Усилитель с общим эмиттером

Предположим, что нас интересовало использование солнечного элемента в качестве прибора для измерения силы света. Мы хотим измерить интенсивность падающего света от солнечного элемента, используя его выходной ток для движения счетчика. Для этого можно напрямую подключить движение счетчика к солнечному элементу. Вот так устроены простейшие экспонометры для фотографических работ.

Свет высокой интенсивности напрямую управляет экспонометром.

Хотя этот подход может работать для измерений средней интенсивности света, он не будет работать также для измерений низкой интенсивности света. Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности движения счетчика в энергии, чувствительность системы неизбежно ограничена. Предположим, что нам здесь нужно измерить интенсивность света очень низкого уровня, мы вынуждены искать другое решение.

Транзистор как усилитель

Возможно, наиболее прямым решением этой проблемы измерения является использование транзистора к усилить ток солнечного элемента, чтобы можно было добиться большего отклонения метров при меньшем количестве падающего света.

Ток в ячейке должен быть усилен для получения света низкой интенсивности.

Ток через движение счетчика в этой цепи будет в β раз больше тока солнечного элемента. С транзистором β, равным 100, это представляет собой существенное увеличение чувствительности измерения. Разумно отметить, что дополнительная энергия для перемещения стрелки счетчика исходит от батареи в дальнем правом углу схемы, а не от самого солнечного элемента. Все, что делает ток солнечного элемента, - это контроль . ток батареи, подаваемый на счетчик, чтобы обеспечить более высокие показания счетчика, чем солнечный элемент может обеспечить без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством регулирования тока, и поскольку показания счетчика основаны на токе через подвижную катушку, показания счетчика в этой цепи должны зависеть только от тока от солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого аккумулятор. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния батареи, что является важной особенностью! Все, что требуется от батареи, - это определенное минимальное выходное напряжение и ток, достаточные для работы счетчика на полную шкалу.

Выходное напряжение из-за тока через резистор нагрузки

Другой способ использования конфигурации с общим эмиттером - создание выходного напряжения . полученный из входного сигнала, а не из конкретного выходного тока . Давайте заменим механизм счетчика простым резистором и измерим напряжение между коллектором и эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером вырабатывает выходное напряжение из-за тока, протекающего через нагрузочный резистор.

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет в режиме отсечки и будет вести себя как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером для максимального выхода V _output . , равное полному напряжению аккумулятора.

На полной мощности (максимальная освещенность) солнечный элемент переводит транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером или почти нулевое выходное напряжение. В действительности насыщенный транзистор никогда не может достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, около нескольких десятых вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

Для уровней освещенности где-то между нулем и максимальной выходной мощностью солнечного элемента транзистор будет в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи. Здесь важно отметить важное качество конфигурации с общим эмиттером:выходное напряжение инвертировано . относительно входного сигнала. То есть выходное напряжение уменьшается по мере увеличения входного сигнала. По этой причине конфигурация усилителя с общим эмиттером называется инвертирующей усилитель.

Быстрое моделирование SPICE (рисунок ниже) схемы на рисунке ниже подтвердит наши качественные выводы об этой схеме усилителя.

 * усилитель с общим эмиттером i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v (2,0) .end 

Схема общего эмиттера с номерами узлов и соответствующим списком соединений SPICE.

Общий эмиттер:выходное напряжение коллектора по сравнению с входным током базы.

В начале моделирования на рисунке выше, где источник тока (солнечный элемент) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, а полные 15 вольт от батареи отображаются на выходе усилителя (между узлами 2 и 0). . Когда ток солнечного элемента начинает расти, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как линия выходного напряжения на графике является идеально линейной (с шагом 1 вольт от 15 до 1 вольт) до точки насыщения, где оно никогда не достигает нуля. Это эффект, упомянутый ранее, когда насыщенный транзистор никогда не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за эффектов внутреннего перехода. Что мы действительно видим, так это резкое снижение выходного напряжения с 1 вольт до 0,2261 вольт при увеличении входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем продолжающееся снижение выходного напряжения с этого момента (хотя и постепенно меньшими шагами). Наименьшее выходное напряжение, когда-либо полученное в этой модели, составляет 0,1299 вольт, асимптотически приближаясь к нулю.

Транзистор как усилитель переменного тока

До сих пор мы видели транзистор, используемый в качестве усилителя для сигналов постоянного тока. В примере с измерителем света на солнечном элементе нас интересовало усиление выхода постоянного тока солнечного элемента для управления движением измерителя постоянного тока или для создания выходного напряжения постоянного тока. Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто AC усилитель для усиления переменного сигналы тока и напряжения желательны. Одно из распространенных применений - в аудиоэлектронике (радио, телевизоры и системы громкой связи). Ранее мы видели пример аудиовыхода камертона, активирующего транзисторный ключ. Давайте посмотрим, сможем ли мы изменить эту схему для передачи энергии на динамик, а не на лампу, как показано на рисунке ниже.

Транзисторный переключатель активируется звуком.

