Меню

Схема с общим коллектором может усиливать напряжение

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель – это схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот нет. Так что, не забывайте об этом 😉

Схема эмиттерного повторителя

Давайте разберемся, что значит словосочетание “эмиттерный повторитель”? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение Uвых меньше Uвх на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2)Uвых в точности повторяет по форме и фазе Uвх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Входное и выходное сопротивление эмиттерного повторителя

Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:

где Rэ – это сопротивление резистора в цепи эмиттера

Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно Rэ мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.

Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в β раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а β в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.

Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6-0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?

Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет). Вот тебе и транзистор – усилитель сигналов)) Но-но! Рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем подключить низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть 😉

Так, а теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы в несколько раз! Чтобы это понять, читаем статью про входное и выходное сопротивление.

Для чего нужна эта схема

Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль миротворца между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике 😉

Также запомните простое правило: эмиттерный повторитель дает усиление по току, а не по напряжению. А так как повышается сила тока, следовательно, и мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже будет больше, так как P=IU , где P – это мощность, I – сила тока, U – напряжение.

Расчет эмиттерного повторителя

Наше техническое задание звучит так:

Ра НННННннванвыавпНннаНаНННГггываYfit YFutYfsdfYYYYyhfsdfYf Рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +Uпит=12 Вольт.

1) Так как звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, следовательно, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно, в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буквами:

2) Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло, оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В—–> коллектор——-> эмиттер—–>Rэ —–>земля должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:

Rэ=6 В/0,001 А=6 000 Ом = 6 КилоОм.

Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма

3) Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА? Так как в нашем примере ток эмиттера Iэ почти равен току коллектора Iк (если, конечно, не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:

Я взял транзистор КТ817Б, замерял его коэффициент усиления по току , то есть β, и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:

Итого, β (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения 0,55 Вольт.

Следовательно, Iб = Iк / β = 1/300 = 3,3 мкА

4)Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: Rб и Rэ. Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:

5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:

6)Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:

Эмиттерный повторитель

Из закона Ома получаем следующие расчеты:

Rбэ = 6,55 В / 33 мкА = 200 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 200 КилоОм.

Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется Uпит, следовательно, на Rб будет напряжение 12-6,55 = 5,45 Вольта.

Rб = 5,45 В / 33 мкА = 165 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 150 КилоОм.

Читайте также:  Аргон сварка напряжение дуги

7)Конденсаторы в схеме нам служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока, так ведь? Для выбора конденсаторов правило простое: постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз.

Не будем сейчас говорить от дифференциальных и интегральных цепях (блин, голова заболела от одного их упоминания ), а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC- цепи. Назовем ее t . Вычисляется она по формуле:

Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:

Rвх = Rэ х β = 6000 х 300 = 1,8 МегаОм.

Для звукового сигнала самая низкая частота – это 20 Герц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:

1,8 х 10 6 х С1 = 5

С1= 5 / 1,8 х 10 6 = 2,7 мкФ. То есть берем конденсатор от 2,7 мкФ. Думаю, 10 мкФ будет самое оно.

С2 – это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.

Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:

Собираем схему в реале и проверяем в деле:

Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной – желтым. Подаем сигнал с генератора частоты амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:

Эмиттерный повторитель

Как вы видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга. Короче говоря, что на входе, то и на выходе.

Но фишка немного в другом. Давайте я сейчас нагружу входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.

Какое напряжение Uвх у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивление генератора. Так как я подаю сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, у меня красный сигнал очень сильно просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.

Эмиттерный повторитель

Но что будет, если я нагружу этот сигнал тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:

Эмиттерный повторитель

Входной сигнал даже не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель ;-).

А где же та самая обещанная просадка напряжения в 0,6-0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах Rб и Rбэ , то мы увидели бы просадку.

Недостатки эмиттерного повторителя

Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

Эмиттерный повторитель

Но почему так произошло?

Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо “затыкается”, так как в этом случае PN-переход оказывается включен в обратном направлении.

Как же с этим бороться?

Можно уменьшить Rэ , но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.

Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 Мегаом и обладает большим коэффициентом усиления β . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:

β1 – коэффициент усиления первого транзистора

β2 – коэффициент усиления второго транзистора

Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

Если Вам будет понятнее в видео, то вот для Вас:

Заключение

Также в ретроусилителях мощности уже не парятся и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, лучше вообще забить на этот эмиттерный повторитель, так как есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя и без всяких заморочек.

