Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Усилительный каскад с общим коллектором: различия между версиями
Valemak (обсуждение | вклад) (Новая страница: «{{Панель управления/Электроника}} {{Перевод от valemak}} {{Myagkij-редактор}} =Усилительный каскад...») |
Myagkij (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| Строка 5: | Строка 5: | ||
=Усилительный каскад с общим коллектором<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-4/common-collector-amplifier/ www.allaboutcircuits.com - The Common-collector Amplifier]</ref>= | =Усилительный каскад с общим коллектором<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-4/common-collector-amplifier/ www.allaboutcircuits.com - The Common-collector Amplifier]</ref>= | ||
Нашу следующую транзисторную конфигурация изучать куда как проще в плане расчёта коэффициента усиления. Это схема – так называемая ''конфигурация с общим коллектором'': | Нашу следующую транзисторную конфигурация изучать куда как проще в плане расчёта коэффициента усиления. Это схема – так называемая ''[[конфигурация с общим коллектором]]'': | ||
[[File:III-04_6_1.jpg|400px|center|thumb|Рис. 1. В усилительном каскаде с общим коллектором имеется общий коллектор как для входного, так и для выходного напряжения.]] | [[File:III-04_6_1.jpg|400px|center|thumb|Рис. 1. В усилительном каскаде с общим коллектором имеется общий коллектор как для входного, так и для выходного напряжения.|alt=Рис. 1. В усилительном каскаде с общим коллектором имеется общий коллектор как для входного, так и для выходного напряжения.]] | ||
''Усилительный каскад с общим коллектором'' (или просто ''усилитель с общим коллектором'') носит такое название, потому что (если не принимать во внимание источник питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод | ''[[Усилительный каскад с общим коллектором]]'' (или просто ''[[усилитель с общим коллектором]]'') носит такое название, потому что (если не принимать во внимание источник питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод [[коллектор]]а в качестве общей точки подключения: | ||
[[File:III-04_6_2.jpg|400px|center|thumb|Рис. 2. Усилительный каскад с общим коллектором: входной сигнал воздействует и на базу, и на коллектор. Выходной сигнал исходит из схемы эмиттер/коллектор.]] | [[File:III-04_6_2.jpg|400px|center|thumb|Рис. 2. Усилительный каскад с общим коллектором: входной сигнал воздействует и на базу, и на коллектор. Выходной сигнал исходит из схемы эмиттер/коллектор.|alt=Рис. 2. Усилительный каскад с общим коллектором: входной сигнал воздействует и на базу, и на коллектор. Выходной сигнал исходит из схемы эмиттер/коллектор.]] | ||
Достаточно очевидно, что нагрузочный резистор в схеме усилительного каскада с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, будучи включёнными последовательно с | Достаточно очевидно, что [[нагрузочный резистор]] в схеме усилительного каскада с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, будучи включёнными последовательно с [[эмиттер]]ом. Поскольку вывод [[эмиттер]]а [[транзистор]]а обрабатывает наибольший ток (сумма токов [[базы]] и [[коллектор]]а, так как эти токи всегда соединяются вместе, образуя ток [[эмиттер]]а), резонно предположить, что через этот усилитель будет проходить [[эмиттерный ток]] и будет наблюдаться очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно верно: коэффициент усиления по току для усилительного каскада с общим коллектором довольно велик, больше, чем у любой другой конфигурации транзисторного усилителя. Однако вовсе не это принципиально отличает его от других усилительных конфигураций. | ||
== Пример моделирования в SPICE == | == Пример моделирования в SPICE == | ||
Немедля приступим к SPICE-анализу этой схемы усилителя, по результатам чего станет очевидно, в чём его уникальность: | Немедля приступим к [[SPICE]]-анализу этой схемы усилителя, по результатам чего станет очевидно, в чём его уникальность: | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| [[File:III-04_6_3.jpg|400px|center|thumb|Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором для моделирования в SPICE.]] || common-collector amplifier<br />vin 1 0<br />q1 2 1 3 mod1<br />v1 2 0 dc 15<br />rload 3 0 5k<br />.model mod1 npn<br />.dc vin 0 5 0.2<br />.plot dc v(3,0)<br />.end | | [[File:III-04_6_3.jpg|400px|center|thumb|Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором для моделирования в SPICE.|alt=Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором для моделирования в SPICE.]] || common-collector amplifier<br />vin 1 0<br />q1 2 1 3 mod1<br />v1 2 0 dc 15<br />rload 3 0 5k<br />.model mod1 npn<br />.dc vin 0 5 0.2<br />.plot dc v(3,0)<br />.end | ||
