Транзистор в схеме с общим коллектором. Схемы включения биполярных транзисторов: особенности и применение

1, 2, 3 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, ОГЛАВЛЕНИЕстраница 3Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Принципиальная схема приведена на Рис. 3.14. Рис. 3.14 Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором.

Расчет по переменному току.   Представим схему замещения усилителя с ОК для расчета каскада по переменному току (см. Рис. 3.16.), при этом примем следующие допущения: — зажимы «+» и «-» источника питания по переменному току считаем однопотенциальными, за счет низкого внутреннего сопротивления источника питания; — при определении основных характеристик усилителя считаем, что усилитель работает в области средних звуковых частот, следовательно сопротивлениями разделительных конденсаторов СР1 и СР2 можно пренебречь, как и влиянием емкости СНΣ. Рис. 3.16 Схема замещения усилителя с ОК.   Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.  Расстановка знаков UВх, UВых, источника IБ·h 21Э/h 22Э и IК выполнена в соответствии с методикой, приведенной в разделе 3.2. Схему замещения (Рис. 3.16) можно описать уравнением:   Поскольку знаменатель KU больше числителя, то KU<1. при правельно спроектированном каскаде KU=0.9÷0.99.   Т.к. KU=1 то UВх=UВых, поэтому усилитель по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем, поскольку выходной сигнал повторяет входной по фазе и амплитуде.   Определение входного сопротивления усилителя. Входной ток транзистора можно описать следующим выражением: Следовательно, входное сопротивление транзистора можно определить как: Исходя из этого, входное сопротивление усилителя определяется выражением: RВх.Ус=RВх.Tp. Т.к. KU=(0.9÷0.99), то RВх.Тр=(10÷100)·h 11Э,следовательно RВх.Ус=(10÷100кОм). Следовательно, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо если используется источник сигнала с высоким внутренним сопротивлением.

Определение выходного сопротивления. Для определения выходного сопротивления повторителя, воспользуемся методикой, изложенной в разделе 3.2. модель каскада приведена на Рис. 3.17. С учетом того, что RВн<<RВх, замыкание активного источника ЭДС произведем вместе с его внутренним сопротивлением. Рис 3.17 – Модель эмиттерного повторителя для определения Rвых.   Для согласования модели с реальной схемой, предположим, что напряжение получило приращение как показано на Рис.3.17 («+» – к эмиттеру, «-» – к общей шине). Под действием этого напряжения и источника ЭДС будут протекать токи IБ и IKв направлениях, показанных на Рис. 3.17. Установим фактическое направление тока IК. Ток — течет с эмиттера в базу, тем самым открывает транзистор (транзистор p-n-p), следовательно, ток коллектора получает положительное приращение. Таким образом, направление тока коллектора в модели соответствует направлению реального тока, значит знак перед величиной источника IБ·h 21Э/h 22Э будет положительным. . Для тока коллектора можно записать следующее выражение: IОбщ=IK+IБ, но т.к. IБ<<IK получим, что IОбщ=IK, следовательно выходное сопротивление транзистора можно определить как: так как h 11Э·h 22Э<<h 21Э, то получим Для типовых значений этих параметров маломощных транзисторов получим RВых.Тр порядка десятков Ом. Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно: RВых.Пов=RВых.Тр||RЭ=RВых.Тр, т.к. RЭ обычно много больше RВых.Тр.

Выводы: Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из 3х схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким RВн и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току Ki, однако не усиливает напряжение (KU=1), поэтому ее называют эмиттерным повторителем, т. к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе так и по амплитуде. Схема с общим коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ – ОБ или ОБ – ОЭ.

Используются технологии uCoz

🎓 Лекция №4 — презентация на Slide-Share.ru

1

Первый слайд презентации: Лекция №4

1. Биполярный транзистор. Схема с общей базой. Лекция №4. 2. Биполярный транзистор. Схема с общим эмиттером. 3. Биполярный транзистор. Схема с общим коллектором. Электроника и схемотехника Схемы включения биполярного транзистора. 4. Биполярный транзистор как линейный четырехполюс- ник.

Изображение слайда

2

Слайд 2

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго – снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Включение транзистора по схеме с общей базой 1. Биполярный транзистор. Схема с общей базой. I вх = I э; I вых = I к; U вх = U бэ; U вых = U бк. Любая схема включения транзистора ха — рактеризуется двумя основными показ — ателями: — коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх = =Iк/Iэ=α [α<1]) — входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх = =Uбэ/Iэ. Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Недостатки схемы с общей базой:  Схема не усиливает ток α<1  Малое входное сопротивление Два разных источника напряжения для питания. Достоинства – хорошие температурные и частотные свойства.

Изображение слайда

3

Слайд 3

Основные параметры, характеризующие схему включения биполярного транзистора с общей базой: 1. Коэффициент передачи по току : 2. Входное сопротивление : Входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n -перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы – десятки Ом. Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала. 3. Коэффициент передачи по напряжению : Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки R н и входным сопротивлением. 4. Коэффициент передачи по мощности : Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.

