Общий коллектор - Common collector

Рисунок 1: Базовая схема общего коллектора NPN (без учета смещение Детали).

В электроника, а общий коллектор усилитель мощности (также известный как эмиттер-повторитель) является одним из трех основных одноэтапных биполярный переходной транзистор (BJT) усилитель топологии, обычно используется как буфер напряжения.

В этой схеме клемма базы транзистора служит входом, эмиттер - выходом, а коллектор - общий к обоим (например, он может быть привязан к наземная ссылка или шина питания ), отсюда и его название. Аналогичный полевой транзистор схема является общий сток усилитель и аналог трубка схема является катодный повторитель.

Базовая схема

Рисунок 2: A усилитель отрицательной обратной связи

Схема может быть объяснена, если рассматривать транзистор как находящийся под управлением отрицательной обратной связи. С этой точки зрения общий коллекторный каскад (рис.1) представляет собой усилитель с полной последовательностью негативный отзыв. В этой конфигурации (рис.2 с β = 1) все выходное напряжение V_ИЗ размещен напротив и последовательно с входным напряжением V_В. Таким образом, два напряжения вычитаются согласно Закон напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализуется только входным контуром) и их необычайной разностью V_{разница} = V_В - V_ИЗ применяется к переходу база-эмиттер. Транзистор постоянно контролирует V_{разница} и регулирует его напряжение эмиттера почти равным (меньше V_BEO) к входному напряжению, пропуская соответствующий ток коллектора через резистор эмиттера R_E. В результате выходное напряжение следует изменения входного напряжения от V_BEO до V₊; отсюда и название, эмиттер-повторитель.

Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что напряжение база-эмиттер в биполярном транзисторе очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (с хорошим приближением) непосредственно на эмиттер. Это немного зависит от различных нарушений (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен и т. Д.), Поскольку транзистор реагирует на эти нарушения и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.

Математически можно показать, что схема общего коллектора имеет усиление напряжения почти единства:

${\displaystyle {A_{\mathrm {v} }}={v_{\mathrm {out} } \over v_{\mathrm {in} }}\approx 1}$

Рисунок 3: Версия PNP схемы эмиттерного повторителя, все полярности поменяны местами.

Небольшое изменение напряжения на входной клемме будет воспроизведено на выходе (немного в зависимости от коэффициента усиления транзистора и значения сопротивление нагрузки; см. формулу усиления ниже). Эта схема полезна, потому что у нее большой входное сопротивление, поэтому он не загрузит предыдущую схему:

${\displaystyle r_{\mathrm {in} }\approx \beta _{0}R_{\mathrm {E} }}$

и небольшой выходное сопротивление, поэтому он может управлять низкоомными нагрузками:

${\displaystyle r_{\mathrm {out} }\approx {R_{\mathrm {E} }}\|{R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}}}$

Как правило, эмиттерный резистор значительно больше и его можно исключить из уравнения:

${\displaystyle r_{\mathrm {out} }\approx {R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}}}$

Приложения

Рисунок 4: Повторитель напряжения NPN с Источник тока смещение подходит для интегральных схем

Низкое выходное сопротивление позволяет использовать источник с большим выходное сопротивление водить небольшой сопротивление нагрузки; он функционирует как напряжение буфер. Другими словами, схема имеет коэффициент усиления по току (который во многом зависит от h_FE транзистора) вместо усиления по напряжению, из-за своих характеристик он предпочтителен во многих электронных устройствах. Небольшое изменение входного тока приводит к гораздо большему изменению выходного тока, подаваемого на выходную нагрузку.

Одним из аспектов буферного действия является преобразование импедансов. Например, Сопротивление Тевенину комбинации повторителя напряжения, управляемого источником напряжения с высоким сопротивлением Тевенина, уменьшается только до выходного сопротивления повторителя напряжения (небольшое сопротивление). Такое снижение сопротивления делает комбинацию более идеальным источником напряжения. И наоборот, повторитель напряжения, вставленный между малым сопротивлением нагрузки и приводной ступенью, представляет большую нагрузку на приводную ступень - преимущество в передаче сигнала напряжения на небольшую нагрузку.

