Общий эмиттер

редактировать

Рисунок 1: Базовая схема NPN с общим эмиттером (без учета деталей смещения )

В электронике, усилитель с общим эмиттером является одним из трех основных однокаскадных биполярно-переходных транзисторов (BJT) топологии усилителя, обычно используемые в качестве усилителя напряжения.

В этой схеме клемма базы транзистора служит входом, коллектор - выходом, а эмиттер - общим к обоим (например, он может быть связан с опорным заземлением или шиной источника питания ), отсюда и его название. Аналогичная схема FET представляет собой усилитель с общим истоком, а аналогичная схема лампового является усилителем с общим катодом.

Содержание

1 Вырождение эмиттера
2 Характеристики
- 2.1 Полоса пропускания
3 Приложения
- 3.1 Усилитель напряжения низкой частоты
- 3.2 Радио
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Вырождение эмиттера

Рисунок 2: Добавление эмиттерного резистора уменьшает усиление, но увеличивает линейность и стабильность

Усилители с общим эмиттером дают усилителю инвертированный выход и могут иметь очень высокое значение усиление, которое может широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. Стабильность - еще одна проблема, связанная с такими схемами с высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать.

Другими проблемами, связанными со схемой, являются низкий входной динамический диапазон, налагаемый пределом слабого сигнала ; существует высокое искажение, если этот предел превышен, и транзистор перестает вести себя как его модель слабого сигнала. Один из распространенных способов решения этих проблем - дегенерация эмиттера. Это относится к добавлению небольшого резистора между эмиттером и общим источником сигнала (например, опорным заземлением или шиной питания ). Этот импеданс $RE {\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$ уменьшает общую проводимость $G m = gm {\ displaystyle G_ {m} = g_ {m}}$ $G_ {m} = g_ {m}$ схемы с коэффициентом $gm RE + 1 {\ displaystyle g_ {m} R _ {\ text {E}} + 1}$ ${\ displaystyle g_ {m} R _ {\ text {E}} + 1}$ , что делает усиление напряжения

A v ≜ v out v in = - gm RC gm RE + 1 ≈ - RCRE, {\ displaystyle A _ {\ text {v}} \ треугольник q {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} = {\ frac {-g_ {m} R _ {\ text {C}}} {g_ {m} R _ {\ text {E}} + 1 }} \ приблизительно - {\ frac {R _ {\ text {C}}} {R _ {\ text {E}}}},}

{\ displaystyle A _ {\ text {v}} \ triggeredq {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} = {\ frac {-g_ {m} R _ {\ text {C}}} {g_ {m} R _ {\ text {E}} + 1 }} \ приблизительно - {\ frac {R _ {\ text {C}}} {R _ {\ text {E}}}},}

где $gm RE ≫ 1 {\ displaystyle g_ {m} R_ {\ text {E}} \ gg 1}$ ${\ displaystyle g_ {m} R _ {\ text {E}} \ gg 1}$ .

Коэффициент усиления по напряжению почти полностью зависит от соотношения резисторов $RC / RE {\ displaystyle R _ {\ text {C}} / R _ {\ text {E }}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {C}} / R _ {\ text {E}}}$ , а не внутренние и непредсказуемые характеристики транзистора. Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

(Хотя это часто называют «отрицательной обратной связью », поскольку оно снижает усиление, увеличивает входное сопротивление и уменьшает искажения, оно предшествует изобретению отрицательной обратной связи и не снижает выходное сопротивление и не увеличивает полосу пропускания, как это сделала бы настоящая отрицательная обратная связь.)

Характеристики

На низких частотах и при использовании упрощенной модели гибридного пи Могут быть получены следующие характеристики слабого сигнала.