Изображение слайда

4

Слайд 4

Эквивалентная схема включения транзистора по схеме с общей базой I вх = I э I вых = I к U вх = U бэ U вых = U бк

Изображение слайда

5

Слайд 5

1. 2. Статические характеристики для схемы с общей базой. 1.1. Принцип усиления мощности в схеме с общей базой. В схеме с общей базой в выходной цепи (коллектор­ной) практически проходит тот же ток, что и во входной ( эмиттерной ), т. е. усиление по току в данном случае отсутствует. Однако эта схе­ма дает возможность получить уси­ление по мощности. Чтобы понять принцип усиления мощности в транзисторе, да и в дру­гих усилительных приборах, надо учесть взаимодействие носителей за­ряда с электрическим полем. На­пример, дырка, двигаясь по направ­лению электрического поля, разго­няется в этом поле и приобретает дополнительную энергию, забирая ее от электрического поля. Если же заставить дырку двигаться против электрического поля, то она будет тормозиться этим полем, отдавая ему часть своей энергии. Электрическое поле в коллекторном переходе транзистора со­стоит из постоянной составляющей, созданной внешним источни­ком питания в цепи коллектора, и переменной составляющей, возникающей при экстракции неосновных носителей из базы в коллек­торный переход. Мгновенные значения переменной составляющей электрического поля в любой момент времени направлены в сторо­ну, противоположную постоянной составляющей. Поэтому дырка, проходя по коллекторному переходу, взаимо­действует сразу с двумя составляющими электрического поля. От постоянной составляющей электрического поля дырка забира­ет энергию, двигаясь по направлению этой составляющей. Одно­временно, двигаясь против мгновенных значений переменной со­ставляющей электрического поля, дырка отдает часть своей энергии переменной составляющей. Происходит своеобразное перекачивание энергии от постоян­ной составляющей электрического поля к переменной составля­ющей. Посредниками в этом перекачивании энергии являются носители заряда, инжектированные из эмиттера и дошедшие до коллекторного перехода. Для их инжекции требуется произвести относительно небольшую работу, так как высота потенциаль­ного барьера эмиттерного перехода мала.

Изображение слайда

6

Слайд 6

1. 2.1. Семейство входных статических характеристик для схемы с общей базой. Входные характеристики схемы с общей базой Семейство входных статических характе-ристик представляет собой зависимость При U кб=0 входная характеристика пре-дставляет собой пря-мую ветвь вольт-ам-перной характери-стики эмиттерного перехода.При U кб<0 данная характерис-тика смещается нем-ного выше оси абсцисс, т. к. при от- Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения. Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Выходные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

Изображение слайда

7

Слайд 7

сутствии входного сигнала через закрытый коллекторный переход протекает маленький обратный ток I ко, который создает на объемном сопротивлении базовой области r б падение напряжения, приложенное к эмиттерному переходу в прямом направлении. Именно это падение напряжения и обус- ловливает протекание через эмиттерный переход маленького прямого тока и смещение вверх входной характеристики. При U кб>0 коллекторный переход смещается в прямом направлении, через него протекает прямой ток и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении базы r б изменит полярность на противоположную, что вызовет при отсутствии входного сигнала протекание через эмиттерный переход маленького обратного тока и, следовательно, смещение входной характеристики вниз.

Изображение слайда

8

Слайд 8

1.2.2. Семейство выходных статических характеристик для схемы с общей базой. Выходные характеристики схемы с общей базой Семейство выходных статических харак-теристик представляет собой зависимость Если I э =0, то выходная характеристика представляет собой обратную ветвь во-льт-амперной характеристики коллектор-ного перехода. При I э >0 ток в коллектор-ной цепи будет протекать даже при отсу-тствии источника коллекторного питания ( Е к=0) за счет экстракции инжектирова-нных в базу носителей полем коллектор-ного перехода. При увеличении напряже-ния коллекторный ток практически не ме-няется, т. к. количество инжектированных в базу носителей не меняется, а возрастает только скорость их перемещения через коллекторный переход. Чем больше уровень тока, тем больше и коллекторный ток. При изменении полярности на противоположную, меняется и включение коллекторного перехода с обратного на прямое. Поэтому ток вначале очень быстро снижается до нуля, а затем изменяет свое направление на противоположное.

Изображение слайда

9

Слайд 9

2. Биполярный транзистор. Схема с общим эмиттером. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером Эта схема является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности. I вх = I б I вых = I к U вх = U бэ U вых = U кэ β = I вых / I вх = I к / I б ( n: 10 -100 ) R вх.э = U вх / I вх = U бэ / I б [Ом] ( n: 100 -1000 ) Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отноше — ние амплитуд ( или действующих зна — чений ) выходного и входного пере — менного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по на — п ряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения.

Изображение слайда

10

Слайд 10

Входным является переменное напряжение база — эмиттер Uбэ, а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером — Uкэ: Напряжение база — эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом ). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Достоинства схемы с общим эмиттером:  Большой коэффициент усиления по току;  Б о льшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление;  Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания. Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Изображение слайда

11

Слайд 11

Основные параметры, характеризующие схему включения с общим эмиттером определяются из выражений : Коэффициент усиления по току : поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера, получим: Видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как α – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц. 2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером : поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера I э, получим :

Изображение слайда

12

Слайд 12

Отсюда следует, что: R вхэ >> R вхб, т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни Ом – единицы кОм. 3. Коэффициент передачи по напряжению : Подставляя сюда R вхэ, получим: т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – K u э= K u б и составляет десятки – сотни единиц. 4. Коэффициент передачи по мощности : Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).