|} | |} | ||
[[File:III-04_6_4.jpg|400px|center|thumb|Рис. 4. Общий коллектор: выходной сигнал равен входному за вычетом падения напряжения 0,7 В на схеме база/эмиттер.]] | [[File:III-04_6_4.jpg|400px|center|thumb|Рис. 4. Общий коллектор: выходной сигнал равен входному за вычетом падения напряжения 0,7 В на схеме база/эмиттер.|alt=Рис. 4. Общий коллектор: выходной сигнал равен входному за вычетом падения напряжения 0,7 В на схеме база/эмиттер.]] | ||
В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, усилитель с общим коллектором выдаёт выходное напряжение прямо, а не обратно пропорционально возрастающему входному напряжению. | В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, [[усилитель с общим коллектором]] выдаёт выходное напряжение прямо, а не обратно пропорционально возрастающему входному напряжению. | ||
По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, при внимательном рассмотрении выясняется, что выходное напряжение почти идентично входному, с отставанием примерно на 0,7 вольт. | По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, при внимательном рассмотрении выясняется, что выходное напряжение почти идентично входному, с отставанием примерно на 0,7 вольт. | ||
Это уникальное качество усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение почти равно входному. Рассмотренные с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного количества изменений входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению равный почти единице (1) или 0 дБ. Это верно и для | Это уникальное качество усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение почти равно входному. Рассмотренные с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного количества изменений входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению равный почти единице (1) или 0 дБ. Это верно и для [[транзистор]]ов с любым значением β и для [[нагрузочных резисторов]] с любым значением сопротивления. | ||
== Модель транзистора, где источником тока выступает диод == | == Модель транзистора, где источником тока выступает диод == | ||
Легко понять, почему выходное напряжение усилительного каскада с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению. Если посмотреть на модель | Легко понять, почему выходное напряжение усилительного каскада с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению. Если посмотреть на модель [[транзистор]]а с [[диод]]ом как источником тока на рисунке 5 ниже, то видим, что базовый ток должен проходить через [[P-N-переход]] [[база]]/[[эмиттер]], что эквивалентно обычному выпрямительному диоду. | ||
[[ | Если этот переход включён в прямом направлении ([[транзистор]] проводит ток в активном или насыщенном режимах), то падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В, если предположить, что он 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: | ||
[[File:III-04_6_5.jpg|400px|center|thumb|Рис. 5. Эмиттерный повторитель: напряжение эмиттера следует за базовым напряжением (минус V<sub>База/Эмиттер</sub>, равное 0,7 В).|alt=Рис. 5. Эмиттерный повторитель: напряжение эмиттера следует за базовым напряжением (минус V<sub>База/Эмиттер</sub>, равное 0,7 В).]] | |||
Учитывая полярности напряжения на [[P-N-переход]]е [[база]]/[[эмиттер]] и [[нагрузочном резисторе]], мы видим, что они должны складываться вместе, чтобы равняться входному напряжению, в соответствии с [[правилом Кирхгофа о напряжении]]. | |||
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 достигнуто, то в результате получится неинвертирующий усилитель: | 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, а насыщение достигается 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 ''[[эмиттерный повторитель]]'', потому что напряжение нагрузки эмиттера так близко по значению к входному напряжению, т.е. оно «повторяется». | |||
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 достигнуто, то в результате получится неинвертирующий усилитель: | |||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| [[File:III-04_6_6.jpg|400px|center|thumb|Рис. 6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель).]] || common-collector amplifier<br />vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)<br />vbias 4 0 dc 2.3<br />q1 2 1 3 mod1<br />v1 2 0 dc 15<br />rload 3 0 5k<br />.model mod1 npn<br />.tran .02m .78m<br />.plot tran v(1,0) v(3,0)<br />.end | | [[File:III-04_6_6.jpg|400px|center|thumb|Рис. 6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель).|alt=Рис. 6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель).]] || common-collector amplifier<br />vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)<br />vbias 4 0 dc 2.3<br />q1 2 1 3 mod1<br />v1 2 0 dc 15<br />rload 3 0 5k<br />.model mod1 npn<br />.tran .02m .78m<br />.plot tran v(1,0) v(3,0)<br />.end | ||