Источник



УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В этой части рассматриваются линейные усилительные схемы, т.е. такие схемы усилителей, для которых зависимость выходного напряжения от входного приблизительно линейна. В рамках нашей простой модели транзистора мы будем руководствоваться правилом: Если в коллекторной цепи транзистора течет ток, то напряжение между базой и эмиттером равно приблизительно 0,6В и почти не зависит от тока базы.

Это замечательное свойство транзистора, во-первых, значительно упрощает расчеты радиосхем, а во-вторых, часто помогает обнаружить в работающей схеме неисправный транзистор.

Рассмотрим схему на рис.6. Как обычно, будем считать, что входное и выходное напряжения измеряются относительно общего провода. Пусть UВХ>0,6В. Тогда в цепи базы возникает ток базы IБ, что приведет к появлению в коллекторной цепи тока IК и тока в цепи эмиттера IЭ=IБ+IК, то есть через резистор R. Увеличим UВХ на величину DUВХ. Тогда, согласно нашему правилу, напряжение UВЫХ увеличится также на величину DUВХ. Иными словами, коэффициент усиления по напряжению КU для каскада с общим коллектором (ОК) приблизительно равен +1. Сейчас мы уточним, что значит “приблизительно”. Для этого вычислим входное и выходное сопротивление каскада: , DUВХ=DUВЫХ=RDIЭ, DIЭ=DIБ+DIК=DIБ(1+b), поэтому DUВХ=RDIБ(1+b), а так как DIВХ=DIБ, то при b>>1

Читайте также:  Как проверить работу регулятора напряжения для авто

По определению rВЫХ=DUВЫХ/DIВЫХ при неизменной величине UВХ. Увеличим выходной ток на величину DIВЫХ (например, путем присоединения какого-либо резистора величиной много больше, чем R, параллельно R). Тогда выходное напряжение уменьшится на величину DUВЫХ. Так как UВЫХ=UВХ‑0,6В, то на такую же величину уменьшится и UВХ, поэтому DUВХ=DUВЫХ. Изменится же оно из-за того, что ток, потребляемый от источника входного напряжения, также возрос на величину DIВХ=DIВЫХ/(1+b), что уменьшило UВХ на величину DUВХ=rГDIВХ=rГDIВЫХ/(1+b)=DUВЫХ. Отсюда ясно, что при b>>1

Конечное значение входного сопротивления каскада с ОК приводит к тому, что коэффициент усиления по напряжению для него меньше единицы. В самом деле, входную цепь каскада с ОК можно представить, как показано на рис.7. Поэтому можно считать, что КU будет определяться коэффициентом передачи этой цепочки

. (6)

Рассмотрим усиление малых сигналов переменного тока. Зависимость UВЫХ=f(UВХ) для схемы, представленной на рис.6, показана на рис.8. Пунктирная линия на рисунке соответствует зависимости UВЫХUUВХ, при КU®1. Из рисунка видно, что усилитель будет передавать только сигналы положительной полярности, а входной сигнал напряжением меньше 0,6В вообще на выходе не появится. Чтобы преодолеть эту трудность, на вход каскада с ОК подают сумму напряжений – усиливаемое переменное и постоянное, так называемое напряжение смещения, определяющее “рабочую точку” каскада. Сделать это можно различными способами, как показано на рис.9.

На рис.9а представлен наиболее распространенный способ задания рабочей точки. Если выбрать R1=R2, то в этом случае в отсутствие входного сигнала UВЫХП/2-0,6В»ЕП/2. На частотах, для которых импеданс входного конденсатора С1 невелик, входное сопротивление каскада определяется сопротивлением входного делителя и входным сопротивлением каскада со стороны базы: rВХ=R1ïêR2ïêR(b+1). Чтобы rВХ не зависело от b, величина b должна быть достаточно велика, т.е. RЭ(b+1)>>R1, R2 и тогда rВХ=R1ïêR2. Недостатком подобного каскада является то, что пульсации напряжения питания через делитель R1, R2 передаются на вход и появляются на

выходе. Этот эффект можно значительно уменьшить, используя схему на рис.9б. Как и в предыдущем случае, выбирают R1, R2, R3

Усиление всех перечисленных каскадов со стороны низких частот ограничивает импеданс конденсатора С1, возрастающий на низкой частоте, поэтому нижняя граничная частота усиления .

