обычно намного больше, чем Z _e , так что Z _o ≈ Z _e .

Коэффициент усиления напряжения:

Как уже объяснялось, выходное напряжение переменного тока из цепи CC почти точно равно входному напряжению.Однако точное уравнение для A _v легко получить, рассматривая выходное и входное напряжение переменного тока, как показано на рис. 6-30 (b).

это сокращается до,

Поскольку r ‘ _e ≈ h _ib , уравнение. 6-26 можно использовать в ситуациях, когда параметры устройства неизвестны. Обычно R _E || R _L настолько больше, чем h _ib , что коэффициент усиления по напряжению цепи CC просто принимается как

Сводка характеристик цепи CC:

Анализ цепи с общим коллектором имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, отсутствие фазового сдвига между входом и выходом, высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.Из-за высокого Z _и , низкого Z _или и единичного усиления схема CC обычно используется в качестве буферного усилителя, помещенного между источником сигнала с высоким импедансом и нагрузкой с низким импедансом.

Усилитель с общим коллектором

Представляем усилитель с общим коллектором

В этой статье рассматривается другой тип архитектуры биполярных транзисторов, используемый для усиления сигналов, который широко известен как Common Collector Amplifier (CCA).CCA также иногда может называться усилителем с эмиттерным повторителем , и мы поймем почему позже в этой статье.

Первый рисунок ниже представляет собой упрощенную электрическую схему без конкретной схемы смещения, представляющую конфигурацию CCA:

рис 1: электрическая схема CCA

Основное отличие этой архитектуры от усилителя с общим эмиттером (CEA) заключается в том, что выходные сигналы принимаются на эмиттерной ветви, а коллектор всегда подключается непосредственно к источнику питания, отсюда и название «Общий коллектор».

Далее показано, что коэффициент усиления по напряжению A _V = V _out / V _in примерно равен 1. Кроме того, фаза остается неизменной во время процесса усиления, входные и выходные сигналы поэтому очень похожи, отсюда и название «эмиттер-повторитель». С другой стороны, мы увидим, что текущее усиление A _C = I _out / I _in является высоким, но имеет верхний предел.

Эквивалентная схема

Мы можем рассматривать биполярный транзистор между коллектором и эмиттером как идеальный источник тока с коэффициентом усиления β, где I _out = β.Я _в . Он также представляет собой небольшое сопротивление, равное r _e = 25 мВ / I _out , известное как « сопротивление эмиттера переменного тока » или « сопротивление эмиттера малого диода » и представляет собой динамическое сопротивление для малых сигналов переменного тока p / n переход биполярного транзистора.

Мы видим на рис. 2 эквивалентную схему конфигурации CCA для рис. 1 с учетом транзистора, такого как описанный выше.

рис 2: Эквивалентная схема конфигурации CCA

Коэффициент усиления по напряжению

Легко понять, что в конфигурации, представленной на рис. 1 , коэффициент усиления по напряжению приблизительно равен 1. Давайте действительно рассмотрим петлю напряжения между базой и эмиттером. Автоматически получается, что V _в = _R .I _out = V _{или t} и, следовательно, A _V = 1.

Из Рис. 2 мы можем четко выразить входное напряжение как В _в = (R _E + r _e ).I _E и выходное напряжение должно быть В _out = R _E .I _E . При выражении усиления по напряжению A _V = V _out / V _in , член I _E исчезает, и мы получаем точное выражение усиления A _V :

eq 1: Выражение прироста напряжения

Из этой формулы следует, что A _V <1 , но обычно R _E >> r _e , поэтому приближение A _V = 1 составляет оправдано.Поскольку коэффициент усиления по напряжению всегда меньше 1, V _{на выходе} в : , CCA не может обеспечить какое-либо усиление для сигнала напряжения .

Метод смещения

Для обеспечения лучшей стабильности база биполярного транзистора смещена с помощью схемы делителя напряжения, как показано на следующем рисунке.

рис 3: CCA с делителем напряжения смещения

Так как в конфигурации CCA В, _{на входе} = В _{на выходе} , сеть делителя напряжения может быть представлена ​​более простой эквивалентной схемой, показанной на Рисунок 4 :

Рис. 4: Делитель сети напряжения

Используя законы Кирхгофа или теорему Миллера в схеме Рис. 4 , легко выразить выходное напряжение:

Для точного усиления (без искажений или насыщения) выходное напряжение должно соответствовать условию В _{питание} = 2.В _из . Таким образом, сопротивления смещения R ₁ и R ₂ должны быть примерно равны. Однако, чтобы быть более точным, необходимо учитывать пороговое напряжение между базой и эмиттером В, _{, ВЕ,} , . Для биполярных транзисторов на основе кремния пороговое напряжение является константой, равной В _BE = 0,7 В .

Полное выражение выходного напряжения, следовательно, дается Уравнение 2 :

уравнение 2: Выходное напряжение как функция напряжения питания

Входное сопротивление

Усилитель CCA отличается высоким входным сопротивлением.Выражение сопротивления базы R _B происходит из закона Ома: R _B = V _в / I _в . Ранее мы видели, что V _в = (R _E + r _e ) .I _из , таким образом:

уравнение 3: Выражение сопротивления базы

При условии, что R _E >> r _e , можно просто записать окончательное выражение сопротивления базы R _B = β × R _Е .По этой причине коэффициент усиления транзистора по току β является наиболее важным фактором для установки входного сопротивления конфигурации CCA.