Изображение слайда

13

Слайд 13

2.1. Принцип усиления в схеме с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы. Так как ток базы существенно меньше тока эмиттера, можно получить и усиление по току. Изменяя ток через вывод базы, меняем количество основных носителей в области базы, т. е. заряд базы, и, следовательно, потенциальный барьер между эмиттером и базой. Изменение высоты потенциального барьера вызывает соответствующую инжекцию неосновных носителей за­ряда. Большинство инжектированных носителей доходит до коллекторного перехода, изменяя его ток. Основной носитель заряда, введенный в базу из вывода базы, либо может исчез­нуть вследствие рекомбинации, либо может быть инжектирован в эмиттер. Как указывалось, в транзисторе приняты меры, чтобы вероятность этого была мала, и на один основной носи­тель заряда, вошедший в базу, приходится много неосновных носителей заряда, прошедших от эмиттера до коллектора. В этом и заключается усиление по току в схеме с общим эмиттером. Усиление по мощности в данном случае объясняется аналогично усилению в схеме с общей базой.

Изображение слайда

14

Слайд 14

Эквивалентная схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером

Изображение слайда

15

Слайд 15

2. 2. Статические характеристики для схемы с общим эмит-тером. 2.2.1. Семейство входных статических характеристик для схемы с общим эмиттером. Входные характеристики схемы с общим эмиттером Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимость При U кэ =0 эта характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмит-терного перехода. При этом коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении на напряжение источника   Е б. При включении источника Е к ( U кэ <0) характеристика пойдет несколько ниже предыдущей, т. к. в случае U бэ =0 источник Е б отсутствует и через коллекторный переход протекает маленький обратный ток I к0 под действием источника Е к, нап-равление которого в базе противоположно тому, ког-да включен источник Е б. При включении Е б этот ток будет уменьшаться,

Изображение слайда

16

Слайд 16

Входные характеристики схемы с общим эмиттером т.  к. в цепи его протекания и Е б Е к будут включены встречно, а затем он перейдет через ноль и будет возрастать в положительном направлении под действием Е б. Однако в справочной литературе этим малым значением тока пренебрегают, и входные характеристики представляют исходящими из начала координат. 2.2.2. Семейство выходных статических характеристик для схемы с общим эмиттером.

Изображение слайда

17

Слайд 17

Выходные характеристики схемы с общим эмиттером При I б =0 эта характеристика представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного перехода. При I б >0 характеристики имеют большую крутизну в области малых значений U кэ, т. к. при условии Е к < Е б, коллекторный переход включен в прямом направлении; поэтому сопротивление его незначительно и достаточно небольшого изменения напряжения на нем, чтобы ток I к изменился значительно. Более того, при U кэ = 0 все характеристики кроме начальной I б =0 исходят не из начала координат, а ниже, так как ток коллекторного перехода в этом случае является прямым и имеет направление противоположное по отношению к обычному току коллектора. Но этим маленьким смещением характеристик пренебрегают и в справочниках представлены харак-теристики, исходящие из начала координат.

Изображение слайда

18

Слайд 18

3. Биполярный транзистор. Схема с общим коллек-тором. Включение транзистора по схеме с общим коллектором I вх = I б I вых = I э U вх = U бк U вых = U кэ I вых / I вх = I э / I б = ( I к + I б) / I б = β + 1 = n n = 10 … 100 R вх = U бк / I б = n (10 ч100) кОм В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденса-торами большой ёмкости и для пере-менного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное на-пряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное нап- ряжение равно сумме переменного напряжения база — эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряже-

Изображение слайда

19

Слайд 19

нию схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению. Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1. Основные параметры схемы с общим коллектором следующие: 1. Коэффициент усиления по току : Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера I э, получим:

Изображение слайда

20

Слайд 20

т.  е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером : 2. Входное сопротивление : Из этого следует, что входное сопротивление в этой схеме включения оказывается наибольшим из всех рассмотренных схем (десятки – сотни  кОм ). 3. Коэффициент усиления по напряжению : Преобразуем это выражение с учетом предыдущих выражений: Поскольку R вхб представляет собой очень малую величину, то можно считать, что K u к≈ 1, т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет. 4. Коэффициент усиления по мощности : на практике он составляет десятки – сотни единиц.

Изображение слайда

21

Слайд 21

Эквивалентная схема включения транзис — тора по схеме с общим коллектором 3.1. Принцип усиления в схеме с общим коллектором. В схеме с общим коллектором выходной цепью является эмиттерная, входной — цепь базы. В связи с тем что ток эмит­тера почти равен току коллектора, здесь тоже имеет место усиление по току и по мощности.

Изображение слайда

22

Слайд 22

Входные и выходные характеристики схемы с общим коллектором 3.2. Статические характеристики для схемы с общим колле-ктором. -Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине ( K u к≈1 ) и по фазе. -Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем. -Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные и частотные свойства.

