Усилитель с общим коллектором

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

Усилитель с общим коллектором имеет общий коллектор как для входа, так и для 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:ввод 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, будучи включенными последовательно с эмиттером. Поскольку вывод эмиттера транзистора обрабатывает наибольший ток (сумма токов базы и коллектора, поскольку токи базы и коллектора всегда пересекаются 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: коэффициент усиления по току для усилителя с общим коллектором довольно велик, 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 же сможете увидеть, в чем уникальность этого усилителя. Список соединений представлен на рисунке ниже.

Общий коллекторный усилитель 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 минус 0,7 В БЫТЬ падение.

В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, с общим коллектором вырабатывается выходное напряжение прямое . а не обратный пропорционально возрастанию входного напряжения.

По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, при внимательном рассмотрении выясняется, что выходное напряжение почти идентично от входного напряжения, отставая примерно на 0,7 вольт.

Это уникальное качество усилителя с общим коллектором:выходное напряжение почти равно входному. . Рассмотрено с точки зрения изменения выходного напряжения для заданной величины входного напряжения изменение , 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.

Модель транзистора с диодным источником тока

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 падение VBE на 0,7 В)

Учитывая полярность напряжения на PN-переходе база-эмиттер и нагрузочном резисторе, мы видим, что эти должны сложите вместе, 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 при всех условиях, 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 В.

Из-за такого поведения схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттер-подписчик усилитель, потому что напряжение нагрузки эмиттера 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 цикла. . Когда это будет сделано, в результате будет получен 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 напряжения VBE 0,7 В.

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

Коэффициент усиления неинвертирующего напряжения на общем коллекторе очень близок к 1.

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает какого-либо усиления по напряжению (фактически, на практике он имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньше чем 1), единственным фактором 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 базовый ток, нагрузка в этом типе усилителя проходит через него весь ток коллектора плюс входной ток базы. Это дает текущий коэффициент усиления β плюс 1:

Опять же, 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.

Усилитель с общим коллектором часто применяется 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 напряжения на стабилитроне.

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. устойчиво.

Одним из популярных способов увеличения способности такой схемы регулятора к управлению током является использование транзистора с общим коллектором для усиления тока в нагрузке, так что стабилитрон должен обрабатывать только ток, необходимый для управления базой транзистор.

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 падения напряжения база-эмиттер на 0,7 В на транзисторе. Поскольку эта разница в 0,7 В довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, для этого приложения можно выбрать стабилитрон с повышенным номиналом на 0,7 В.

Иногда большого коэффициента усиления по току однотранзисторной конфигурации с общим коллектором недостаточно для конкретного применения. В этом случае несколько транзисторов могут быть соединены вместе в популярной конфигурации, известной как пара Дарлингтона . , просто расширение концепции общего коллектора, показанной на рисунке ниже.

Пара Дарлингтонов из NPN

Пары Дарлингтона, по сути, размещают один транзистор в качестве нагрузки с общим коллектором для другого транзистора, тем самым увеличивая 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 выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по напряжению по-прежнему почти равен 1, если вся сборка подключена к нагрузке по схеме с общим коллектором, хотя напряжение нагрузки будет на полные 1,4 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 построены из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, которое может быть получено с парой, могут быть созданы триплетные или квадруплетные сборки Дарлингтона.

ОБЗОР:

• Обычный коллекционер Транзисторные усилители называются так потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод коллектора транзистора, без учета каких-либо источников питания.
• Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттер-повторитель.
• Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет совпадать по фазе с входным напряжением, что делает общий коллектор неинвертирующим схема усилителя.
• Коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на практике, чуть меньше).
• Пара Дарлингтонов представляет собой пару транзисторов, «совмещенных» друг с другом, так что эмиттер одного подает ток на базу другого в виде 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 ТАБЛИЦЫ:

• Усилители BJT класса A