При рассмотрении полной архитектуры CCA со схемой смещения полное входное сопротивление R _в удовлетворяет следующей формуле:

уравнение 4: Выражение полного входного сопротивления

Входное сопротивление CCA всегда очень велико, что полезно, чтобы избежать перегрузки предыдущих подключенных к нему цепей.

Выходное сопротивление

Если мы рассмотрим схему , рис. 1 , выходное сопротивление определяется сопротивлением эмиттера R _E , которое выражается как R _E = R _B / β .Однако сигнал всегда принимается на нагрузочном сопротивлении R _L параллельно эмиттерной ветви, и в этом случае выходное сопротивление удовлетворяет:

уравнение 5: Выражение полного выходного сопротивления

Выходное сопротивление в конфигурации CCA всегда очень низкое, и по этой причине CCA используются для управления нагрузками с низким сопротивлением.

Текущее усиление

Давайте рассмотрим реальный CCA со схемой смещения, такой как показано на Рис. 3 .Текущее усиление A _C выражается соотношением A _C = I _out / I _in . Расчет A _I зависит от значений сопротивлений смещения:

• Если параллельное сопротивление R ₁ // R ₂ намного больше, чем сопротивление базы R _B , большая часть тока протекает к базе и, следовательно, I _в ≅I _B , поэтому что A _C = β.
• Если R ₁ // R ₂ меньше или имеет ту же величину, что и R _B , текущий коэффициент усиления должен определяться по формуле A _C = I _out / I _in с I _в = V _в / R _в и _в можно определить из Уравнение 4.

Подводя итог, если R ₁ // R ₂ >> β × R _E , A _C ≅β .В противном случае A _C = I _из / I _из . Коэффициент усиления транзистора β, таким образом, является максимальным коэффициентом усиления по току, достигаемым конфигурацией CCA.

Пример: увеличение напряжения, тока и мощности усилителя с общим коллектором

Имея в виду выражения и характеристики коэффициента усиления по напряжению, входного и выходного сопротивлений, давайте рассмотрим следующую схему с коэффициентом усиления транзистора β = 200 и определим коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

рис 5: Пример конфигурации CCA

Выходное сопротивление определяется сопротивлением эмиттера R _E параллельно с сопротивлением нагрузки R _L :

Базовое сопротивление определяется как R _B = β.R _out = 200 × 500 = 100 кОм . Входное сопротивление, таким образом, определяется сопротивлением базы R _B , параллельным сопротивлениям смещения R ₁ и R ₂ :

.

Уже можно выделить, что _{рэнд из} >> _{рэнд из} , как упоминалось ранее.Теперь давайте точно рассчитаем коэффициент усиления по напряжению A _{В .} Сначала считается, что A _В = 1, так что Уравнение 2 действительно, и поэтому мы можем выразить падение напряжения на R _E , например:

Таким образом, ток через то же сопротивление определяется как I _E = 4,3 В / 1 кОм = 4,3 мА . Тогда небольшое сопротивление переменному току можно определить как r _e = 25 мВ / 4,3 мА = 5,8 Ом . Поскольку R _E = 1 кОм, мы можем подтвердить гипотезу R _E >> r _e .

Наконец, коэффициент усиления по напряжению выражается как A _В = 500 Ом / 505,8 Ом = 0,989≅1 .

В этом примере, поскольку R ₁ // R ₂ = 10 кОм << R _B = 100 кОм, приближение A _C ≅β недействительно, и необходимо рассчитать коэффициент усиления по току с формула A _C = I _из / I _из . Чтобы вычислить коэффициент усиления по току A _C , необходимо определить входные и выходные токи I _в и I _из :

• Выходной ток просто I _out = V _out / R _out и, поскольку V _out ≅V _in , I _out = 1 V / 500 Ω = 2 мА .
• Входной ток равен I _в = В _в / R _в = 1 В / 9,1 кОм = 110 мкА .

Наконец, коэффициент усиления по току выражается как A _C = 2 мА / 110 мкА = 18,2 .

Прирост мощности определяется как A _P = A _V × A _C = 18 . Однако, поскольку R _E = R _L , мощность, отдаваемая нагрузке, составляет только половину: A _{P, нагрузка} = 9 .

Пара Дарлингтона

Мы видели, что коэффициент усиления транзистора по току β является фактором, ограничивающим общее входное сопротивление и выходной ток I _out = β.Я _в . Действительно, если β увеличивается, базовое сопротивление R _B = β.R _E увеличивается, и, следовательно, R _в также увеличивается.

Простой способ преодолеть это ограничение без необходимости покупать дорогостоящий транзистор с высоким коэффициентом усиления — использовать Darlington Pair (DP), представленный ниже на Рисунке 6:

Рис. 5: Пара Дарлингтона

DP состоит из соединения двух биполярных транзисторов. Эмиттер первого транзистора соединен с базой второго, а оба коллектора закорочены на источник питания.Мы предполагаем, что первый транзистор имеет коэффициент усиления β ₁ , а второй — β ₂ .

В этой конфигурации в первую очередь усиливается входной ток, на выходе первого транзистора I _{вых, 1} = β ₁ .I _в . Этот же ток I _{out, 1} впоследствии становится входным током второго усилителя, который имеет конфигурацию CCA. Конечный выходной ток равен I _{out, 2} = β ₂ .I _{out, 1} = β ₁ .β ₂ .I _in .