Изображение слайда

23

Слайд 23

Выводы: 1. В отличие от схемы с общей базой схема с общим эмиттером наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, усиливает ток базы в десятки сотни раз. Усиление по напряжению в данной схеме остается таким же, как в схеме с общей базой. Поэтому усиление по мощности в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. 2.Схема с общим эмиттером имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений входное больше, а выходное сопротивление меньше, чем в схеме с общей базой. 3.Благодаря указанным преимуществам схема с общим эмиттером находит наибольшее применение на практике.

Изображение слайда

24

Слайд 24

4.Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т.  к. она имеет лучшие температурные свойства. 5.Схема с общим коллектором дает усиление по току и по мощности, но не дает усиления по напряжению. 6.Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала, а также данная схема имеет наименьшее выходное сопротивление. 4. Биполярный транзистор как линейный четырех-полюсник. Транзистор с его внутренними параметрами, определяемыми эквивалентной схемой, можно представить в виде линейного четырехполюсника – «черного ящика» с произвольной, но неизменной структурой, которая определяет соответствующие зависимости между входными и выходными параметрами ( U 1, I, U 2, I 2 ). Схема четырехполюсника

Изображение слайда

25

Слайд 25

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие – за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений, однако наибольшее распространение получила система, где за независимые переменные принимаются входной ток I 1 и выходное напряжение U 2, а за зависимые – выходной ток I 2 и входное напряжение U 1. Тогда система уравнений, связывающая между собой зависимые и независимые переменные, выглядит так : Физический смысл коэффициентов h 11, h 12, h 21, h 22, называемых h — параметрами установим следующим образом. Если в первом уравнении положить U 2 =0 (к. з. на выходе), то параметр h 11 можно найти: — входное сопротивление при коротком замыкании на выходе. Если в этом же уравнении положить I 1 =0 (х. х. на входе), то параметр h 12 равен : — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи. Аналогичным образом из второго уравнения находим: — коэффициент передачи транзистора по току при коротком замыкании на выходе; — выходная проводимость транзистора при холостом ходе во входной цепи.

Изображение слайда

26

Слайд 26

С учетом h -параметров эквивалентная схема транзистора выглядит следующим образом Схема замещения транзистора Здесь во входной цепи транзистора включен генератор напряжения h 12 U 2, который учитывает взаимовлияние между коллекторным и эмиттерным переходом в результате модуляции ширины базы, а генератор тока h 21 I 1 в выходной цепи учитывает усилительные свойства транзистора, когда под действием входного тока I 1, в выходной цепи возникает пропорциональный ему ток h 21 I 1. Параметры h 11 и h 22 – это соответственно входное сопротивление и выходная проводимость транзистора. Для различных схем включения транзистора h — параметры будут различны.

Изображение слайда

27

Слайд 27

Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общей базой Так как транзистор чаще усиливает сигнал переменного тока, то и h — параметры по переменному току должны определяться не как статические, а как динамические (дифференциальные). Для схемы с общей базой они определяются по выражениям : Индекс «б» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общей базой. Так для схемы с общей базой входными и выходными величинами являются: I 1 =I э, U 1 =U эб, I 2 =I к, U 2 =U кб.

Изображение слайда

28

Последний слайд презентации: Лекция №4

Эквивалентная схема четырехполюсника для схемы с общим эмиттером Для схемы с общим эмиттером входными и выходными величинами являются: I 1 =I б, U 1 =U бэ, I 2 =I к, U 2 =U кэ. Для схемы с общим эмиттером h -параметры определяются по выражениям : Индекс «э» говорит о принадлежности этих параметров к схеме с общим эмиттером.

Изображение слайда

7.4: Усилитель с общим коллектором — Engineering LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Джеймс М. Фиоре
• Муниципальный колледж Mohawk Valley

Усилитель с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем или, в более общем смысле, повторителем напряжения. Ключевыми характеристиками повторителя напряжения являются высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и неинвертирующий коэффициент усиления по напряжению, равный примерно единице. Название происходит от того факта, что выходное напряжение следует за входным, то есть находится на том же уровне напряжения и находится в фазе с входным. Хотя эта конфигурация не дает усиления по напряжению, она дает усиление по току и, следовательно, усиление по мощности. Его основная цель состоит в том, чтобы уменьшить эффекты нагрузки импеданса, например, чтобы согласовать источник с высоким импедансом с нагрузкой с низким импедансом. Следовательно, они используются в качестве входных буферных каскадов с высоким Z или в качестве драйверов для нагрузок с низким импедансом, таких как громкоговорители.

Усилитель с общим коллектором, использующий эмиттерное смещение с двумя источниками питания, показан на рисунке \(\PageIndex{1}\). Вход соединен с базой, как и в усилителе с общим эмиттером, однако выходной сигнал снимается с эмиттера, а не с коллектора. Поскольку коллектор находится на общем проводе переменного тока, резистор коллектора не требуется.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Усилитель с общим коллектором.

Возможно, лучше всего думать о повторителе не как о том, что он дает усиление по напряжению, равное единице, а о том, что он предотвращает потерю сигнала. Далее следует анализ с использованием рисунка \(\PageIndex{2}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Эквивалент переменного тока усилителя с общим коллектором.

