Общий коллектор что это

Общий коллектор — Common collector

Рисунок 1: Базовая схема общего коллектора NPN (без учета деталей смещения ).

In электроника, общий коллектор усилитель (также известный как эмиттерный повторитель ) является одним из трех основных одноступенчатых транзисторов с биполярным переходом (BJT) усилитель топологии, обычно используемый как буфер напряжения.

В этой схеме клемма базы транзистора служит входом, эмиттер является выходом, а коллектор — общий для обоих (например, он может быть связан с опорным заземлением или шиной питания ), отсюда и его название. Аналогичная схема полевого транзистора представляет собой усилитель с общим стоком , а аналогичная схема лампы представляет собой катодный повторитель.

3 Характеристики

3.1 Производные

Базовая схема

Рисунок 2: A отрицательный Усилитель обратной связи

Схема может быть объяснена, если рассматривать транзистор как находящийся под управлением отрицательной обратной связи. С этой точки зрения, каскад с общим коллектором (рис. 1) представляет собой усилитель с полной последовательностью отрицательной обратной связи. В этой конфигурации (фиг. 2 с β = 1) все выходное напряжение V OUT размещено напротив и последовательно с входным напряжением V IN. Таким образом, два напряжения вычитаются согласно закону напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализуется только входным контуром) и их необычной разностью V diff = V IN — V OUT применяется к переходу база-эмиттер. Транзистор непрерывно контролирует V diff и регулирует напряжение своего эмиттера, почти равное (за вычетом V BEO) входному напряжению, пропуская соответствующий ток коллектора через резистор эмиттера R E. В результате выходное напряжение следует за изменениями входного напряжения от V BEO до V + ; отсюда и название, эмиттер-последователь.

Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что напряжение база-эмиттер в биполярном транзисторе очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение базового напряжения передается (с хорошим приближением) непосредственно на эмиттер.. Это немного зависит от различных нарушений (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен и т. Д.), Поскольку транзистор реагирует на эти нарушения и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.

Можно математически показать, что схема общего коллектора имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице:

A v = voutvin ≈ 1 <\ displaystyle > > = > \ over v _ <\ mathrm >> \ приблизительно 1> Рисунок 3: Версия PNP схемы эмиттерного повторителя, все полярности поменяны местами.

Небольшой изменение напряжения на входной клемме будет повторяться на выходе (немного зависит от усиления транзистора и значения сопротивления нагрузки ; см. формулу усиления ниже). Эта схема полезна, потому что у нее большой входной импеданс , поэтому она не будет загружать предыдущую схему:

и небольшой выходной импеданс, поэтому он может управлять нагрузками с низким сопротивлением:

Обычно эмиттер резистор значительно больше и может быть удален из уравнения:

Приложения

Рис. 4: Повторитель напряжения NPN с источником тока смещением, подходящим для интегральных схем

Низкое выходное сопротивление позволяет использовать источник с большим выходным сопротивлением управлять небольшим сопротивлением нагрузки ; он функционирует как буфер напряжения . Другими словами, схема имеет усиление по току (которое в значительной степени зависит от h FE транзистора) вместо усиления по напряжению, поскольку из-за своих характеристик она предпочтительна во многих электронных устройствах. Небольшое изменение входного тока приводит к гораздо большему изменению выходного тока, подаваемого на выходную нагрузку.

Одним из аспектов действия буфера является преобразование импедансов. Например, сопротивление по Тевенину комбинации повторителя напряжения, управляемого источником напряжения с высоким сопротивлением Тевенину, уменьшается только до выходного сопротивления повторителя напряжения (небольшое сопротивление). Такое снижение сопротивления делает комбинацию более идеальным источником напряжения. И наоборот, повторитель напряжения, вставленный между малым сопротивлением нагрузки и приводной ступенью, представляет большую нагрузку на приводную ступень — преимущество в передаче сигнала напряжения на небольшую нагрузку.

Эта конфигурация обычно используется в выходных каскадах усилителей класса B и класса AB. Базовая схема модифицирована для работы транзистора в режиме класса B или AB. В режиме класса A иногда используется активный источник тока вместо R E (рис. 4) для улучшения линейности и / или эффективности.

