Схема с общим эмиттером: коммутация, усиление и методы смещения

Конфигурация с общим эмиттером — базовая транзисторная схема, служащая и надёжным ключом, и эффективным усилителем для аналоговых сигналов. Работая между пределями насыщения и среза, транзистор точно управляет коллекторным током, обеспечивая линейное усиление входных токов или напряжений.

Транзистор как простой ключ

В классическом NPN ключе эмиттер служит общим узлом для источника сигнала и нагрузки. Схема ниже иллюстрирует два крайних режима работы транзистора:

Когда солнечный элемент генерирует малый ток, транзистор может насытиться и зажечь лампу. Яркость лампы прямо пропорциональна интенсивности света на элементе.

Использование солнечного элемента как измерителя интенсивности света

Прямое подключение измерительного механизма к солнечному элементу работает для умеренных уровней света, но ограничивает чувствительность, так как элемент должен обеспечивать всю мощность измерителя. Усиление поэтому требуется для измерений низких интенсивностей.

Усиление тока солнечного элемента

Вставка транзистора с общим эмиттером усиливает ток, видимый измерителем, в β раз (часто 100), позволяя гораздо большие отклонения при том же падающем свете. Дополнительная мощность для отклонения измерителя берётся от внешней батареи; транзистор лишь регулирует этот ток.

Так как отклонение измерителя зависит только от тока солнечного элемента, показания остаются точными независимо от вариаций напряжения батареи, если только батарея может выдать требуемый ток.

Напряжённый выход на нагрузочном резисторе

Замена измерителя резистором и измерение коллекторно-эмиттерного напряжения даёт инвертированный напряжённый выход, линейно меняющийся с входным током до насыщения. В насыщении коллекторно-эмиттерное напряжение никогда не падает до нуля из-за переходов транзистора.

Симуляция: Коллекторное напряжение vs Базовый ток

SPICE симуляции подтверждают ожидаемое поведение: выходное напряжение падает от напряжения питания до долей вольта по мере перехода транзистора от среза к насыщению.

 *common-emitter amplifier 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 

Трассировки выходного напряжения показывают идеально линейное падение от 15 В до ~1 В до насыщения, за которым следует резкий спад, асимптотически стремящийся к нулю.

От DC к AC: Усиление аудио сигналов

Усилители с общим эмиттером также усиливают аудио сигналы. AC выход микрофона может управлять транзистором, если базо-эмиттерный переход остаётся прямо смещённым на протяжении всей волны, что требует DC смещения, добавленного последовательно с аудио источником.

Без смещения транзистор остаётся в срезе половину цикла, давая обрезанный выход и слышимые искажения.

 common-emitter amplifier 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 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Со смещением транзистор остаётся активным весь цикл, верно воспроизводя аудио волну на динамике и избегая искажений.

Основы смещения

Смещение необходимо для AC усиления биполярными транзисторами, так как эти приборы по сути токоуправляемые и допускают ток только в одном направлении. DC смещение обеспечивает непрерывное прямое смещение базо-эмиттерного перехода.

Расчёт усиления

Токовое усиление равно β транзистора (≈100 в симуляциях), давая 40 дБ токового усиления. Напряжённое усиление зависит от отношения нагрузочного сопротивления (R_out) к входному сопротивлению (R_in), и может выражаться как:

Увеличение нагрузочного сопротивления с 8 Ом до 30 Ом подняло выходное напряжение с ~1 В до 4,4 В, дав напряжённое усиление 2,95 (≈9,4 дБ), подтверждённое SPICE AC анализом.

 common-emitter amplifier 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 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

PNP эквивалент

PNP транзисторы могут использоваться в той же конфигурации с общим эмиттером, давая идентичное усиление и инвертирующие характеристики; меняется только полярность питания.

Ключевые выводы

• Усилитель с общим эмиттером разделяет эмиттерный узел между входом и выходом.
• Смещение DC смещением обязательно для AC усиления, чтобы удержать транзистор в активной области.
• Коллекторно-эмиттерное напряжение на 180° противоположно фазе базо-эмиттерного входа — следовательно, инвертирующий усилитель.
• Токовое усиление ≈ β; напряжённое усиление зависит от R_out/R_in.