|} | |} | ||
Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал зависим от входного. На выходе такой же размах амплитуды, что и на входе. Тем не менее, уровень постоянного тока смещён вниз на величину одного падения напряжения на | Результаты моделирования [[SPICE]] на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал зависим от входного. На выходе такой же размах амплитуды, что и на входе. Тем не менее, уровень постоянного тока смещён вниз на величину одного падения напряжения на [[диод]]е (V<sub>База/Эмиттер</sub>). | ||
[[File:III-04_6_7.jpg|400px|center|thumb|Рис. 7. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель): Выход V(3) следует за входом V(1) минус падение V<sub>База/Эмиттер</sub> 0,7 В.]] | [[File:III-04_6_7.jpg|400px|center|thumb|Рис. 7. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель): Выход V(3) следует за входом V(1) минус падение V<sub>База/Эмиттер</sub> 0,7 В.|alt=Рис. 7. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель): Выход V(3) следует за входом V(1) минус падение V<sub>База/Эмиттер</sub> 0,7 В.]] | ||
Вот ещё один вид схемы с | Вот ещё один вид схемы с [[осциллограф]]ами, подключёнными к нескольким интересующим нас точкам: | ||
[[File:III-04_6_8.jpg|400px|center|thumb|Рис. 8. Коэффициент усиления неинвертирующего напряжения на усилителе с общим коллектором очень близок к 1.]] | [[File:III-04_6_8.jpg|400px|center|thumb|Рис. 8. Коэффициент усиления неинвертирующего напряжения на усилителе с общим коллектором очень близок к 1.|alt=Рис. 8. Коэффициент усиления неинвертирующего напряжения на усилителе с общим коллектором очень близок к 1.]] | ||
Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает какого-либо усиления по напряжению (фактически, на практике коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1), тут усиливается только ток. Конфигурация усилителя с общим эмиттером, которую мы разобрали 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-коэффициентом по определению является соотношение между токами | Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает какого-либо усиления по напряжению (фактически, на практике коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1), тут усиливается только ток. Конфигурация [[усилителя с общим эмиттером]], которую мы разобрали 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-коэффициентом по определению является соотношение между токами [[коллектор]]а и [[базы]]. Однако в конфигурации с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с [[эмиттер]]ом, и, таким образом, её ток равен току [[эмиттер]]а. Наряду с [[эмиттер]]ом, через который проходят коллекторный и базовый токи, на нагрузку в этом типе усилителя поступает весь коллекторный ток (плюс входной базовый ток). Это даёт текущий коэффициент усиления β плюс 1: | ||
[[File:III-04_6_9.jpg|400px|center|thumb|Рис. 9. Формула для вычисления коэффициента усиления по току.]] | [[File:III-04_6_9.jpg|400px|center|thumb|Рис. 9. Формула для вычисления коэффициента усиления по току.|alt=Рис. 9. Формула для вычисления коэффициента усиления по току.]] | ||
Опять же, PNP | Опять же, [[PNP транзистор]]ы так же пригодны для использования в конфигурации с общим коллектором, как и [[NPN транзистор]]ы. Усиление находится аналогично, как и в случае с неинвертированным усиленным сигналом. Разница разве что заключается в полярности напряжения и направлениях тока: | ||
[[File:III-04_6_10.jpg|400px|center|thumb|Рис. 10. PNP-версия усилителя с общим коллектором.]] | [[File:III-04_6_10.jpg|400px|center|thumb|Рис. 10. PNP-версия усилителя с общим коллектором.|alt=Рис. 10. PNP-версия усилителя с общим коллектором.]] | ||
Усилительный каскад с общим коллектором часто применяется в регулируемых источниках питания постоянного тока, где нерегулируемый (изменяющийся) источник постоянного напряжения ограничивается на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, | [[Усилительный каскад с общим коллектором]] часто применяется в регулируемых источниках питания постоянного тока, где нерегулируемый (изменяющийся) источник постоянного напряжения ограничивается на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, [[стабилитрон]]ы тоже обеспечивают эту функцию регулирования напряжения: | ||