Характеристики

На низких частотах и с использованием упрощенной модели гибридного Пи можно получить следующие характеристики слабого сигнала. (Параметр β = gmr π <\ displaystyle \ beta = g_ r _ <\ pi>> , а параллельные линии указывают на параллельные компоненты.)

Определение	Выражение	Приближенное выражение	Условия
Текущее усиление	A i = ioutiin <\ displaystyle >> = <я _ <\ mathrm > \ над i _ <\ mathrm >>>	β 0 + 1 <\ displaystyle \ beta _ <0>+1 \>	≈ ≈ β 0 <\ displaystyle \ приблизительно \ beta _ <0>>	β 0 ≫ 1 <\ displaystyle \ beta _ <0>\ gg 1>
усиление напряжения	A v = voutvin <\ displaystyle < A _ <\ mathrm >> = > \ over v _ <\ mathrm >>>	gm RE gm RE + 1 <\ displaystyle R_ < \ mathrm > \ over g_ R _ <\ mathrm > +1>>	≈ 1	gm RE ≫ 1 <\ displaystyle g_ R _ <\ mathrm > \ gg 1>
Входное сопротивление	rin = viniin <\ displaystyle r _ <\ mathrm > = <\ frac >> >>>>	р π + (β 0 + 1) RE <\ displaystyle r _ <\ pi>+ (\ beta _ <0>+1) R_ <\ mathrm > \>	≈ β 0 RE <\ displaystyle \ приблизительно \ beta _ <0>R _ <\ mathrm >>	(gm RE ≫ 1) ∧ (β 0 ≫ 1) <\ displaystyle (g_ R _ <\ mathrm > \ gg 1) \ wedge (\ beta _ <0>\ gg 1)>
Выходное сопротивление	rout = voutiout <\ displaystyle r _ <\ mathrm > = <\ frac >> >>>>	RE ∥ (r π + R источник β 0 + 1) <\ displaystyle R _ <\ mathrm > \ parallel \ left ( + R _ <\ mathrm> \ over \ beta _ <0>+1> \ right)>	≈ 1 г + R источник β 0 <\ Displaystyle \ приблизительно <1 \ над g_ > + > \ over \ beta _ <0>>>	(β 0 ≫ 1) ∧ (рин ≫ R источник) <\ displaystyle (\ beta _ <0>\ gg 1) \ wedge (r _ <\ mathrm > \ gg R _ <\ mathrm>)>

где R source <\ displaystyle R _ <\ mathrm> \> — эквивалентное сопротивление источника Thévenin.

Производные

Рисунок 5: Схема слабого сигнала, соответствующая рисунку 3, использующая модель гибридного Пи для биполярного транзистора на частотах, достаточно низких, чтобы игнорировать емкости биполярного устройства Рисунок 6: Низкочастотная малая -сигнальная цепь для биполярного повторителя напряжения с испытательным током на выходе для определения выходного сопротивления. Резистор RE = RL ∥ r O <\ displaystyle R _ <\ mathrm > = R _ <\ mathrm > \ parallel r _ <\ mathrm >> .

На рис. частотная гибридная пи-модель для схемы, показанной на рисунке 3. С помощью закона Ома были определены различные токи, и эти результаты показаны на диаграмме. Применяя закон Кирхгофа к эмиттеру, получаем:

Определите следующие значения сопротивления:

Затем, собрав члены, коэффициент усиления по напряжению находится как:

Из этого результата коэффициент усиления приближается к единице (как и ожидалось для буферного усилителя ), если отношение сопротивлений в знаменателе маленький. Это соотношение уменьшается с увеличением значения коэффициента усиления по току β и с увеличением значений R E <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> . Входное сопротивление находится как:

Выходное сопротивление транзистора r O <\ displaystyle r _ <\ mathrm >> обычно больше по сравнению с нагрузкой RL <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> и, следовательно, RL <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> доминирует над RE <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> . Из этого результата входное сопротивление усилителя намного больше, чем выходное сопротивление нагрузки RL <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> для большого коэффициента усиления по току β <\ displaystyle \ beta>. То есть размещение усилителя между нагрузкой и источником представляет большую (высокоомную) нагрузку на источник, чем прямое соединение с RL <\ displaystyle R _ <\ mathrm >> , что приводит к меньшему затуханию сигнала в импедансе источника RS <\ displaystyle R _ <\ mathrm ~~>> как следствие деления напряжения.~~