Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Усилительный каскад с общим коллектором

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


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:

Рис. 1. В усилительном каскаде с общим коллектором имеется общий коллектор как для входного, так и для выходного напряжения.
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 коллектора в качестве общей точки подключения:

Рис. 2. Усилительный каскад с общим коллектором: входной сигнал воздействует и на базу, и на коллектор. Выходной сигнал исходит из схемы эмиттер/коллектор.
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 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:

Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором для моделирования в SPICE.
Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором для моделирования в SPICE.
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
Рис. 4. Общий коллектор: выходной сигнал равен входному за вычетом падения напряжения 0,7 В на схеме база/эмиттер.
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.

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:

Рис. 5. Эмиттерный повторитель: напряжение эмиттера следует за базовым напряжением (минус VБаза/Эмиттер, равное 0,7 В).
Рис. 5. Эмиттерный повторитель: напряжение эмиттера следует за базовым напряжением (минус VБаза/Эмиттер, равное 0,7 В).

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:

Рис. 6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
Рис. 6. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель).
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).

Рис. 7. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель): Выход V(3) следует за входом V(1) минус падение VБаза/Эмиттер 0,7 В.
Рис. 7. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель): Выход V(3) следует за входом V(1) минус падение VБаза/Эмиттер 0,7 В.

Вот ещё один вид схемы с осциллографами, подключёнными к нескольким интересующим нас точкам:

Рис. 8. Коэффициент усиления неинвертирующего напряжения на усилителе с общим коллектором очень близок к 1.
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 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:

Рис. 9. Формула для вычисления коэффициента усиления по току.
Рис. 9. Формула для вычисления коэффициента усиления по току.

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:

Рис. 10. PNP-версия усилителя с общим коллектором.
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, 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.

Рис. 12. Применение усилителя с общим коллектором: регулятор напряжения.
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 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:

Рис. 14. Усилительный каскад с общим коллектором на основе пары Дарлингтона: теряется удвоенное напряжение на диодах VБаза/Эмиттер.
Рис. 14. Усилительный каскад с общим коллектором на основе пары Дарлингтона: теряется удвоенное напряжение на диодах VБаза/Эмиттер.

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

См.также

Внешние ссылки