Во-первых, сопротивление эмиттера переменного тока, \(r_E\), представляет собой либо резистор смещения эмиттера, \(R_E\), либо параллельную комбинацию \(R_E\) и сопротивления нагрузки, \(R_L\). Мы будем использовать первое для определения усиления без нагрузки, а второе — для определения усиления под нагрузкой, аналогично тому, что мы сделали с усилителем с общим эмиттером относительно \(R_C\) и \(R_L\). Сопротивление базы переменного тока, \(r_B\), обычно сводится к резистору смещения базы, как мы видели с усилителем с общим эмиттером (\(R_B\) в смещении эмиттера с двумя источниками питания или \(R_1 || R_2\) для смещения делителя напряжения).

7.

Вывод уравнения усиления по напряжению эмиттерного повторителя аналогичен тому, что показан для усилителя с общим эмиттером. Мы начнем с основного определения коэффициента усиления по напряжению, а затем расширим его, используя закон Ома.

\[A_v = \frac{v_{out}}{v_{i n}} = \frac{v_E}{v_B} \\ A_v = \frac{i_C r_E}{i_C (r’_e+r_E )} \ \ A_v = \frac{r_E}{r’_e+r_E} \label{7.8} \]

Это уравнение очень похоже на уравнение 7.3.1. Здесь мы видим, что выходной сигнал находится в фазе с входным и что если \(r_E \gg r’_e\), коэффициент усиления приближается к единице. Искажение сигнала, как правило, низкое у последователей, потому что желаемой целью является усиление на единицу.

7.4.2: Входной импеданс

Вывод для \(Z_{in}\) и \(Z_{in(base)}\) не изменился по сравнению с конфигурацией с общим эмиттером. Формулы повторяются ниже для удобства.

\[Z_{in(base)} = \beta (r’_e + r_E) \nonumber \]

\[Zin = r_B || Z_{in(base)} \nonumber \]

7.

Получение выходного полного сопротивления с общим коллектором значительно отличается от выходного полного сопротивления с общим эмиттером. Для анализа будем использовать рисунок \(\PageIndex{3}\).

Во-первых, обратите внимание, что на этой диаграмме сопротивление эмиттера переменного тока разделено на два компонента: \(R_L\) и резистор смещения \(R_E\). Это потому, что мы хотим найти эффективное сопротивление источника, который управляет нагрузкой, поэтому логически мы не можем включить нагрузку в это значение. Начнем с рассмотрения эмиттера с точки зрения нагрузки. Мы видим резистор смещения эмиттера параллельно тому, какой импеданс смотрит на клемму эмиттера.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Анализ выходного сопротивления общего коллектора.

\[Z_{выход} = R_E || Z_{out(emitter)} \label{7.9} \]

\(Z_{out(emitter)}\) равно \(r’_e\) последовательно с эквивалентным сопротивлением сети над ним и слева. Внутреннее сопротивление источника тока достаточно велико, чтобы его можно было игнорировать, поэтому мы остаемся с эквивалентным сопротивлением, если смотреть на базу. Мы назовем это \(Z_{B(эквивалент)}\). На первый взгляд может показаться, что это параллельная комбинация \(r_{gen}\) и \(r_B\), но при этом игнорируется влияние источника тока коллектора. Чего мы действительно хотим, так это эффективного сопротивления, которое видно с точки зрения \(r’_e\), а не с точки зрения базового терминала.

\[Z_{out (эмиттер)} = r’_e+Z_{B(эквивалент)} \label{7.10} \]

\[Z_{B(эквивалент)} = \frac{v_B}{i_C} \\ Z_{B(эквивалент)} = \frac{i_B (r_B || r_gen)}{ \beta i_B} \\ Z_{B(эквивалент)} = \frac{r_B || r_{gen}}{ \beta } \label{7.11} \]

Объединение уравнений \ref{7.9}, \ref{7.10} и \ref{7.11} дает

\[Z_{out} = R_E || \left( r’_e + \frac{r_B || r_{gen}}{ \beta } \right) \label{7.12} \]

Во многих случаях резистор смещения эмиттера достаточно велик, чтобы его можно было игнорировать.

Пример \(\PageIndex{1}\)

Для повторителя, показанного на рисунке \(\PageIndex{4}\), определите входной импеданс, выходной импеданс и напряжение нагрузки. Предположим \(\beta = 100\) и \(V_{in} = 100\) мВ.

Сначала найдите \(I_C\), чтобы найти \(r’_e\). Предполагая ненагруженный делитель, \(V_B\) будет равняться половине источника постоянного тока или 10 вольт. Мы теряем 0,7 вольта на переходе база-эмиттер, оставляя 9,3 вольта на 10 кОм (\Омега). Это приводит к току коллектора 930 \(\mu\)A и \(r’_e\) из 28 \(\Omega \).

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Схема для примера \(\PageIndex{1}\).