В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования выходного сигнала переменного тока микрофона в напряжение постоянного тока для управления входом транзистора. Все, о чем мы здесь заботились, - это включить лампу звуковым сигналом от микрофона, и такого устройства для этого было достаточно. Но теперь мы хотим воспроизвести сигнал переменного тока и запустить динамик. Это означает, что мы больше не можем исправить выход микрофона, потому что нам нужен неискаженный сигнал переменного тока для управления транзистором, снятия мостового выпрямителя и замены лампы динамиком:

Усилитель с общим эмиттером приводит в действие динамик звуковым сигналом.

Поскольку микрофон может создавать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN (диодном) переходе база-эмиттер, резистор должен быть установлен последовательно с микрофоном. Смоделируйте схему с помощью SPICE. Список соединений включен в (рисунок ниже)

SPICE версия усилителя звука с общим эмиттером.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 0 sin (0 1,5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,74m .plot tran v (1,0) i (v1) .end 

Сигнал на коллекторе ограничен из-за отсутствия смещения базы постоянного тока.

Моделирование отображает как входное напряжение (сигнал переменного тока с пиковой амплитудой 1,5 В и частотой 2000 Гц), так и ток через 15-вольтовую батарею, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоидальную волну переменного тока, чередующуюся как в положительном, так и в отрицательном направлениях, и полуволновую форму волны выходного тока, которая пульсирует только в одном направлении. Если бы мы управляли динамиком с такой формой волны, воспроизводимый звук был бы искажен.

Что не так со схемой? Почему он не может точно воспроизвести всю форму волны переменного тока с микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти, внимательно изучив модель источника тока на транзисторном диоде на рисунке ниже.

Модель показывает, что базовый ток течет в одном направлении.

Ток коллектора контролируется или регулируется с помощью механизма постоянного тока в соответствии со скоростью, задаваемой током через диод база-эмиттер. Обратите внимание, что оба пути тока через транзистор однонаправлены: только в одном направлении! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления переменного тока сигнал, по сути, это DC устройство, способное обрабатывать токи в одном направлении. Мы можем подавать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но ток не может течь в этой цепи в течение той части цикла, которая вызывает обратное смещение диодного перехода база-эмиттер. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки в течение этой части цикла. Он будет «включаться» в активном режиме только тогда, когда входное напряжение имеет правильную полярность для прямого смещения диода база-эмиттер, и только когда это напряжение достаточно высокое, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде. Помните, что биполярные транзисторы - это устройства с регулируемым током . :они регулируют ток коллектора в зависимости от наличия тока между базой и эмиттером. , а не напряжение между базой и эмиттером .

Единственный способ заставить транзистор воспроизводить всю форму волны при прохождении тока через динамик - это держать транзистор в активном режиме все время. Это означает, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего цикла входного сигнала. Следовательно, диодный переход база-эмиттер должен всегда оставаться смещенным в прямом направлении. К счастью, это можно сделать с помощью постоянного напряжения смещения . добавлен к входному сигналу. Последовательно подключив достаточное постоянное напряжение к источнику переменного тока, прямое смещение может поддерживаться во всех точках на протяжении волнового цикла. (Рисунок ниже)

Vbias удерживает транзистор в активной области.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 m .plot tran v (1,0) i (v1) .end 

Неискаженный выходной ток I (v (1) из-за Vbias

При наличии источника напряжения смещения 2,3 В транзистор остается в активном режиме на протяжении всего цикла волны, точно воспроизводя форму волны в динамике. Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется от 0,8 до 3,8 вольт, размах напряжения составляет 3 вольта, как и ожидалось (напряжение источника =1,5 вольта, пиковое значение). Выходной (динамик) ток варьируется от нуля до почти 300 мА, сдвиг на 180 ° по фазе с входным (микрофонным) сигналом.

Иллюстрация на рисунке ниже представляет собой другой вид той же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами («осциллографами»), подключенными в критических точках для отображения всех соответствующих сигналов.

Вход смещен вверх у основания. Выход инвертирован.

Смещение

Необходимость смещения схемы транзисторного усилителя для получения полного воспроизведения сигнала является важным соображением . Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен методам смещения и смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может быть необходимо для правильного вывода напряжения и тока усилителя.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и прирост мощности. Стандартный транзистор, используемый в этих анализах SPICE, имеет β, равный 100, на что указывает короткая распечатка статистики транзисторов, включенная в текстовый вывод в таблице ниже (эти статистические данные были вырезаны из последних двух анализов для краткости).

Параметры модели BJT SPICE.

 тип npn - 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000 

β отображается под аббревиатурой «bf», что на самом деле означает «бета, вперед» . Если бы мы хотели вставить наше собственное соотношение β для анализа, мы могли бы сделать это в строке .model списка соединений SPICE.

Поскольку β - это отношение тока коллектора к току базы, и наша нагрузка подключена последовательно с выводом коллектора транзистора, а источник - последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току равно бета. Таким образом, текущее усиление для этого примера усилителя составляет 100 или 40 дБ.

Коэффициент усиления напряжения

Коэффициент усиления по напряжению немного сложнее вычислить, чем коэффициент усиления по току для этой схемы. Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному. Чтобы экспериментально определить это, мы модифицируем наш последний анализ SPICE для построения графика выходного напряжения, а не выходного тока, поэтому у нас есть два графика напряжения для сравнения на рисунке ниже.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 м. участок tran v (1,0) v (3) .end 

V (3), выходное напряжение на r spkr по сравнению с вводом.