	Определение	Выражение (с вырождением эмиттера)	Выражение (без вырождения эмиттера, то есть R E = 0)
Текущее усиление	$A я ≜ я из я в {\ Displaystyle А _ {\ текст {я}} \ треугольник {\ гидроразрыва {я _ {\ текст {выход}}} {я _ {\ текст {в}}}} \,}$ $A _ {\ text {i}} \ треугольникq {\ frac {i_ {\ text {out}}} {я _ {\ text {in}}}} \,$	$β {\ displaystyle \ beta \,}$ $\ beta \,$	$β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$
Коэффициент усиления по напряжению	$A v ≜ v out v in {\ displaystyle A _ {\ text {v}} \ треугольникq {\ frac { v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} \,}$ $A _ {\ text {v}} \ треугольник {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in }}}} \,$	$- β RC r π + (β + 1) RE {\ displaystyle {\ begin {matrix} - {\ frac {\ beta R _ {\ text {C}}} {r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}}}} \ end {matrix}} \,}$ ${\ begin {matrix} - {\ frac {\ beta R _ {\ text {C}}} {r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}}}} \ end {matrix}} \,$	$- gm RC {\ displaystyle -g_ {m} R _ {\ text {C}}}$ ${\ displaystyle -g_ {m} R _ {\ text {C}}}$
Входное сопротивление	$r in ≜ v in i in {\ displaystyle r _ {\ text {in}} \ треугольникq {\ frac { v _ {\ text {in}}} {я _ {\ text {in}}}} \,}$ $r _ {\ t ext {in}} \ треугольник {\ frac {v _ {\ text {in}}} {i _ {\ text {in}}}} \,$	$r π + (β + 1) RE {\ displaystyle r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}} \,}$ $r _ {\ pi } + (\ beta +1) R _ {\ text {E}} \,$	$r π {\ displaystyle r _ {\ pi}}$ $r _ {\ pi}$
Выходное сопротивление	$r out ≜ v out i out {\ displaystyle r _ {\ text {out} } \ треугольникq {\ frac {v _ {\ text {out}}} {i _ {\ text {out}}}} \,}$ $r _ {\ text {out}} \ треугольник {\ frac {v _ {\ text {out}}} {i _ {\ text {out}}}} \,$	$R C {\ displaystyle R _ {\ text {C}} \,}$ $R _ {{{\ text {C}}} } \,$	$RC {\ displaystyle R _ {\ text {C}}}$ $R _ {{{\ text {C }}}}$

Если резистор дегенерации эмиттера отсутствует, то $RE = 0 Ω {\ displaystyle R _ {\ text {E}} = 0 \, \ Omega}$ $R_ { \ text {E}} = 0 \, \ Omega$ , и выражения эффективно упрощаются до тех, которые указаны в крайнем правом столбце (обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению является идеальным значением; реальный выигрыш несколько непредсказуем). Как и ожидалось, когда $RE {\ displaystyle R _ {\ text {E}} \,}$ $R _ {{{\ text {E}}}} \,$ увеличивается, входное сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления по напряжению $A v {\ displaystyle A_ { \ text {v}} \,}$ $A _ {{{\ text {v}}}} \,$ уменьшено.

Полоса пропускания

Полоса пропускания усилителя с общим эмиттером имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости в результате эффекта Миллера. паразитная емкость база-коллектор $C CB {\ displaystyle C _ {\ text {CB}} \,}$ $C_{{{\text{CB}}}}\,$ выглядит как паразитный конденсатор большего размера $C CB (1 - A v) {\ displaystyle C _ {\ text {CB}} (1-A _ {\ text {v}}) \,}$ $C _ {\ text {CB}} (1-A _ {\ text { v}}) \,$ (где $A v {\ displaystyle A _ {\ text {v}} \,}$ $A _ {{{\ text {v}}}} \,$ отрицательно) от основания до земли. Этот большой конденсатор значительно уменьшает полосу пропускания усилителя, поскольку он делает постоянной времени паразитного входа RC-фильтра $rs (1 - AV) C CB {\ displaystyle r_ { \ text {s}} (1-A _ {\ text {V}}) C _ {\ text {CB}} \,}$ $r _ {\ text {s}} (1-A _ {\ текст {V}}) C _ {\ text {CB}} \,$ где $rs {\ displaystyle r _ {\ text {s} } \,}$ $r _ {{{\ text {s}}} } \,$ - это выходное сопротивление источника сигнала, подключенного к идеальной базе.