Чтобы найти \(Z_{in}\)

\[Z_{in(base)} = \beta (r’_e+r_E ) \nonnumber \]

\[Z_{in(base)} = 100 (28 \Omega +10 k \Omega || 500 \Omega ) \nonnumber \]

\[Z_{in(base)} = 50,4 k \Omega \nonnumber \]

\[Z_{i n} = R_1 | | Р_2 || Z_{in(base )} \nonumber \]

\[Z_{in} = 22 k \Omega || 22k \Омега || 50,4 к\Омега\номер\]

\[Z_{in} = 9.03k \Omega \nonumber \]

Это значение не особенно велико по сравнению с довольно большим сопротивлением источника 1 k\( \Omega \). Здесь будет некоторая потеря сигнала из-за эффекта делителя напряжения между двумя импедансами. А теперь для \(Z_{out}\)

\[Z_{out} = R_E || \left( r’_e + \frac{r_B || r_{gen}}{ \beta} \right) \nonumber \]

\[Z_{out} = 10 k \Omega || \left( 28 \Omega + \frac{22k \Omega || 22 k \Omega || 1k \Omega}{100} \right) \nonumber \]

\[Z_{out} = 37 \Omega \nonnumber \]

Это значение намного, намного ниже, чем все, что мы видели с усилителями с общим эмиттером. Поэтому эта схема может управлять нагрузками с гораздо более низким импедансом с минимальными потерями сигнала. Нагруженное усиление от базы к эмиттеру равно

\[A_v = \frac{r_E}{r’_e+r_E} \nonumber \]

\[A_v = \frac{500 \Omega || 10 к\Омега}{28 \Омега +500 \Омега || 10 k \Omega} \nonumber \]

\[A_v = 0,9444 \nonumber \]

Как уже упоминалось, нам необходимо учитывать влияние импеданса источника 1 k\( \Omega \). Это создаст делитель напряжения с входным сопротивлением.

\[A_{divider} = \frac{Z_{in}}{Z_{in}+Z_{source}} \nonumber \]

\[A_{divider} = \frac{9,03 k \Omega}{ 9. 03k \Omega +1 k \Omega} \nonumber \]

\[A_{divider} = 0.9 \nonnumber \]

\[A_{v (система)} = A_v\times A_{divider} \nonumber \ ]

\[A_{v (система)} = 0,9444\times 0,9 \номер \]

\[A_{v (система)} = 0,85 \номер\]

Наконец, мы подошли к напряжению нагрузки.

\[V_{нагрузка} = A_{v (система)} \times V_{in} \nonumber \]

\[V_{нагрузка} = 0,85\times 100 мВ \номер \]

\[V_{нагрузка} = 85 мВ \номер \]

В этот момент может возникнуть вопрос: «Почему мы пошли на построить эту схему, когда мы потеряли 15% входного сигнала?» Ну, подумайте, что было бы без схемы. Если бы мы подключили источник непосредственно к нагрузке, результирующий делитель напряжения 1 кОм(\Омега\)/500\(\Омега\) снизил бы напряжение на нагрузке до 33 мВ. Эта схема предотвратила эту потерю.

7.4.4: Источник с высоким импедансом: звукосниматель гитары

В примере \(\PageIndex{1}\) источник имел внутреннее сопротивление 1 кОм\( \Omega \), что намного выше, чем мы могли бы видеть. с, скажем, лабораторным генератором функций (вероятно, 50\(\Омега\)). Все могло быть намного хуже. Рассмотрим звукосниматель для электрогитары. Задача звукоснимателя — преобразовывать колебания гитарных струн в электрический сигнал, чтобы его можно было усилить. Принято считать, что звукосниматель — это своего рода микрофон, но это не так.0154 1 .

Гитарный звукосниматель представляет собой не более чем магнит, окруженный многочисленными витками тонкой проволоки, как показано на рисунке \(\PageIndex{5}\). Этот звукосниматель предназначен для бас-гитары, но конструкция одинакова для всех типов гитар и бас-гитар.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Электрический басовый звукосниматель (крышка снята).

Вот как это работает: Магнит создает поле вокруг гитарных струн. Поскольку струны стальные, их сопротивление намного меньше, чем у окружающего воздуха, поэтому они искажают или искривляют магнитное поле. Когда защипывают струну, поле движется вперед и назад вместе с ней. По мере движения поля линии потока пересекают провод катушки, и это действие индуцирует ток в проводнике в соответствии с законом индукции Фарадея. Затем этот ток подается на усилитель.

Типичный гитарный звукосниматель состоит примерно из 5000 витков очень тонкой проволоки, как правило, 42 AWG. Медный провод калибра 42 имеет сопротивление около 1,6 Ом на фут, поэтому сопротивление катушки постоянному току может превышать 5 кОм (Омега). Кроме того, такое количество витков проволоки вокруг магнита может создать очень большую индуктивность, возможно, несколько генри, которая находится последовательно с этим сопротивлением. Также имеется параллельная распределенная емкость и емкость кабеля, которая может превышать 1 нФ. Результатом является комплексный импеданс с эффектами резонанса, области которого могут достигать десятков к\(\Омега\) по величине. Что делает это более сложным, так это то, что, поскольку импеданс является функцией частоты, эффект делителя напряжения с входным импедансом усилителя также становится функцией частоты. Например, увеличение импеданса из-за \(X_L\) приведет к увеличению затухания с увеличением частоты. Это похоже на уменьшение высоких частот на усилителе. В общем, не очень хороший результат. Как ограничить этот эффект? Простой. Делаем схему с очень-очень высоким входным сопротивлением. Как мы это делаем? Что ж, есть несколько способов, включая использование полевых транзисторов и операционных усилителей, но мы также можем получить высокие входные импедансы за счет использования конфигурации с двумя биполярными транзисторами, называемой парой Дарлингтона.