[[File:III-04_6_11.jpg|400px|center|thumb|Рис. 11. Регулятор напряжения на стабилитроне.]] | [[File:III-04_6_11.jpg|400px|center|thumb|Рис. 11. [[Регулятор напряжения на стабилитроне]].|alt=Рис. 11. Регулятор напряжения на стабилитроне.]] | ||
Тем не менее, 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 (что позволяет сбросить всё избыточное напряжение источника питания на нём), стабилитрон потребляет больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы поддерживать собственное напряжение на постоянном уровне. | Тем не менее, 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 (что позволяет сбросить всё избыточное напряжение источника питания на нём), [[стабилитрон]] потребляет больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы поддерживать собственное напряжение на постоянном уровне. | ||
Одним из популярных способов увеличения способности такой схемы регулятора к управлению током является использование | Одним из популярных способов увеличения способности такой схемы регулятора к управлению током является использование [[транзистор]]а с общим коллектором для усиления тока в нагрузке, где [[стабилитрон]] обрабатывает столько тока, сколько необходимо для возбуждения базы [[транзистор]]а. | ||
[[File:III-04_6_12.jpg|400px|center|thumb|Рис. 12. Применение усилителя с общим коллектором: регулятор напряжения.]] | [[File:III-04_6_12.jpg|400px|center|thumb|Рис. 12. Применение усилителя с общим коллектором: регулятор напряжения.|alt=Рис. 12. Применение усилителя с общим коллектором: регулятор напряжения.]] | ||
При таком подходе важно помнить вот чём: напряжение нагрузки будет примерно на 0,7 В ниже напряжения | При таком подходе важно помнить вот чём: напряжение нагрузки будет примерно на 0,7 В ниже напряжения [[стабилитрон]]а из-за падения напряжения [[база]]/[[эмиттер]] на 0,7 В на [[транзистор]]е. Так как эта разница 0,7 вольт достаточно постоянная в широком диапазоне токов нагрузки, лучше использовать [[стабилитрон]] с номинальным напряжением выше на 0,7 вольт чем это нужно фактически. | ||
Иногда высокого коэффициента усиления по току в конфигурации с одним | Иногда высокого коэффициента усиления по току в конфигурации с одним [[транзистор]]ом и с общим [[коллектор]]ом бывает недостаточно в некоторых ситуациях. В этом случае несколько [[транзистор]]ов можно объединить в популярную схему, известную как [[пара Дарлингтона]]. Это, так сказать, расширенная версия усилителя с общим коллектором: | ||
[[File:III-04_6_13.jpg|400px|center|thumb|Рис. 13. NPN пара Дарлингтона.]] | [[File:III-04_6_13.jpg|400px|center|thumb|Рис. 13. [[NPN пара Дарлингтона]].|alt=Рис. 13. NPN пара Дарлингтона.]] | ||
Пары Дарлингтона, по сути, размещают один транзистор в качестве нагрузки с общим | [[Пары Дарлингтона]], по сути, размещают один [[транзистор]] в качестве нагрузки с [[общим коллектор]]ом для другого [[транзистор]]а, тем самым коэффициенты усиления по току перемножаются. Базовый ток, проходящий через верхний левый [[транзистор]], усиливается через [[эмиттер]] этого [[транзистор]]а, который напрямую подключён к базе нижнего правого [[транзистор]]а, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току можно вычислить следующим образом: | ||
'''Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:''' | '''Коэффициент усиления по току [[пары Дарлингтона]]:''' | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
| Строка 92: | Строка 93: | ||
|} | |} | ||
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 В меньше входного напряжения: | [[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 В меньше входного напряжения: | ||
[[File:III-04_6_14.jpg|400px|center|thumb|Рис. 14. Усилительный каскад с общим коллектором на основе пары Дарлингтона: теряется удвоенное напряжение на диодах V<sub>База/Эмиттер</sub>.]] | [[File:III-04_6_14.jpg|400px|center|thumb|Рис. 14. Усилительный каскад с общим коллектором на основе пары Дарлингтона: теряется удвоенное напряжение на диодах V<sub>База/Эмиттер</sub>.|alt=Рис. 14. Усилительный каскад с общим коллектором на основе пары Дарлингтона: теряется удвоенное напряжение на диодах V<sub>База/Эмиттер</sub>.]] | ||
Пары Дарлингтона продаются отдельными блоками (два | [[Пары Дарлингтона]] продаются отдельными блоками (два [[транзистор]]а в одном корпусе) или могут быть построены из пары разных [[транзистор]]ов. Само собой, если нужен ещё больший коэффициент усиления по току, чем тот, который может быть получен при помощи пары, ничто не мешает создавать триплет или даже квадруплет Дарлингтона. | ||
