Zajednički kolektor

U elektronici, pojačalo sa zajedničkim kolektorom (takođe poznato kao emiterski sledbenik ) je jedno od tri osnovne jednostepene topologije pojačivača sa bipolarnim tranzistorom, koje se obično koristi kao pojačivač napona .

Slika 1: Osnovno NPN kolo zajedničkog kolektora (zanemarujući detalje o polarizaciji ).

U ovom kolu osnovni terminal tranzistora služi kao ulaz, emiter je izlaz, a kolektor je zajednički za oba (na primer, može biti vezan za referentnu masu ili izvorom napajanja ), otuda i njegovo ime. Analogno kolo tranzistora sa efektom polja je uobičajeni drejn pojačalo, a analogno cevno kolo je katodni sledbenik .

Osnovno kolo

Slika 2: Pojačalo sa negativnom povratnom spregom

Kolo se može objasniti posmatranjem tranzistora kao pod kontrolom negativne povratne sprege. Sa ove tačke gledišta, stepen sa zajedničkim kolektorom (slika 1) je pojačavač sa punom serijskom negativnom povratnom spregom. U ovoj konfiguraciji (slika 2 sa β = 1), ceo izlazni napon V_out postavljen je suprotno i u seriji sa ulaznim naponom V_in . Tako se dva napona oduzimaju prema Kirhofovom zakonu o naponu (oduzimač iz funkcionalnog blok dijagrama se implementira samo preko ulazne petlje), a njihova razlika V_diff = V_in − V_out se primenjuje na spoj baza-emiter . Tranzistor kontinuirano prati V_diff i podešava napon svog emitera na jednak V_in minus uglavnom konstantan V_BE propuštanjem struje kolektora kroz otpornik emitera R_E. Kao rezultat toga, izlazni napon prati varijacije ulaznog napona od V_BE do V₊ ; otuda i naziv „sledbenik emitera“.

Intuitivno, ovo ponašanje može se shvatiti i uviđanjem da je V_BE vrlo neosetljiv na promene polarizacije, pa svaka promena u naponu baze (u dobroj aproksimaciji) direktno prenosi na emiter. To malo zavisi od različitih poremećaja (tolerancije tranzistora, varijacija temperature, otpornost opterećenja, kolektorski otpornik ako se doda, itd.), budući da tranzistor reaguje na ove poremećaje i vraća ravnotežu. Nikada ne dolazi do saturacije čak i ako ulazni napon dostigne pozitivnu šinu.

Može se matematički pokazati da kolo zajedničkog kolektora ima povećanje napona približno jedinici:

$A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\approx 1.$

Slika 3: PNP verzija kola emiter-sledbenik, svi polariteti su obrnuti.

Mala promena napona na ulaznom terminalu će se odraziti na izlazu (zavisi malo od pojačanja tranzistora i vrednosti otpora opterećenja; videti formulu pojačanja ispod). Ovo kolo je korisno jer ima veliku ulaznu impedansu

$r_{\text{in}}\approx \beta _{0}R_{\text{E}},$

tako da neće opteretiti prethodni krug i malu izlaznu impedansu

$r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{E}}\parallel R_{\text{source}}}{\beta _{0}}},$

tako da može da pokreće opterećenja niskog otpora.

Tipično, otpornik emitera je znatno veći i može se ukloniti iz jednačine:

$r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{source}}}{\beta _{0}}}.$

Aplikacije

Slika 4: NPN pratilac napona sa prednaponom izvora struje pogodan za integrisana kola

Niska izlazna impedansa omogućava izvoru sa velikom izlaznom impedansom da pokreće malu impedansu opterećenja ; funkcioniše kao naponski bafer. Drugim rečima, kolo ima pojačanje struje (koja većoj meri zavisi od h_FE vrednosti tranzistora) umesto pojačanja napona, zbog svojih karakteristika se preferira u mnogim elektronskim uređajima. Mala promena ulazne struje rezultira mnogo većom promenom izlazne struje koja se dovodi do izlaznog opterećenja.

Jedan aspekt delovanja bafera je transformacija impedansi. Na primer, Teveninov otpor kombinacije sledbenika napona pokretanog od izvora napona sa visokim Teveninov otporom je smanjen samo na izlazni otpor sledbenika napona (mali otpor). To smanjenje otpora čini kombinaciju idealnim izvorom napona. Suprotno tome, sledbenik napona umetnut između malog otpora opterećenja i pogonskog stepena predstavlja veliko opterećenje za pogonski stepen — prednost u povezivanju naponskog signala sa malim opterećenjem.

Ova konfiguracija se obično koristi u izlaznim stepenima pojačala klase-B i klase-AB . Osnovno kolo je modifikovano da radi sa tranzistorom u režimu klase-B ili AB. U režimu klase-A, ponekad se koristi aktivni izvor struje umesto R_E (slika 4) da bi se poboljšala linearnost i/ili efikasnost.

Karakteristike

Na niskim frekvencijama i korišćenjem pojednostavljenog hibridnog pi modela, mogu se izvesti sledeće karakteristike malog signala . (Parametar $\beta =g_{m}r_{\pi }$ a paralelne linije označavaju paralelne komponente .)