7.4.5: Пара Дарлингтона

Пара Дарлингтона была изобретена Сиднеем Дарлингтоном, американским инженером. Конфигурация приводит к составному устройству с очень высоким \(\beta\). При правильном использовании это может привести к схемам усилителя с очень высоким входным сопротивлением. Пара Дарлингтона показана на рисунке \(\PageIndex{6}\).

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Пара Дарлингтона.

Операция выглядит следующим образом. Базовый ток первого транзистора \(Q_1\) умножается на \(\бета\) \(Q_1\), в результате чего получается ток эмиттера \(Q_1\). Этот ток подается на базу второго транзистора, \(Q_2\), где он умножается на \(\бета\) \(Q_2\), в результате чего получается ток эмиттера \(Q_2\). Если рассматривать пару как одно устройство, то эффективная \(\бета\) пары равна \(\бета _1 \бета _2\). Учитывая типичные значения для \( \beta \), составное значение может находиться в диапазоне от 5000 до 10 000. Функциональным недостатком этой схемы является то, что \(V_{BE}\) теперь удваивается до 1,4 вольта (для кремния), а эффективное \(r’_e\) пары также удваивается. Эти проблемы незначительны по сравнению с преимуществом огромного усиления по току, которое можно получить.

Суть при использовании пары Дарлингтона состоит в том, чтобы обращаться с ней как с обычным транзистором, за исключением того, что она имеет очень большой \( \бета \) и оба \(V_{BE}\) и \(r’_e\) в 2 раза по сравнению с обычными значениями.

Пример \(\PageIndex{2}\)

Определите выходное напряжение для повторителя, показанного на рисунке \(\PageIndex{7}\). Предположим, что входной сигнал имеет пиковое значение 100 мВ, а \(\бета) для пары Дарлингтона равно 10 000.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Схема для примера \(\PageIndex{2}\).

Первое, что может показаться немного странным, по крайней мере, по сравнению с предыдущими схемами смещения, это то, что резистор смещения базы намного больше, чем резистор смещения эмиттера. Обычно это приводит к нестабильной точке Q, но здесь это не проблема. Поскольку \(\beta\) очень большой, \(R_B\) может быть намного больше, чем обычно, и мы все равно добьемся хорошей стабильности. На самом деле, мы все еще можем использовать приближение, что база находится на земле постоянного тока. Если это так, то анализ происходит следующим образом

\[I_C = \frac{∣V_{EE} ∣−V_{BE}}{R_E} \nonumber \]

\[I_C = \frac{10 V−1,4 V}{3,3 k \Omega} \ нечисло \]

\[I_C = 2,61 мА \нечисло \]

\[r’_e = 2\times \frac{ 26 мВ}{I_C} \nonumber \]

\[r’_e = \frac{52 мВ}{2,61 мА} \без номера \]

\[r’_e = 20 \Omega \без номера \]

\[Z_{i n(основание)} = \beta (r’_e+r_E ) \без номера \]

\[Z_{in(base)} = 10,000(20 \Omega +3,3k \Omega || 150 \Omega ) \nonnumber \]

\[Z_{i n(base)} = 1,63M \Omega \nonumber \]

Это значение параллельно базовому смещающему резистору, создающему входное сопротивление.

\[Z_{in} = R_B || Z_{in(base)} \nonumber \]

\[Z_{i n} = 220 k \Omega || 1.63M \Omega \nonumber \]

\[Z_{i n} = 194 k \Omega \nonumber \]

Это намного больше, чем мы видели в предыдущих схемах. Нагруженное усиление от базы к эмиттеру равно

\[A_v = \frac{r_E}{r’_e+r_E} \nonumber \]

\[A_v = \frac{150 \Omega || 3,3к\Омега}{20\Омега +150\Омега || 3.3k \Омега} \номер\]

\[A_v = 0,88 \номер\]

Теперь добавим влияние импеданса источника 4,7 кОм\(\Омега\). Это создаст делитель напряжения с минимальным входным сопротивлением, как оказалось.

\[A_{divider} = \frac{Z_{in}}{Z_{in} + Z_{source}} \nonumber \]

\[A_{divider} = \frac{194 k \Omega}{ 194 k \Omega +4.7 k \Omega} \nonumber \]

\[A_{divider} = 0,976 \nonnumber \]

\[A_{v (system)} = A_v\times A_{divider} \nonumber \ ]

\[A_{v (система)} = 0,88\умножить на 0,976 \номер \]

\[A_{v (система)} = 0,86 \неномер \]

Напряжение нагрузки

\[V_{нагрузка} = A_{v (система)}\times V_{i n} \nonumber \]

\[V_{нагрузка} = 0,86\times 100 мВ \nonumber \]

\[V_{нагрузка} = 86 мВ \nonumber \]

Если бы мы подключили источник непосредственно к нагрузке, то 4,7 k\( \Omega \)/150 \( \Omega \) сжал бы приложенный сигнал в тень его прежнего размера, оставив нам всего 3 мВ.