Наконец, общий коэффициент усиления по току DP равен Ом = β ₁ . Β ₂ , что приводит к очень высокому выходному току. Более того, сопротивление базы также может быть выражено R _B = Ω.R _E , что приводит к очень высокому входному сопротивлению.

Заключение

В заключение, мы увидели, что усилитель с общим коллектором не усиливает сигналы напряжения, поскольку его коэффициент усиления по напряжению строго ниже 1, но обычно может быть приближен к 1, его прозвище «эмиттер-повторитель» происходит именно от этого поведения, поскольку фаза также сохраняется.Тем не менее, коэффициент усиления по току CCA является высоким с верхним пределом, равным коэффициенту усиления по току транзистора β, и зависит от значений сопротивлений смещения. Более того, мы видели, что входное сопротивление высокое, а выходное сопротивление низкое. Эта характеристика делает конфигурацию CCA полезной в качестве буфера напряжения: CCA может быть вставлен между блоком с высоким и низким импедансом, чтобы предотвратить любую нежелательную нагрузку. В последнем разделе мы показываем пример архитектуры, называемой парой Дарлингтона, которая может преодолеть ограничение, установленное β для входного сопротивления и выходного тока.

В следующей статье мы представляем последнюю топологию биполярного транзистора: усилитель с общей базой.

Гибридный эквивалент

для транзистора CC

На рисунке показан транзистор, подключенный в конфигурации с общим эмиттером, а на рисунке также показана гибридная эквивалентная схема такого транзистора.

В конфигурации транзистора с общим эмиттером входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера транзистора, а выходной сигнал появляется между выводами коллектора и базы.Входное напряжение (V _bc ) и выходной ток (i _c ) задаются следующими уравнениями:

V _{до н.э.} = h _ic .i _b + h _re .V _ec

i _e = h _fe .i _b + h _oe .V _ec

Гибридная экспрессия

Выражение

можно получить из общих гибридных формул, выведенных в этой статье Гибридный эквивалент транзистора, добавив вторую нижнюю букву «b» (которая обозначает общий коллектор) с h-параметрами, как описано ниже.

Текущий прирост

Дается соотношением,

A _i = — (h _fc / (1 + h _oc .r _L ))

Где r _L — сопротивление нагрузки переменного тока. Его значение равно параллельной комбинации сопротивлений R _E и R _C . Поскольку h _fe транзистора является положительным числом, следовательно, A _i усилителя с общим эмиттером отрицательно.

Входное сопротивление

Сопротивление на входных клеммах усилителя (т.е.е. база транзистора) задается соотношением

R _i = h _{, т.е.} + h _re .A _i .r _L = h _{, т.е.} — ((h _rc .h _fc ) / (h _oc + (1 / р _л )))

Входное сопротивление каскада усилителя (называемое входным сопротивлением каскада R _равно ) зависит от устройства смещения. Для цепи с фиксированным смещением входное сопротивление ступени равно

Ом.

_{рэнд — это} = _рэнд

Коэффициент усиления напряжения

Дается соотношением,

A _v = A _i .р ₁ / р _я

Поскольку коэффициент усиления по току (A _i ) усилителя с общей базой положительный, коэффициент усиления по напряжению (A _v ) также положительный. Это означает, что нет разницы фаз между входным и выходным сигналами усилителя общей базы. Коэффициент усиления по напряжению с точки зрения h-параметров определяется соотношением.

A _v = h _fc .r _L / (h _ic + ∆h.r _L )

Где

∆h = h _ic .h _oc — h _rc . h _fc

Выходное сопротивление

Сопротивление на выходных клеммах усилителя определяется соотношением

R _o = (R _s + h _ic ) / (R _s .h _oc + ∆h)

Где

R _с = сопротивление источника, а

∆h = h _ic .h _oc — h _rc .h _fc

Общий коэффициент усиления напряжения

Дается соотношением,

A _vc = (A _v . _{рэнд —} ) / ( _рэнд + _{рэнд —} )

Общий коэффициент усиления по току

Дается соотношением,

A _{— это} = (A _i + R _s ) / ( _R + _— )

Пример

Транзистор, используемый в усилителе с общим коллектором, имеет следующие значения h-параметров:

h _ic = 2 K Ω , h _fc = -,51, h _rc = 1 и h _oc = 25 X 10 ^-6 mhos

Рассчитайте значения входного сопротивления, выходного сопротивления, усиления по току и усиления по напряжению каскада усилителя.

Решение

Данные:

h _ic = 2 кОм = 2000 Ом
h _fc = -,51
h _rc = 1
h _oc = 25 X 10 ^-5 mhos
r _L = R _E = 5 кОм = 5 X 10 ³ Ом
R _с = 1 кОм = 1000 Ом
R ₁ = R ₂ = 10 кОм

Входное сопротивление усилительного каскада

Мы знаем, что входное сопротивление,

A _i = — (h _fc / (1 + h _oc .р _л ))

= -51 / [1 + {(25 x 10 ^-6 ) x (5 x 10 ³ )}]
= 45,3

и входное сопротивление

R _i = h _{, т.е.} + h _re .A _i .r _L
= 2000 + (1 x 45,3 x 5 x 10 ³ Ω
= 228 x 10 ³ Ом
= 228 кОм Ом

Как входное сопротивление усилителя

_{рэндов это} = ₁ рэндов // ( ₁ // ₂ рэндов)

= 228 // (10 // 10) = 4.9 кОм Ом

= 4900 Ом Ans

Выходное сопротивление каскада усилителя

Мы знаем, что:

R _o = — (R _s + R _ic ) / ч _fc

= — (1000 + 2000) / — 51

= 59 Ом

и выходное сопротивление усилительного каскада

R _os = R _o // R _E

= 59 // (5 x 10 ^-3 )

= 58,3 Ответ

Текущий прирост

Мы знаем, что текущий коэффициент усиления усилительного каскада

A _{— это} = — (A _i .R _с ) / (R _с . R _это ) = (45,3 x 1000) / (1000 + 4900) = 7,7 Ответ.