На графике в том же масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что форма выходного сигнала на рисунке выше имеет меньшую размах амплитуды, чем входной сигнал, в дополнение к более низкому напряжению смещения, не превышающему 0 вольт вроде вход. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется соотношением амплитуд переменного тока, мы можем игнорировать любое смещение постоянного тока, разделяющее две формы сигнала. Даже в этом случае форма входного сигнала все еще больше, чем выходного сигнала, что говорит нам о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Низкое усиление напряжения не характерно для всех усилители с общим эмиттером. Это следствие большой разницы между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) всего 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току этого усилителя определяется исключительно β транзистора, и поскольку это значение β является фиксированным, коэффициент усиления по току для этого усилителя не будет изменяться при изменении любого из этих сопротивлений. Однако прирост напряжения составляет в зависимости от этих сопротивлений. Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его большим значением, оно упадет пропорционально большему напряжению для своего диапазона токов нагрузки, что приведет к большей форме выходного сигнала. Попробуйте другое моделирование, только на этот раз с нагрузкой 30 Ом на рисунке ниже вместо нагрузки 8 Ом.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 м. участок tran v (1,0) v (3) .end 

Увеличение r _spkr до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз форма волны выходного напряжения на рисунке выше значительно больше по амплитуде, чем форма волны входного сигнала. Присмотревшись, мы видим, что амплитуда выходного сигнала колеблется от 0 до 9 вольт:примерно в 3 раза больше амплитуды входного напряжения.

Мы можем провести еще один компьютерный анализ этой схемы, на этот раз попросив SPICE проанализировать ее с точки зрения переменного тока, дав нам значения пикового напряжения для входа и выхода вместо временного графика форм сигналов. (Таблица ниже)

Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 ac 1,5 vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v ( 1,0) v (4,3) .end freq v (1) v (4,3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

Измерения пикового напряжения на входе и выходе показывают, что входное напряжение составляет 1,5 В, а выходное напряжение - 4,418 В. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В) или 9,3827 дБ.

Решение для увеличения напряжения:

Поскольку коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером фиксирован на β, и поскольку входное и выходное напряжения будут равны входному и выходному токам, умноженным на их соответствующие резисторы, мы можем вывести уравнение для приблизительного усиления напряжения:

Как видите, прогнозируемые результаты для усиления напряжения довольно близки к результатам моделирования. При идеально линейном поведении транзистора эти два набора цифр будут точно совпадать. SPICE разумно учитывает многие «причуды» работы биполярных транзисторов в своем анализе, отсюда и небольшое несоответствие в усилении напряжения на основе выходных данных SPICE.

Эти приросты напряжения остаются неизменными независимо от того, где мы измеряем выходное напряжение в цепи:на коллекторе и эмиттере или на последовательном нагрузочном резисторе, как мы это делали в последнем анализе. Величина выходного напряжения изменение для любого заданного количества входного напряжения останется прежним. Рассмотрим два следующих анализа SPICE как доказательство этого. Первое моделирование на рисунке ниже основано на времени, чтобы обеспечить график входных и выходных напряжений. Вы заметите, что два сигнала сдвинуты по фазе на 180o друг с другом. Вторая симуляция в таблице ниже - это анализ переменного тока для получения простых значений пикового напряжения на входе и выходе.

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,74 m .plot tran v (1,0) v (3,0) .end 

Усилитель с общим эмиттером показывает усиление напряжения с R _spkr =30 Ом Список соединений SPICE для анализа переменного тока

 усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 ac 1,5 vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v ( 1,0) v (3,0) .end freq v (1) v (3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

У нас все еще есть пиковое выходное напряжение 4,418 вольт при пиковом входном напряжении 1,5 вольт.

До сих пор все примеры схем, показанные в этом разделе, использовали транзисторы NPN. Транзисторы PNP можно использовать так же, как NPN в любых Конфигурация усилителя при условии соблюдения правильной полярности и направления тока, и усилитель с общим эмиттером не является исключением. Инверсия выхода и коэффициент усиления транзисторного усилителя PNP такие же, как и у его аналога NPN, только полярность батареи отличается.

PNP-версия усилителя с общим эмиттером.

ОБЗОР:

• Обычный эмиттер Транзисторные усилители называются так потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод эмиттера транзистора друг с другом, без учета каких-либо источников питания.
• Транзисторы - это, по сути, устройства постоянного тока:они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи в обратном направлении. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного тока, входной сигнал должен быть смещен на напряжение постоянного тока, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего цикла волны. Это называется смещением . .
• Если выходное напряжение измеряется между эмиттером и коллектором усилителя с общим эмиттером, оно будет сдвинуто по фазе на 180 ° с формой волны входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется инвертирующим схема усилителя.
• Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером при нагрузке, включенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером приблизительно указан здесь:

• Где «Rout» - резистор, подключенный последовательно с коллектором, а «Rin» - резистор, подключенный последовательно с базой.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист усилителей BJT класса A