Компьютерное моделирование

Чтобы проверить результаты примера \(\PageIndex{2}\), мы запустим анализ переходных процессов. Схема ввода показана на рисунке \(\PageIndex{8}\).

Рисунок \(\PageIndex{8}\): Схема моделирования для повторителя пары Дарлингтона.

Здесь будут интересны напряжения на источнике, базе и нагрузке. Поскольку делитель входного импеданса/импеданса источника был 0,976, мы ожидаем 97,6 мВ в узле 4. На выходе, в узле 6, мы ожидаем увидеть наше окончательное вычисленное значение 86 мВ. Выходной график моделирования показан на рисунке \(\PageIndex{9}\). Симуляция соглашается.

Рисунок \(\PageIndex{9}\): Анализ переходных процессов для повторителя пары Дарлингтона.

7.4.6: Фазоделитель

Фазоделитель представляет собой комбинацию усилителя с общим эмиттером и повторителя с общим коллектором, использующую один транзистор. Цель схемы состоит в том, чтобы создать две версии входного сигнала: буферизованную версию, идентичную входному сигналу, и инвертированную версию, причем обе волны имеют одинаковую амплитуду. Схема используется для систем дифференциального драйвера линии. Эта схема помогает свести к минимуму внешние шумы и помехи, воспринимаемые кабелями связи. Существуют и другие способы создания фазовращателей, в том числе с использованием дифференциальных усилителей или операционных усилителей, но эта версия на основе BJT представляет собой минималистское решение 9.0154 2 . Базовая схема показана на рисунке \(\PageIndex{10}\).

Рисунок \(\PageIndex{10}\): Простой фазовращатель.

Для правильной работы схема в значительной степени симметрична. То есть \(R_{L1} = R_{L2}\), \(R_E = R_C\) и \(C_C = C_E\). В этом случае сопротивления коллектора и эмиттера переменного тока будут равны (\(r_C = r_E\)). Если мы затем посмотрим на основные уравнения усиления, мы обнаружим, что обе нагрузки получат одинаковую величину усиления (чуть ниже единицы), хотя \(R_{L1}\) увидит инвертированный сигнал.

\[A_v =− \frac{r_C}{r’_e+r_E} \text{Усилитель с общим эмиттером} \nonumber \]

\[A_v = \frac{r_E}{r’_e+r_E} \text { Общий сборщик} \nonumber \]

Ссылки

¹ Не верите? Просто попробуйте кричать в один из них и послушайте, что выходит из гитарного усилителя.

² Для получения дополнительной информации об альтернативных методах см. Fiore, J, Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits: Theory and Application, еще один бесплатный текст OER.

Эта страница под названием 7.4: Common Collector Amplifier распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джеймсом М. Фиоре с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами Платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джеймс М. Фиоре

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. источник@http://www.dissidents.com/resources/SemiconductorDevices.pdf

Усилитель с общим коллектором

В этой статье рассматривается другой тип архитектуры биполярных транзисторов, используемых для усиления сигналов, широко известный как Усилитель с общим коллектором (CCA). CCA также иногда может называться усилитель эмиттерный повторитель и мы поймем почему позже в этой статье.

На первом рисунке ниже представлена ​​упрощенная электрическая схема без конкретной цепи смещения, представляющая конфигурацию CCA:

Основное отличие этой архитектуры от усилителя с общим эмиттером (CEA) состоит в том, что выходные сигналы снимаются с эмиттерной ветви, а коллектор всегда подключается напрямую к источнику питания, отсюда и название «Общий коллектор».

Далее показано, что коэффициент усиления по напряжению А _В =В _вых /В _вх примерно равен 1. Причем в процессе усиления фаза остается неизменной, входной и выходной сигналы поэтому очень похожи, отсюда и название «эмиттерный повторитель». С другой стороны, мы увидим, что коэффициент усиления по току A _C = I _из / I _из высок, но имеет верхний предел.

Эквивалентная схема

Мы можем рассматривать биполярный транзистор между коллектором и эмиттером как идеальный источник тока с усилением β, где I _out = β. I _in . Он также представляет небольшое сопротивление, определяемое формулой r _e = 25 мВ/л _из , известное как «сопротивление эмиттера переменного тока » или «сопротивление эмиттера малого диода », и представляет собой динамическое сопротивление для малых сигналов переменного тока p/n-переход биполярного транзистора.

Мы видим в рис. 2 эквивалентную схему конфигурации ОСК рис. 1 с учетом транзистора, такого как описано выше.

Коэффициент усиления по напряжению

Легко понять, что в конфигурации, представленной на рис. эмиттер. Автоматически получается, что V _в =R _E .I _out =V _{ou t} и, таким образом, A _V =1.

Из Рисунок 2 мы можем ясно выразить, что входное напряжение равно В _in =(R _E +r _e ). I _{E 5 выходное напряжение равно В =R E .I E . При выражении коэффициента усиления по напряжению А В =В вых /В в слагаемое I E исчезает, и мы получаем точное выражение усиления A V :}