Каскад усилителя усиления напряжения

Мы знаем, что коэффициент усиления по напряжению равен

.

A _v = A _i .r _L / R _i = (45,3 X (5 x 10 ³ ) / 228 x 10 ³ = 1 ответ

и коэффициент усиления усилительного каскада

A _против = A _против . A _равно / ( _с + _это ) = (1 + 4900) / (1000 + 4900) = 0.83 Ans

Цепь усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя

и ее применения

Усилитель — это электронная схема, которая используется для усиления сигнала напряжения или тока. Входом для транзистора будет напряжение или ток, а на выходе — усиленная форма этого входного сигнала. Схема усилителя обычно состоит из одного или нескольких транзисторов и называется транзисторным усилителем. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя.В этой статье мы обсудим схему усилителя с общим коллектором.

Транзисторные усилители чаще всего используются в повседневной жизни, например, в аудиоусилителях, радиочастотах, аудиотюнерах, оптоволоконной связи и т. Д.

Основы работы транзисторного усилителя с общим коллектором / эмиттерным повторителем

Как мы обсуждали в нашей предыдущей статье, существуют три конфигурации транзисторов, которые обычно используются для усиления сигнала: общая база (CB), общий коллектор (CC) и общий эмиттер (CE).

Хорошие транзисторные усилители по существу имеют следующие параметры: высокий коэффициент усиления, высокий входной импеданс, широкая полоса пропускания, высокая скорость нарастания, высокая линейность, высокая эффективность, высокая стабильность и т. Д.

В конфигурации транзистора с общим коллектором клемма коллектора используется как общая для входных и выходных сигналов. Эта конфигурация также известна как конфигурация эмиттерного повторителя, поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы. Конфигурация эмиттерного повторителя в основном используется в качестве буфера напряжения.Эти конфигурации широко используются в приложениях для согласования импеданса из-за их высокого входного импеданса.

Усилители с общим коллектором имеют следующие конфигурации схем.

• Входной сигнал поступает на транзистор на выводе базы
.
• Входной сигнал выходит из транзистора на выводе эмиттера
.
• Коллектор подключен к постоянному напряжению, то есть к земле, иногда с помощью промежуточного резистора

Простая схема усилителя с общим коллектором показана на рисунке ниже.Коллекторный резистор Rc не нужен во многих приложениях. Чтобы транзистор работал как усилитель, он должен находиться в активной области своей конфигурации.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя

Для этого мы устанавливаем точку покоя, которая должна быть установлена ​​с помощью схемы, внешней по отношению к транзистору, значения резисторов Rc и Rb, и источники постоянного напряжения, Vcc и Vbb, выбраны соответственно. .

После того, как условия покоя схемы были рассчитаны и было определено, что BJT находится в прямой активной области работы, h-параметры вычисляются ниже для формирования модели транзистора с малым сигналом.

Характеристики усилителя на транзисторах с общим коллектором

Нагрузочный резистор в усилителе с общим коллектором, включенный последовательно с эмиттерной схемой, принимает как ток базы, так и токи коллектора.

Поскольку эмиттер транзистора представляет собой сумму токов базы и коллектора, так как токи базы и коллектора всегда складываются вместе, образуя ток эмиттера, было бы разумно предположить, что этот усилитель будет иметь очень большое усиление по току.

Усилитель с общим коллектором имеет довольно большое усиление по току, большее, чем у любой другой конфигурации транзисторного усилителя. Характеристики усилителя cc, как указано ниже.

Параметр	Характеристики
Коэффициент усиления по напряжению	Ноль
Коэффициент усиления по току	Высокая
Прирост мощности	Средний
Соотношение фаз на входе и выходе	Нулевая степень
Входное сопротивление	Высокая
Выходное сопротивление	Низкая

Теперь можно рассчитать характеристики схемы слабого сигнала.Общие характеристики схемы складываются из характеристик в состоянии покоя и в режиме слабого сигнала. Схема модели переменного тока показана ниже.

Моделирование переменного тока усилителя с общим коллектором

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки к входному току.

Ai = il / ib = -ie / ib

Из схемы h-параметра можно определить, что токи эмиттера и базы связаны через зависимый источник тока постоянной hfe + 1. Коэффициент усиления по току зависит только от характеристик BJT и не зависит от значений любых других элементов схемы.Его значение равно

.

Ai = hfe + 1

Входное сопротивление

Входное сопротивление равно

.

Этот результат идентичен результату для усилителя с общим эмиттером и эмиттерным резистором. Входное сопротивление усилителя с общим коллектором велико для типичных значений сопротивления нагрузки Re.

Усиление напряжения

Коэффициент усиления по напряжению — это отношение выходного напряжения к входному. Если снова принять входное напряжение за напряжение на входе транзистора, Vb.

