Общий эмиттер - Common emitter

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

В электронике усилитель с общим эмиттером представляет собой одну из трех основных топологий одноступенчатого биполярно-переходного транзистора (BJT), обычно используемых в качестве усилителя напряжения . Он предлагает высокий коэффициент усиления по току (обычно 200), среднее входное сопротивление и высокое выходное сопротивление. Выход усилителя с общим эмиттером сдвинут по фазе на 180 градусов по отношению к входному сигналу.

В этой схеме базовый вывод транзистора служит входом, коллектор - выходом, а эмиттер является общим для обоих (например, он может быть привязан к заземлению или шине питания ), отсюда и его название. Аналогичная схема на полевом транзисторе представляет собой усилитель с общим истоком , а аналогичная ламповая схема - это усилитель с общим катодом .

Вырождение излучателя

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

Усилители с общим эмиттером дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления, который 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.

Другие проблемы, связанные со схемой, - это низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала ; существует высокая степень искажения , если этот предел превышен , и транзистор перестает вести себя как его модель малого сигнала. Один из распространенных способов решения этих проблем - дегенерация эмиттера . Это относится к добавлению небольшого резистора между эмиттером и общим источником сигнала (например, заземлением или шиной питания ). Этот импеданс снижает общую крутизну цепи в раз , что делает усиление напряжения${\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$ ${\ displaystyle G_ {m} = g_ {m}}$${\ displaystyle g_ {m} R _ {\ text {E}} + 1}$

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

где . ${\ displaystyle g_ {m} R _ {\ text {E}} \ gg 1}$

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

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

Характеристики

На низких частотах и ​​с использованием упрощенной модели гибридного Пи можно получить следующие характеристики слабого сигнала .

	Определение	Выражение (с эмиттерным вырождением)	Выражение (без вырождения эмиттера, т.е. R E = 0)
Текущий прирост	${\ Displaystyle А _ {\ текст {я}} \ треугольник {\ гидроразрыва {я _ {\ текст {выход}}} {я _ {\ текст {в}}}} \,}$	${\ Displaystyle \ бета \,}$	${\ displaystyle \ beta}$
Усиление напряжения	${\ displaystyle A _ {\ text {v}} \ треугольникq {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} \,}$	${\ displaystyle {\ begin {matrix} - {\ frac {\ beta R _ {\ text {C}}} {r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}}}} \ end {матрица}} \,}$	${\ displaystyle -g_ {m} R _ {\ text {C}}}$
Входное сопротивление	${\ Displaystyle г _ {\ текст {в}} \ треугольник {\ гидроразрыва {v _ {\ текст {в}}} {я _ {\ текст {в}}}} \,}$	${\ displaystyle r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}} \,}$	${\ displaystyle r _ {\ pi}}$
Выходное сопротивление	${\ displaystyle r _ {\ text {out}} \ треугольникq {\ frac {v _ {\ text {out}}} {i _ {\ text {out}}}} \,}$	${\ Displaystyle R _ {\ текст {C}} \,}$	${\ displaystyle R _ {\ text {C}}}$

Если резистор дегенерации эмиттера отсутствует, тогда и выражения эффективно упрощаются до тех, которые даны в крайнем правом столбце (обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению является идеальным значением; фактическое усиление несколько непредсказуемо). Как и ожидалось, при увеличении входное сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления по напряжению уменьшается. ${\ Displaystyle R _ {\ текст {E}} = 0 \, \ Omega}$${\ Displaystyle R _ {\ текст {E}} \,}$${\ Displaystyle А _ {\ текст {v}} \,}$

Пропускная способность

Полоса пропускания усилителя с общим эмиттером имеет тенденцию быть низкой из-за высокой емкости в результате эффекта Миллера . Паразитарная база-коллектор емкость появляется как больший паразитным конденсатор (где отрицательный) от основания к земле . Этот большой конденсатор значительно уменьшает полосу пропускания усилителя, поскольку он обеспечивает постоянную времени паразитного входного RC-фильтра, где - выходной импеданс источника сигнала, подключенного к идеальной базе. ${\ displaystyle C _ {\ text {CB}} \,}$${\ Displaystyle С _ {\ текст {CB}} (1-А _ {\ текст {v}}) \,}$${\ Displaystyle А _ {\ текст {v}} \,}$ ${\ displaystyle r _ {\ text {s}} (1-A _ {\ text {V}}) C _ {\ text {CB}} \,}$${\ Displaystyle г _ {\ текст {s}} \,}$

Проблему можно решить несколькими способами, в том числе:

• Снижение величины усиления по напряжению (например, за счет вырождения эмиттера).${\ displaystyle \ left | A _ {\ text {v}} \ right | \,}$
• Уменьшение выходного сопротивления источника сигнала, подключенного к базе (например, с помощью эмиттерного повторителя или другого повторителя напряжения ).${\ Displaystyle г _ {\ текст {s}} \,}$
• Использование каскодной конфигурации, при которой между коллектором транзистора и нагрузкой вставляется токовый буфер с низким входным сопротивлением (например, усилитель с общей базой ). Эта конфигурация поддерживает напряжение коллектора транзистора примерно постоянным, таким образом делая нулевое усиление базы по отношению к коллектору и, следовательно (в идеале) устраняя эффект Миллера.
• Использование топологии дифференциального усилителя, такой как эмиттерный повторитель, управляющий усилителем с заземленной базой; до тех пор, пока эмиттерный повторитель действительно является усилителем с общим коллектором , эффект Миллера устраняется.

Эффект Миллера таким же образом отрицательно влияет на характеристики усилителя с общим источником (и имеет 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 IE эмиттера и тока коллектора IC. В результате напряжение коллектор-эмиттер будет уменьшено из-за увеличения падения напряжения на RL. Отрицательное чередование 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 подключен к земле, он является общим для сигналов, входа и выхода.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенным из транзисторных усилителей с переходником. По сравнению с соединением с общей базой он имеет более высокое входное сопротивление и меньшее выходное сопротивление. Один источник питания легко использовать для смещения. Кроме того, при работе с общим эмиттером (CE) обычно достигается более высокий выигрыш по напряжению 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.

Приложения

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 смещают транзистор так, чтобы он оставался в активном режиме на всем диапазоне входа. Выход представляет собой инвертированную копию переменного тока входного сигнала, который был усилен соотношением R _C / R _E и сдвинут на величину, определяемую всеми четырьмя резисторами. Поскольку R _C часто велик, выходное сопротивление этой цепи может быть недопустимо высоким. Чтобы решить эту проблему, R _C поддерживается на минимально возможном уровне, а за усилителем следует буфер напряжения, такой как эмиттерный повторитель .

Радио

Усилители с общим эмиттером также используются в радиочастотных схемах, 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 .

Смотрите также

• Общая база
• Общий коллектор
• Общие ворота
• Общий сток
• Общий источник
• Открытый коллектор
• Двухпортовая сеть

Рекомендации

Внешние ссылки

• Моделирование общего эмиттер схемы усилителя или моделирования общего усилителя эмиттер транзистора
• Основные конфигурации усилителя BJT
• Усилитель с общим эмиттером NPN - Гиперфизика
• ECE 327: Основы транзисторов - Дает пример схемы с общим эмиттером с пояснениями.