Проблема может быть уменьшена несколькими способами, включая:

Уменьшение усиления по напряжению величина $| A v | {\ displaystyle \ left | A _ {\ text {v}} \ right | \,}$ $\ left | A _ {{{\ text {v}}}} \ right | \,$ (например, с использованием вырождения эмиттера).
Уменьшение выходного импеданса $rs {\ displaystyle r _ {\ text {s}} \,}$ $r _ {{{\ text {s}}} } \,$ источника сигнала, подключенного к базе (например, с помощью эмиттерного повторителя или другого другой повторитель напряжения ).
Использование конфигурации каскода, которая вставляет буфер тока с низким входным сопротивлением (например, усилитель с общей базой ) между коллектором транзистора и нагрузкой. Конфигурация поддерживает примерно постоянное напряжение коллектора транзистора, таким образом делая нулевое усиление между базой и коллектором и, следовательно (в идеале) устраняя эффект Миллера.
Использование дифференциального усилителя топология как эмиттерный повторитель, управляющий усилителем с заземленной базой; пока эмиттерный повторитель действительно является усилителем с общим коллектором, эффект Миллера устраняется.

Эффект Миллера отрицательно влияет на производительность общего источника усилитель аналогичным образом (и есть аналогичные решения). Когда сигнал переменного тока подается на транзисторный усилитель, он вызывает колебания значения базового напряжения VB при сигнале переменного тока. Положительная половина приложенного сигнала вызовет увеличение значения VB, этот поворот увеличит базовый ток IB и вызовет соответствующее увеличение тока эмиттера IE и тока коллектора IC. В результате напряжение коллектор-эмиттер будет уменьшено из-за увеличения падения напряжения на RL. Отрицательное изменение сигнала переменного тока вызовет уменьшение IB, это действие затем вызывает соответствующее уменьшение IE через RL.

Его также называют усилителем с общим эмиттером, потому что эмиттер транзистора является общим как для входной, так и для выходной цепи. Входной сигнал подается на землю и базовую цепь транзистора. Выходной сигнал появляется через землю и коллектор транзистора. Поскольку эмиттер соединен с землей, он является общим для сигналов, входа и выхода.

Схема с общим эмиттером - это наиболее широко применяемая из транзисторных усилителей. По сравнению с соединением с общей базой он имеет более высокое входное сопротивление и меньшее выходное сопротивление. Для смещения легко использовать один источник питания. Кроме того, при работе с общим эмиттером (CE) обычно достигается более высокий коэффициент усиления напряжения и мощности.

Коэффициент усиления по току в цепи с общим эмиттером получается из токов базы и коллектора. Поскольку очень небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора, коэффициент усиления по току (β) всегда больше единицы для схемы с общим эмиттером, типичное значение составляет около 50.

Применения

Усилитель напряжения низкой частоты

Типичный пример использования усилителя с общим эмиттером показан на рисунке 3.

Рисунок 3: Несимметричный npn-усилитель с общим эмиттером с вырождением эмиттера. Схема со связью по переменному току действует как усилитель со сдвигом уровня. Здесь предполагается, что падение напряжения база-эмиттер составляет 0,65 В.

Входной конденсатор C удаляет любую постоянную составляющую входа, а резисторы R 1 и R 2 смещайте транзистор так, чтобы он оставался в активном режиме на всем диапазоне входа. Выход представляет собой инвертированную копию переменного тока входного сигнала, который был усилен на коэффициент R C/REи сдвинут на величину, определяемую всеми четырьмя резисторами. Поскольку R C часто велико, выходное сопротивление этой схемы может быть недопустимо высоким. Чтобы решить эту проблему, R C поддерживается на минимально возможном уровне, а за усилителем следует буфер напряжения , например, эмиттерный повторитель.

Radio

Усилители с общим эмиттером также используются в радиочастотных цепях, например, для усиления слабых сигналов, принимаемых антенной . В этом случае обычно заменяют нагрузочный резистор настроенной схемой. Это может быть сделано для ограничения полосы пропускания узкой полосой, сосредоточенной вокруг предполагаемой рабочей частоты. Что еще более важно, это также позволяет схеме работать на более высоких частотах, поскольку настроенная схема может использоваться для резонанса любых межэлектродных и паразитных емкостей, которые обычно ограничивают частотную характеристику. Общие эмиттеры также обычно используются в качестве малошумящих усилителей.

См. Также

Портал электроники

Ссылки

Внешние ссылки

Моделирование схемы усилителя с общим эмиттером или моделирование транзисторного усилителя с общим эмиттером
Базовое Конфигурации усилителя BJT
NPN-усилитель с общим эмиттером - HyperPhysics
ECE 327: Transistor Basics - Дается пример схемы с общим эмиттером с пояснением.