Av = Vo / Vb

Av = (vo / il) (il / ib) (ib / vb)

Замена каждого термина эквивалентным выражением

Av = (Re) (Ai) (1 / Ri)

Вышеприведенное уравнение несколько меньше единицы. Аппроксимационное уравнение усиления напряжения равно

Общий прирост напряжения можно определить как

Avs = Vo / VS

Это соотношение может быть непосредственно получено из коэффициента усиления по напряжению Av и деления напряжения между сопротивлением источника Rs и входным сопротивлением усилителя Ri

.

После подстановки соответствующих уравнений общий коэффициент усиления по напряжению равен

.

Avs = 1- (hie + Rb) / (Ri + Rb)

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление определяется как сопротивление Тевенина на выходе усилителя, смотрящее обратно в усилитель.Схема, показанная ниже, представляет собой эквивалентную схему переменного тока для расчета выходного сопротивления.

Эквивалентная схема переменного тока выходного сопротивления усилителя с общим коллектором

Если напряжение v приложено к выходным клеммам, то базовый ток будет равен

.

ib = -v / (Rb + hie)

Полный ток, протекающий в BJT, равен

.

я = -ib-hfe.ib

выходное сопротивление рассчитывается как

Ro = v / i = (Rb + hie) / (hfe + 1)

Выходное сопротивление транзисторного усилителя с общим коллектором обычно невелико.

Приложения

• Этот усилитель используется в качестве схемы согласования импеданса.
• Используется как схема переключения.
• Высокий коэффициент усиления по току в сочетании с почти единичным коэффициентом усиления по напряжению делает эту схему отличным буфером напряжения
• Он также используется для изоляции цепи.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером и ее применения. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции.

Кроме того, любые вопросы относительно этой статьи или если вы хотите реализовать проекты по электротехнике и электронике для студентов инженерных специальностей, пожалуйста, оставляйте комментарии в нижеследующем разделе. Вот вам вопрос, каков коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общим коллектором?

7.4: Усилитель с общим коллектором — Engineering LibreTexts

Усилитель с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем или, в более общем смысле, повторителем напряжения.Ключевыми характеристиками повторителя напряжения являются высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и неинвертирующий коэффициент усиления по напряжению, равный примерно единице. Название происходит от того факта, что выходное напряжение следует за входом, то есть оно находится на том же уровне напряжения и находится в фазе с входом. Хотя эта конфигурация не дает усиления по напряжению, она дает усиление по току, а, следовательно, и по мощности. Его основная цель — уменьшить эффекты нагрузки импеданса, например, чтобы согласовать источник с высоким импедансом с нагрузкой с низким импедансом.Следовательно, они используются в качестве входных буферных каскадов с высоким Z или как драйверы для нагрузок с низким сопротивлением, таких как громкоговорители.

Усилитель с общим коллектором, использующий смещение эмиттера с двумя источниками питания, показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Вход подключается к базе, как усилитель с общим эмиттером, однако выходной сигнал принимается на эмиттере, а не на коллекторе. Поскольку коллектор находится на общем переменном токе, нет необходимости в резисторе коллектора.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Усилитель с общим коллектором.

Возможно, лучше всего думать о повторителе не о том, что он дает коэффициент усиления по напряжению, равном единице, а о том, что он предотвратит потерю сигнала. Ниже приводится анализ с использованием рисунка \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Эквивалент переменного тока усилителя с общим коллектором.

Во-первых, сопротивление эмиттера переменного тока, \ (r_E \), является либо резистором смещения эмиттера, \ (R_E \), либо параллельной комбинацией \ (R_E \) и сопротивления нагрузки \ (R_L \). Мы будем использовать первый для определения усиления без нагрузки, а второй — для определения усиления под нагрузкой, аналогично тому, что мы сделали с усилителем с общим эмиттером в отношении \ (R_C \) и \ (R_L \).Сопротивление базы переменного тока, \ (r_B \), обычно сводится к резистору смещения базы, как мы видели с усилителем с общим эмиттером (\ (R_B \) при смещении эмиттера с двумя источниками питания или \ (R_1 || R_2 \) для смещения делителя напряжения).

7.4.1: усиление напряжения

Вывод для уравнения усиления по напряжению эмиттерного повторителя аналогичен приведенному для усилителя с общим эмиттером. Мы начнем с основного определения коэффициента усиления по напряжению, а затем расширим его с помощью закона Ома.

\ [A_v = \ frac {v_ {out}} {v_ {in}} = \ frac {v_E} {v_B} \\ A_v = \ frac {i_C r_E} {i_C (r’_e + r_E)} \\ A_v = \ frac {r_E} {r’_e + r_E} \ label {7.8} \]

Это уравнение очень похоже на уравнение 7.3.1. Здесь мы видим, что выходной сигнал синфазен с входным и что если \ (r_E \ gg r’_e \), коэффициент усиления приближается к единице. Искажение сигнала у последователей обычно невелико, потому что желаемой целью является усиление единицы.

7.4.2: Входное сопротивление

Вывод для \ (Z_ {in} \) и \ (Z_ {in (base)} \) не изменился по сравнению с конфигурацией обычного эмиттера. Формулы повторяются ниже для удобства.

