Эмиттерный повторитель (общий коллектор): основы, характеристики и применение

В проектировании транзисторных усилителей схема с общим коллектором — часто называемая эмиттерным повторителем — представляет собой простое, но мощное решение для буферизации напряжения и усиления тока. Ниже мы подробно разберем принцип работы, ключевые характеристики и практические области применения.

Что такое схема с общим коллектором?

В отличие от схемы с общим эмиттером, в схеме с общим коллектором коллектор является общей точкой для входной и выходной цепей. На приведенной ниже схеме показаны основные соединения:

Здесь источник сигнала и нагрузка подключены к выводу коллектора, а эмиттер служит выходным узлом. Поскольку через эмиттер протекает весь ток транзистора — сумма базового и коллекторного токов — схема по своей природе обеспечивает большой коэффициент усиления по току.

Коэффициент усиления по току в усилителе с общим коллектором

Ток, поступающий на нагрузку, равен эмиттерному току, который представляет собой сумму базового и коллекторного токов. Следовательно, коэффициент усиления по току (A_I) составляет:

$$A_I = \beta + 1$$

где β — коэффициент усиления транзистора по току. Это максимально достижимое усиление по току для однотранзисторного усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению: близкий к единице

Одной из определяющих черт данной топологии является её напряженное поведение. Поскольку напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе за вычетом падения напряжения V_BE ≈ 0,7 В (для кремниевых устройств), выходное напряжение по сути равно входному минус это постоянное диодное падение. В результате коэффициент усиления по напряжению (A_V) близок к 1 (0 дБ), а усилитель является неинвертирующим.

В SPICE данное поведение можно проверить с помощью следующего нетлиста:

common-collector amplifier
vin 1 0
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0 5 0.2
.plot dc v(3,0)
.end

Результаты моделирования подтверждают, что выход повторяет вход с лишь ~0,7 В смещением, независимо от β или сопротивления нагрузки.

Усиление переменного тока

Для переменного тока к входному сигналу добавляется постоянное смещение, чтобы удерживать транзистор в активном режиме на протяжении всего периода волны. Ниже показана схема и её переходное моделирование:

common-collector amplifier
vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
vbias 4 0 dc 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02m .78m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Выход повторяет форму входного сигнала с той же пик-пик амплитудой, смещенный только на падение V_BE.

PNP-транзисторы работают так же эффективно

Использование PNP-транзистора в схеме с общим коллектором дает такое же поведение повторителя напряжения, но с обратной полярностью напряжений и токов. Схема и принцип действия остаются аналогичными NPN-варианту.

Практическое применение

• Стабилизация напряжения: Транзистор с общим коллектором может увеличить токовые возможности стабилизатора на стабилитроне, обеспечивая питание тяжелых нагрузок, пока стабилитрон обрабатывает только базовый ток. Напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 В ниже напряжения стабилитрона.
• Дарлингтоновская пара: Для еще большего усиления по току два транзистора можно каскадировать в схеме Дарлингтона, фактически перемножая их индивидуальные коэффициенты (β + 1). Выходное напряжение тогда теряет два падения V_BE относительно входного.

На схемах изображены одиночный транзистор, PNP-вариант и Дарлингтоновская пара, иллюстрирующие эти концепции.

Ключевые выводы

• Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) использует общий коллектор для входа и выхода.
• Обеспечивает неинвертирующий выход с коэффициентом усиления по напряжению ≈ 1 и по току β + 1.
• Идеально подходит для буферизации, стабилизации напряжения и управления большими токами.
• Дарлингтоновские пары расширяют усиление по току, сохраняя свойство повторителя напряжения.

Связанные ресурсы

• Усилители класса А на биполярных транзисторах (рабочий лист)