== Итог == | == Итог == | ||
*Транзисторные ''усилительные каскады с общим коллектором'' так называются потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод | * Транзисторные ''[[усилительные каскады с общим коллектором]]'' так называются потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод [[коллектор]]а [[транзистор]]а, если не учитывать какие-либо источники питания. | ||
*Усилитель с общим коллектором также известен как ''эмиттерный повторитель'' (он же ''повторитель напряжения''). | * [[Усилитель с общим коллектором]] также известен как ''[[эмиттерный повторитель]]'' (он же ''[[повторитель напряжения]]''). | ||
*Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет совпадать по фазе с входным напряжением, что делает эту схему неинвертирующей. | * Выходное напряжение [[усилителя с общим коллектором]] будет совпадать по фазе с входным напряжением, что делает эту схему неинвертирующей. | ||
*Коэффициент усиления по току усилительного каскада с общим коллектором равен β + 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на практике немного меньше). | * Коэффициент усиления по току усилительного каскада с общим коллектором равен β + 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на практике немного меньше). | ||
*''Пара Дарлингтона'' представляет собой пару | * ''[[Пара Дарлингтона]]'' представляет собой пару [[транзистор]]ов с общим [[коллектор]]ом «переплетающихся» таким образом, что [[эмиттер]] одного из них является источником тока для базы другого. Результатом является общий коэффициент усиления по току, равный произведению (умножению) их индивидуальных коэффициентов β усиления по току [[общего коллектора]] (и плюс 1). | ||
=См.также= | =См.также= | ||
Версия от 14:18, 11 сентября 2021
Усилительный каскад с общим коллектором[1]
Нашу следующую транзисторную конфигурация изучать куда как проще в плане расчёта коэффициента усиления. Это схема – так называемая конфигурация с общим коллектором:
Усилительный каскад с общим коллектором (или просто усилитель с общим коллектором) носит такое название, потому что (если не принимать во внимание источник питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод коллектора в качестве общей точки подключения:
Достаточно очевидно, что нагрузочный резистор в схеме усилительного каскада с общим коллектором принимает как базовый, так и коллекторный токи, будучи включёнными последовательно с эмиттером. Поскольку вывод эмиттера транзистора обрабатывает наибольший ток (сумма токов базы и коллектора, так как эти токи всегда соединяются вместе, образуя ток эмиттера), резонно предположить, что через этот усилитель будет проходить эмиттерный ток и будет наблюдаться очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно верно: коэффициент усиления по току для усилительного каскада с общим коллектором довольно велик, больше, чем у любой другой конфигурации транзисторного усилителя. Однако вовсе не это принципиально отличает его от других усилительных конфигураций.
Пример моделирования в SPICE
Немедля приступим к SPICE-анализу этой схемы усилителя, по результатам чего станет очевидно, в чём его уникальность:
 |
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 |
В отличие от усилителя с общим эмиттером из предыдущего раздела, усилитель с общим коллектором выдаёт выходное напряжение прямо, а не обратно пропорционально возрастающему входному напряжению.
По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, при внимательном рассмотрении выясняется, что выходное напряжение почти идентично входному, с отставанием примерно на 0,7 вольт.
Это уникальное качество усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение почти равно входному. Рассмотренные с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного количества изменений входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению равный почти единице (1) или 0 дБ. Это верно и для транзисторов с любым значением β и для нагрузочных резисторов с любым значением сопротивления.
Модель транзистора, где источником тока выступает диод
Легко понять, почему выходное напряжение усилительного каскада с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению. Если посмотреть на модель транзистора с диодом как источником тока на рисунке 5 ниже, то видим, что базовый ток должен проходить через P-N-переход база/эмиттер, что эквивалентно обычному выпрямительному диоду.