\ [Z_ {in (base)} = \ beta (r’_e + r_E) \ nonumber \]

\ [Zin = r_B || Z_ {в (основании)} \ nonumber \]

7.4.3: Выходное сопротивление

Расчет выходного сопротивления общего коллектора значительно отличается от выходного сопротивления общего эмиттера. Мы будем использовать рисунок \ (\ PageIndex {3} \) для анализа.

Во-первых, обратите внимание, что эта диаграмма разделяет сопротивление эмиттера переменного тока на две составляющие: \ (R_L \) и резистор смещения \ (R_E \). Это потому, что мы хотим найти эффективное сопротивление источника, который управляет нагрузкой, поэтому логически мы не можем включить нагрузку в это значение. Начнем с того, что посмотрим на эмиттер с точки зрения нагрузки.Мы видим, что резистор смещения эмиттера включен параллельно, независимо от того, какой импеданс направлен обратно на вывод эмиттера.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Анализ выходного сопротивления общего коллектора.

\ [Z_ {out} = R_E || Z_ {out (излучатель)} \ label {7.9} \]

\ (Z_ {out (emitter)} \) равно \ (r’_e \) последовательно с эквивалентным сопротивлением цепи над ней и слева. Внутреннее сопротивление источника тока достаточно велико, чтобы его можно было игнорировать, поэтому мы остаемся с эквивалентным сопротивлением, смотрящим на базу.Мы назовем это \ (Z_ {B (эквивалент)} \). На первый взгляд может показаться, что это параллельная комбинация \ (r_ {gen} \) и \ (r_B \), но при этом игнорируется влияние источника тока коллектора. Что нам действительно нужно, так это эффективное сопротивление с точки зрения \ (r’_e \), а не с точки зрения базового терминала.

\ [Z_ {out (излучатель)} = r’_e + Z_ {B (эквивалент)} \ label {7.10} \]

\ [Z_ {B (эквивалент)} = \ frac {v_B} {i_C} \\ Z_ {B (эквивалент)} = \ frac {i_B (r_B || r_gen)} {\ beta i_B} \\ Z_ {B (эквивалент)} = \ frac {r_B || r_ {gen}} {\ beta} \ label {7.11} \]

Объединение уравнений \ ref {7.9}, \ ref {7.10} и \ ref {7.11} дает

\ [Z_ {out} = R_E || \ left (r’_e + \ frac {r_B || r_ {gen}} {\ beta} \ right) \ label {7.12} \]

Во многих случаях резистор смещения эмиттера достаточно велик, чтобы его можно было игнорировать.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Для повторителя, показанного на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), определите входное сопротивление, выходное сопротивление и напряжение нагрузки. Предположим, что \ (\ beta = 100 \) и \ (V_ {in} = 100 \) мВ.

Сначала найдите \ (I_C \), чтобы найти \ (r’_e \).Предполагая, что делитель ненагружен, \ (V_B \) будет составлять половину напряжения постоянного тока или 10 вольт. Мы теряем 0,7 В на переходе база-эмиттер, оставляя 9,3 В на 10 к \ (\ Omega \). Это дает ток коллектора 930 \ (\ mu \) A и \ (r’_e \) 28 \ (\ Omega \).

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Найти \ (Z_ {in} \)

\ [Z_ {i n (base)} = \ beta (r’_e + r_E) \ nonumber \]

\ [Z_ {i n (основание)} = 100 (28 \ Omega +10 k \ Omega || 500 \ Omega) \ nonumber \]

\ [Z_ {i n (base)} = 50.4 к \ Omega \ nonumber \]

\ [Z_ {i n} = R_1 || R_2 || Z_ {i n (основание)} \ nonumber \]

\ [Z_ {i n} = 22 k \ Omega || 22к \ Омега || 50,4 к \ Омега \ nonumber \]

\ [Z_ {i n} = 9.03k \ Omega \ nonumber \]

Это значение не особенно велико по сравнению с довольно большим сопротивлением источника 1 кОм (\ Омега \). Здесь будет некоторая потеря сигнала из-за эффекта делителя напряжения между двумя импедансами. А теперь за \ (Z_ {out} \)

\ [Z_ {out} = R_E || \ left (r’_e + \ frac {r_B || r_ {gen}} {\ beta} \ right) \ nonumber \]

\ [Z_ {out} = 10 k \ Omega || \ left (28 \ Omega + \ frac {22k \ Omega || 22 k \ Omega || 1k \ Omega} {100} \ right) \ nonumber \]

\ [Z_ {out} = 37 \ Omega \ nonumber \]

Это значение намного, намного ниже, чем все, что мы видели для усилителей с обычным эмиттером.Следовательно, эта схема может управлять нагрузками с гораздо более низким импедансом с минимальными потерями сигнала. Нагруженное усиление от базы к эмиттеру —

.

\ [A_v = \ frac {r_E} {r’_e + r_E} \ nonumber \]

\ [A_v = \ frac {500 \ Omega || 10 к \ Omega} {28 \ Omega +500 \ Omega || 10 к \ Omega} \ nonumber \]

\ [A_v = 0,9444 \ nonumber \]

Как уже упоминалось, нам необходимо учесть влияние импеданса источника 1 кОм. Это создаст делитель напряжения с входным сопротивлением.

\ [A_ {divider} = \ frac {Z_ {in}} {Z_ {i n} + Z_ {source}} \ nonumber \]

\ [A_ {divider} = \ frac {9.03 к \ Omega} {9.03k \ Omega +1 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [A_ {divider} = 0,9 \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = A_v \ times A_ {разделитель} \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = 0,9444 \ умножить на 0,9 \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = 0,85 \ nonumber \]

Наконец, переходим к напряжению нагрузки.