Эта конфигурация обычно используется в выходных каскадах класс-B и класс-AB усилители. Базовая схема модифицирована для работы транзистора в режиме класса B или AB. В класс-А режим, иногда активный Источник тока используется вместо R_E (Рис. 4) для улучшения линейности и / или эффективности.^[1]

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенного гибридная пи модель, следующее слабосигнальный характеристики могут быть получены. (Параметр ${\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}$ и параллельно линии указывают компоненты параллельно.)

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

Где ${\displaystyle R_{\mathrm {source} }\ }$ это Тевенин эквивалентное сопротивление источника.

Производные

Рисунок 5: Схема слабого сигнала, соответствующая рисунку 3, использующая модель гибридного Пи для биполярного транзистора на частотах, достаточно низких, чтобы игнорировать емкости биполярного устройства.

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

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

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

Определите следующие значения сопротивления:

${\displaystyle {\frac {1}{R_{\mathrm {E} }}}={\frac {1}{R_{\mathrm {L} }}}+{\frac {1}{r_{\mathrm {O} }}}}$

${\displaystyle R={\frac {R_{\mathrm {S} }+r_{\pi }}{\beta +1}}\ .}$

Затем, собрав члены, коэффициент усиления по напряжению находится как:

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

Из этого результата коэффициент усиления приближается к единице (как и ожидалось для буферный усилитель ), если отношение сопротивлений в знаменателе мало. Это отношение уменьшается с увеличением значений коэффициента усиления по току β и с увеличением значений ${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$.Входное сопротивление определяется как:

${\displaystyle R_{\mathrm {in} }={\frac {v_{\mathrm {in} }}{i_{\mathrm {b} }}}={\frac {R_{\mathrm {S} }+r_{\pi }}{1-A_{\mathrm {v} }}}\ }$

${\displaystyle =\left(R_{\mathrm {S} }+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\mathrm {E} }}{R}}\right)\ }$

${\displaystyle =R_{\mathrm {S} }+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\mathrm {E} }\ .}$

Выходное сопротивление транзистора ${\displaystyle r_{\mathrm {O} }}$ обычно большой по сравнению с нагрузкой ${\displaystyle R_{\mathrm {L} }}$ и поэтому ${\displaystyle R_{\mathrm {L} }}$ доминирует ${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$. В результате входное сопротивление усилителя намного больше, чем выходное сопротивление нагрузки. ${\displaystyle R_{\mathrm {L} }}$ для большого усиления тока ${\displaystyle \beta }$. То есть размещение усилителя между нагрузкой и источником представляет большую (высокоомную) нагрузку на источник, чем прямая связь с ${\displaystyle R_{\mathrm {L} }}$, что приводит к меньшему ослаблению сигнала в импедансе источника ${\displaystyle R_{\mathrm {S} }}$ как следствие деление напряжения.

На рис. 6 показана схема слабого сигнала на рис. 5 с короткозамкнутым входом и испытательным током на выходе. Выходное сопротивление определяется по этой схеме как:

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

Используя закон Ома, были найдены различные токи, указанные на диаграмме. Собирая термины для базового тока, базовый ток находится как:

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

куда ${\displaystyle R_{\mathrm {E} }}$ определено выше. Используя это значение для базового тока, закон Ома дает ${\displaystyle v_{\mathrm {x} }}$ в качестве:

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

Подставляя базовый ток и собирая условия,

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

где || обозначает параллельное соединение и ${\displaystyle R}$ определено выше. Потому что ${\displaystyle R}$ Обычно это небольшое сопротивление, когда текущий коэффициент усиления ${\displaystyle \beta }$ большой, ${\displaystyle R}$ доминирует над выходным импедансом, который, следовательно, также невелик. Малый выходной импеданс означает, что последовательная комбинация исходного источника напряжения и повторителя напряжения представляет собой Источник напряжения Thévenin с более низким сопротивлением Тевенина в его выходном узле; то есть комбинация источника напряжения с повторителем напряжения делает источник напряжения более идеальным, чем исходный.

Смотрите также

• Электронный портал

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

Рекомендации

1. Род Эллиот: Усилитель мощности класса A на 20 Вт

внешняя ссылка

• Виктор Джонс: Основные конфигурации усилителя BJT
• NPN-усилитель с общим коллектором — Гиперфизика
• Теодор Павлич: ECE 327: Основы транзисторов; часть 6: npn Emitter Follower
• Дуг Гингрич: Общий коллекторный усилитель Университет Альберты
• Раймонд Фрей: Лабораторные упражнения Университет Орегона