Если этот переход включён в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном или насыщенном режимах), то падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В, если предположить, что он 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:
Учитывая полярности напряжения на P-N-переходе база/эмиттер и нагрузочном резисторе, мы видим, что они должны складываться вместе, чтобы равняться входному напряжению, в соответствии с правилом 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, а насыщение достигается 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 эмиттерный повторитель, потому что напряжение нагрузки эмиттера так близко по значению к входному напряжению, т.е. оно «повторяется».
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 достигнуто, то в результате получится неинвертирующий усилитель:
 |
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 |
Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал зависим от входного. На выходе такой же размах амплитуды, что и на входе. Тем не менее, уровень постоянного тока смещён вниз на величину одного падения напряжения на диоде (VБаза/Эмиттер).
Вот ещё один вид схемы с осциллографами, подключёнными к нескольким интересующим нас точкам:
Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает какого-либо усиления по напряжению (фактически, на практике коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1), тут усиливается только ток. Конфигурация усилителя с общим эмиттером, которую мы разобрали 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-коэффициентом по определению является соотношение между токами коллектора и базы. Однако в конфигурации с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, таким образом, её ток равен току эмиттера. Наряду с эмиттером, через который проходят коллекторный и базовый токи, на нагрузку в этом типе усилителя поступает весь коллекторный ток (плюс входной базовый ток). Это даёт текущий коэффициент усиления β плюс 1:
Опять же, PNP транзисторы так же пригодны для использования в конфигурации с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Усиление находится аналогично, как и в случае с неинвертированным усиленным сигналом. Разница разве что заключается в полярности напряжения и направлениях тока:
Усилительный каскад с общим коллектором часто применяется в регулируемых источниках питания постоянного тока, где нерегулируемый (изменяющийся) источник постоянного напряжения ограничивается на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны тоже обеспечивают эту функцию регулирования напряжения:
Тем не менее, 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 (что позволяет сбросить всё избыточное напряжение источника питания на нём), стабилитрон потребляет больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы поддерживать собственное напряжение на постоянном уровне.
Одним из популярных способов увеличения способности такой схемы регулятора к управлению током является использование транзистора с общим коллектором для усиления тока в нагрузке, где стабилитрон обрабатывает столько тока, сколько необходимо для возбуждения базы транзистора.
При таком подходе важно помнить вот чём: напряжение нагрузки будет примерно на 0,7 В ниже напряжения стабилитрона из-за падения напряжения база/эмиттер на 0,7 В на транзисторе. Так как эта разница 0,7 вольт достаточно постоянная в широком диапазоне токов нагрузки, лучше использовать стабилитрон с номинальным напряжением выше на 0,7 вольт чем это нужно фактически.
Иногда высокого коэффициента усиления по току в конфигурации с одним транзистором и с общим коллектором бывает недостаточно в некоторых ситуациях. В этом случае несколько транзисторов можно объединить в популярную схему, известную как пара Дарлингтона. Это, так сказать, расширенная версия усилителя с общим коллектором:
Пары Дарлингтона, по сути, размещают один транзистор в качестве нагрузки с общим коллектором для другого транзистора, тем самым коэффициенты усиления по току перемножаются. Базовый ток, проходящий через верхний левый транзистор, усиливается через эмиттер этого транзистора, который напрямую подключён к базе нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току можно вычислить следующим образом:
Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:
| AI = (β1 + 1) × (β2 + 1) Где: β1 – бета-коэффициент первого транзистора; β2 – бета-коэффициент второго транзистора. |
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 В меньше входного напряжения:
Пары Дарлингтона продаются отдельными блоками (два транзистора в одном корпусе) или могут быть построены из пары разных транзисторов. Само собой, если нужен ещё больший коэффициент усиления по току, чем тот, который может быть получен при помощи пары, ничто не мешает создавать триплет или даже квадруплет Дарлингтона.
Итог
- Транзисторные усилительные каскады с общим коллектором так называются потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод коллектора транзистора, если не учитывать какие-либо источники питания.
- Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель (он же повторитель напряжения).
- Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет совпадать по фазе с входным напряжением, что делает эту схему неинвертирующей.
- Коэффициент усиления по току усилительного каскада с общим коллектором равен β + 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на практике немного меньше).
- Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов с общим коллектором «переплетающихся» таким образом, что эмиттер одного из них является источником тока для базы другого. Результатом является общий коэффициент усиления по току, равный произведению (умножению) их индивидуальных коэффициентов β усиления по току общего коллектора (и плюс 1).
См.также
Внешние ссылки