\ [V_ {load} = A_ {v (system)} \ times V_ {i n} \ nonumber \]

\ [V_ {нагрузка} = 0,85 \ умножить на 100 мВ \ nonumber \]

\ [V_ {нагрузка} = 85 мВ \ nonumber \]

Здесь может возникнуть вопрос: «Почему мы взяли на себя труд построить эту схему, когда потеряли 15% входного сигнала?» Что ж, посмотрим, что было бы без схемы.Если бы мы подключили источник напрямую к нагрузке, полученный делитель напряжения 1 к \ (\ Omega \) / 500 \ (\ Omega \) снизил бы напряжение нагрузки до 33 мВ. Эта схема предотвратила эту потерю.

7.4.4: Источник с высоким сопротивлением: гитарный звукосниматель

В примере \ (\ PageIndex {1} \) источник имел внутреннее сопротивление 1 кОм \ (\ Omega \), что намного выше, чем мы могли бы видеть, скажем, с лабораторным генератором функций (вероятно, 50 \ (\ Omega \)). Все могло быть намного хуже. Рассмотрим звукосниматель электрогитары.Задача звукоснимателя — преобразовать колебания струн гитары в электрический сигнал, чтобы его можно было усилить. Принято считать, что звукосниматель — это некая форма микрофона, но это не так. ¹ .

Звукосниматель гитары — это не более чем магнит, окруженный множеством витков тонкой проволоки, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Этот звукосниматель предназначен для бас-гитары, но конструкция аналогична для всех типов гитар и бас-гитар.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Электробасовый звукосниматель (крышка снята).

Вот как это работает: магнит создает поле вокруг гитарных струн. Поскольку струны стальные, их сопротивление намного меньше, чем у окружающего воздуха, поэтому они искажают или искривляют магнитное поле. Когда струна дергается, поле движется вперед и назад вместе с ней. Когда поле движется, силовые линии пересекают провод катушки, и это действие индуцирует ток в проводнике в соответствии с законом индукции Фарадея. Затем этот ток подается на усилитель.

Типичный гитарный звукосниматель состоит примерно из 5000 витков тонкой проволоки, типично 42 AWG. Медный провод 42 калибра имеет сопротивление около 1,6 \ (\ Омега \) на фут, поэтому сопротивление катушки постоянному току может быть более 5 кОм (\ Омега \). Кроме того, большое количество витков провода вокруг магнита может создавать очень большую индуктивность, возможно, в несколько генри, которая находится последовательно с этим сопротивлением. Также имеется распределенная емкость и емкость кабеля, включенного параллельно, которая может составлять более 1 нФ.В результате получается сложный импеданс с резонансными эффектами, величина которых может составлять десятки k \ (\ Omega \). Это усложняет то, что, поскольку импеданс является функцией частоты, эффект делителя напряжения с входным импедансом усилителя также становится функцией частоты. Например, увеличение импеданса из-за \ (X_L \) приведет к увеличению затухания с увеличением частоты. Это похоже на уменьшение высоких частот на усилителе. В общем, не очень хороший результат.Как ограничить этот эффект? Простой. Мы делаем схему с очень и очень высоким входным сопротивлением. Как мы это делаем? Что ж, есть несколько способов, включая использование полевых транзисторов и операционных усилителей, но мы также можем получить высокие входные импедансы за счет использования конфигурации двойного BJT, называемой парой Дарлингтона.

7.4.5: Пара Дарлингтона

Пара Дарлингтона была изобретена американским инженером Сидни Дарлингтоном. Конфигурация приводит к составному устройству с очень высоким значением \ (\ beta \).При правильном использовании это может привести к цепям усилителя с очень высоким входным сопротивлением. Пара Дарлингтона показана на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): пара Дарлингтона.

Операция следующая. Базовый ток первого транзистора, \ (Q_1 \), умножается на \ (\ beta \) из \ (Q_1 \), в результате получается ток эмиттера \ (Q_1 \). Этот ток подается на базу второго транзистора, \ (Q_2 \), где он умножается на \ (\ beta \) \ (Q_2 \), в результате получается ток эмиттера \ (Q_2 \).Если рассматривать пару как одно устройство, то эффективная \ (\ beta \) пары равна \ (\ beta _1 \ beta _2 \). Учитывая типичные значения для \ (\ beta \), составное значение может находиться в диапазоне от 5000 до 10 000. Функциональным недостатком этой схемы является то, что \ (V_ {BE} \) теперь удваивается до 1,4 В (для кремния), а эффективное \ (r’_e \) пары также удваивается. Эти проблемы незначительны по сравнению с преимуществом огромного выигрыша по току, который можно получить.