	Definicija	Izraz	Približan izraz	Uslovi
Pojačanje struje	$A_{\mathrm {i} }={i_{\text{out}} \over i_{\text{in}}}$	$\beta _{0}+1\$	$\approx \beta _{0}$	$\beta _{0}\gg 1$
Pojačanje napona	$A_{\mathrm {v} }={v_{\text{out}} \over v_{\text{in}}}$	${g_{m}R_{\text{E}} \over g_{m}R_{\text{E}}+1}$	$\approx 1$	$g_{m}R_{\text{E}}\gg 1$
Ulazni otpor	$r_{\text{in}}={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}$	$r_{\pi }+(\beta _{0}+1)R_{\text{E}}\$	$\approx \beta _{0}R_{\text{E}}$	$(g_{m}R_{\text{E}}\gg 1)\wedge (\beta _{0}\gg 1)$
Izlazni otpor	$r_{\text{out}}={\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}$	$R_{\text{E}}\parallel {r_{\pi }+R_{\text{source}} \over \beta _{0}+1}$	$\approx {1 \over g_{m}}+{R_{\text{source}} \over \beta _{0}}$	$(\beta _{0}\gg 1)\wedge (r_{\text{in}}\gg R_{\text{source}})$

Gde $R_{\text{source}}\$ je Teveninov ekvivalentni otpor izvora.

Derivacije

Slika 5: Kolo malog signala koje odgovara slici 3 koristeći hibridni-pi model za bipolarni tranzistor na frekvencijama koje su dovoljno niske da ignorišu kapacitete bipolarnog uređaja

Slika 6: Niskofrekventno kolo malog signala za bipolarni pratilac napona sa ispitnom strujom na izlazu za pronalaženje izlaznog otpora. Resistor $R_{\text{E}}=R_{\text{L}}\parallel r_{\text{O}}$ .

Na slici 5 prikazan je niskofrekventni hibridni-pi model za kolo sa slike 3. Koristeći Omov zakon, određene su različite struje, a ovi rezultati su prikazani na dijagramu. Primenjujući Kirhofov trenutni zakon na emiter, nalazi se:

$(\beta +1){\frac {v_{\text{in}}-v_{\text{out}}}{R_{\text{S}}+r_{\pi }}}=v_{\text{out}}\left({\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}}\right).$

Definišite sledeće vrednosti otpora:

${\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}$

Tada se prikupljanjem pojmova nalazi pojačanje napona:

$A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {1}{1+{\frac {R}{R_{\text{E}}}}}}.$

Iz ovog rezultata, pojačanje se približava jedinici (kako se očekivalo za bafer pojačalo ) ako je odnos otpora u imeniocu mali. Ovaj odnos opada sa većim vrednostima strujnog pojačanja β i sa većim vrednostima od $R_{\text{E}}$ . Ulazni otpor se nalazi kao

${\begin{aligned}R_{\text{in}}&={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{b}}}}={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{1-A_{\text{v}}}}\\&=\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\text{E}}}{R}}\right)\\&=R_{\text{S}}+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}.\end{aligned}}$

Izlazni otpor tranzistora $r_{\text{O}}$ obično je veliko u poređenju sa opterećenjem $R_{\text{L}}$, i stoga $R_{\text{L}}$ dominira $R_{\text{E}}$ . Iz ovog rezultata, ulazni otpor pojačala je mnogo veći od otpora izlaznog opterećenja $R_{\text{L}}$ za veliki strujni dobitak $\beta$ . To jest, postavljanje pojačala između opterećenja i izvora predstavlja veće opterećenje (visokog otpora) na izvor nego direktno povezivanje sa $R_{\text{L}}$, što rezultira manjim slabljenjem signala u impedansi izvora $R_{\text{S}}$ kao posledica podele napona .

Na slici 6 prikazano je kolo malog signala sa slike 5 sa kratko spojenim ulazom i ispitnom strujom postavljenom na njegovom izlazu. Izlazni otpor se nalazi pomoću ovog kola kao

$R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}.$

Koristeći Omov zakon, pronađene su različite struje, kao što je prikazano na dijagramu. Prikupljajući pojmove za osnovnu struju, bazna struja se nalazi kao

$(\beta +1)i_{\text{b}}=i_{\text{x}}-{\frac {v_{\text{x}}}{R_{\text{E}}}},$

gde $R_{\text{E}}$ je definisan gore. Koristeći ovu vrednost za osnovnu struju, Omov zakon predviđa

$v_{\text{x}}=i_{\text{b}}\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right).$

Zamena za baznu struju i sabiranjem članova,

$R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}=R\parallel R_{\text{E}},$

gde || označava paralelnu vezu, a $R$ je definisan iznad. Zati što je $R$ uglavnom mali otpor kada je pojačanje struje $\beta$ veliko, $R$ dominira izlaznom impedansom, koja je stoga takođe mala. Mala izlazna impedansa znači da serijska kombinacija originalnog izvora napona i sledbenika napona predstavlja Teveninov izvor napona sa nižim Teveninovim otporom na svom izlaznom čvoru; odnosno kombinacija izvora napona sa sledbenikom napona čini idealniji izvor napona od originalnog.

Vidi još i

• Zajednička baza
• Zajednički emiter