Суть при использовании пары Дарлингтона — обращаться с ней как с обычным транзистором, за исключением того, что у него очень большой \ (\ beta \), и оба \ (V_ {BE} \) и \ (r’_e \) удваиваются. по сравнению с обычными ценностями.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите выходное напряжение для повторителя, показанного на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Предположим, что входной сигнал составляет 100 мВ, а значение \ (\ beta \) для пары Дарлингтона равно 10 000.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

Первое, что может показаться немного странным, по крайней мере, по сравнению с предыдущими схемами смещения, — это то, что резистор смещения базы намного больше, чем резистор смещения эмиттера.Обычно это приводит к нестабильной точке Q, но здесь это не проблема. Поскольку \ (\ beta \) такой большой, \ (R_B \) может быть намного больше обычного, и мы все равно добьемся хорошей стабильности. Фактически, мы все еще можем использовать приближение, что база находится на земле постоянного тока. Если это правда, анализ происходит следующим образом:

\ [I_C = \ frac {∣V_ {EE} ∣ − V_ {BE}} {R_E} \ nonumber \]

\ [I_C = \ frac {10 V − 1.4 V} {3.3 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_C = 2,61 мА \ nonumber \]

\ [r’_e = 2 \ times \ frac {26mV} {I_C} \ nonumber \]

\ [r’_e = \ frac {52 мВ} {2.61 мА} \ nonumber \]

\ [r’_e = 20 \ Omega \ nonumber \]

\ [Z_ {i n (base)} = \ beta (r’_e + r_E) \ nonumber \]

\ [Z_ {i n (base)} = 10 000 (20 \ Omega + 3.3k \ Omega || 150 \ Omega) \ nonumber \]

\ [Z_ {i n (base)} = 1,63M \ Omega \ nonumber \]

Это значение параллельно резистору смещения базы, создавая входной импеданс.

\ [Z_ {i n} = R_B || Z_ {i n (основание)} \ nonumber \]

\ [Z_ {i n} = 220 к \ Омега || 1,63 млн \ Omega \ nonumber \]

\ [Z_ {i n} = 194 k \ Omega \ nonumber \]

Это намного больше, чем мы видели в предыдущих схемах.Нагруженное усиление от базы к эмиттеру —

.

\ [A_v = \ frac {r_E} {r’_e + r_E} \ nonumber \]

\ [A_v = \ frac {150 \ Omega || 3.3k \ Omega} {20 \ Omega +150 \ Omega || 3.3к \ Omega} \ nonumber \]

\ [A_v = 0,88 \ nonumber \]

Теперь, чтобы учесть влияние импеданса источника 4,7 кОм. Это создаст делитель напряжения с входным сопротивлением, как оказалось, минимальным.

\ [A_ {divider} = \ frac {Z_ {in}} {Z_ {i n} + Z_ {source}} \ nonumber \]

\ [A_ {divider} = \ frac {194 k \ Omega} {194 k \ Omega +4.7 к \ Omega} \ nonumber \]

\ [A_ {divider} = 0,976 \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = A_v \ times A_ {разделитель} \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = 0,88 \ раз 0,976 \ nonumber \]

\ [A_ {v (система)} = 0,86 \ nonumber \]

Напряжение нагрузки

\ [V_ {load} = A_ {v (system)} \ times V_ {i n} \ nonumber \]

\ [V_ {нагрузка} = 0,86 \ умножить на 100 мВ \ nonumber \]

\ [V_ {нагрузка} = 86 мВ \ nonumber \]

Если бы мы подключили источник напрямую к нагрузке, то 4.Делитель 7 k \ (\ Omega \) / 150 \ (\ Omega \) сжал бы подаваемый сигнал в тень его прежнего размера, оставив нам всего 3 мВ.

Компьютерное моделирование

Чтобы проверить результаты примера \ (\ PageIndex {2} \), мы запустим переходный анализ. Схема ввода показана на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Схема моделирования для ведомого пара Дарлингтона.

Здесь интересны напряжения на источнике, базе и нагрузке.Поскольку делитель входного импеданса / импеданса источника составлял 0,976, мы ожидаем 97,6 мВ в узле 4. На выходе, узле 6, мы ожидаем увидеть наше окончательное вычисленное значение 86 мВ. Выходной график моделирования показан на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Моделирование согласуется.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Анализ переходных процессов для последователя пары Дарлингтона.

7.4.6: Разделитель фаз

Фазоразделитель — это комбинация усилителя с общим эмиттером и повторителя с общим коллектором, использующая один транзистор.Целью схемы является создание двух версий входного сигнала: буферизованной версии, идентичной входной, и инвертированной версии, причем обе волны имеют одинаковую амплитуду. Схема используется в системах драйверов дифференциальной линии. Эта схема помогает минимизировать внешний шум и помехи, воспринимаемые кабелями связи. Есть и другие способы создания фазоделителей, в том числе с использованием дифференциальных усилителей или операционных усилителей, но эта версия на основе BJT представляет собой минималистское решение ² .Базовая схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): простой разделитель фазы.

Для правильной работы схема в значительной степени симметрична. То есть \ (R_ {L1} = R_ {L2} \), \ (R_E = R_C \) и \ (C_C = C_E \). В этом случае сопротивления коллектора и эмиттера переменного тока будут равны (\ (r_C = r_E \)). Если мы затем посмотрим на основные уравнения усиления, мы обнаружим, что обе нагрузки получат одинаковую величину усиления (чуть меньше единицы), хотя \ (R_ {L1} \) будет видеть сигнал инвертированным.

\ [A_v = — \ frac {r_C} {r’_e + r_E} \ text {Усилитель с общим эмиттером} \ nonumber \]

\ [A_v = \ frac {r_E} {r’_e + r_E} \ text {Обычный последователь коллектора} \ nonumber \]

Список литературы

¹ Не верите? Просто попробуйте кричать в один и послушайте, что выходит из гитарного усилителя.

² Подробнее об альтернативных методах см. Fiore, J, Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits: Theory and Application, еще один бесплатный текст OER.

.