Основное назначение каскадов усиления с ОК – согласование источников сигнала, имеющих высокое выходное сопротивление, с низкоомной нагрузкой. Классическим примером источника такого сигнала может служить пьезоэлектрический звукосниматель или электретный микрофон.

Пример. Рассчитать каскад, согласующий пьезоэлектрический звукосниматель с входом усилителя низкой частоты. Дано: UВХmax=1,0В, rГ=0,1МОм (типичное значение для пьезоэлектрического звукоснимателя), входное сопротивление усилителя rВХ,УС=10кОм, fН=20Гц. Выберем схему на рис.9а. Для простоты расчетов берем R1=R2.

1. Выберем напряжение питания. Размах входного напряжения равен »2×1,4×1=2,8В (так как нам задано среднеквадратичное значение UВХ). С учетом запаса 0,6В на каждый полупериод сигнала необходимо Е³2,8+0,6×2=4В. Выберем Е=6В.

2. Выбор транзистора. Для того чтобы вход усилителя, подключенного к выходу нашего каскада не уменьшал выходной сигнал, необходимо, чтобы rВЫХ >rГ/RВХ,УС, если учесть, что b>>1, а rГ/rВХ,УС=0,1МОм/10кОм=10 5 Ом/10 4 Ом=10, то b>>10. С физической точки зрения значок “много больше” означает больше, по крайней мере, на порядок. Таким образом b³100. Исходя из этого выбираем транзистор КТ3102Б, имеющий bmin=200, UКЭmax=50В, IКmax=100мА.

3. Чтобы входное сопротивление нашего каскада с ОК не шунтировало выход звукоснимателя, необходимо rВХ>>rГ. У нас rВХ=R1ïêR2ïêRЭ(b+1). Если R1,R2 >R1/2. Выбираем RЭ=10×R1/2bmin=10×10 6 /2×200=2500Ом=2,5кОм.

Величину разделительной емкости выберем из условия (6) .

Рассчитанный каскад представлен на рис.10.

5. В отсутствие входного сигнала UВЫХП/2‑0,6В=6/2‑0,6=2,4В. IК»IЭ=UВЫХ/R=2,4/2500=0,00096А»1мА. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе, равна (ЕП-UВЫХ)IК=(6-2,4)×10 -3 =3,6×10 -3 Вт=3,6мВт.

6. Коэффициент передачи по напряжению .

Упражнения для самоконтроля.

Упражнение 1. Рассчитайте каскад с теми же входными данными, используя схему на рис.9в.

Упражнение 2. Проанализируйте схему на рис.11. Будет ли она работать хорошо? Для этой схемы предполагается b=100. Резистор R1 рассчитывается так, чтобы обеспечить UВЫХ=5В в отсутствие входного сигнала.

Упражнение 3. Не меняя полярности напряжения питания, измените схему на рис.9а так, чтобы в ней можно было применить транзистор типа p-n-p.

Читайте также:  При сдвиге появляются напряжения

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Схема с общим коллектором (каскад с общим коллектором)

Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим коллектором — это усилитель, где коллектор транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. Учитывая, что источник питания обладает нулевым сопротивлением для переменного тока, подключение вывода транзистора к источнику питания (стабилизатору напряжения) эквивалентно подключению к общему проводу. Основным преимуществом усилителя с общим коллектором является его большое входное сопротивление, поэтому схема с общим коллектором обычно применяется на низких частотах. С этим связан выбор схемы питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общим коллектором обычно используются стабилизированные по току схемы: схема с коллекторной стабилизацией и схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общим коллектором проводится точно так же как и для схемы с общим эмиттером. Схема с общим коллектором не инвертирует сигнал и не усиливает его по напряжению, поэтому она часто называется эмиттерным повторителем На рисунке 3 показана принципиальная схема усилительного каскада на биполярном npn-транзисторе, выполненного по схеме с общим коллектором.

Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором
Рисунок 3 Схема включения транзистора с общим коллектором (коллекторная стабилизация)

В данной схеме резистор R2 одновременно является резистором нагрузки и элементом коллекторной стабилизации. То, что резистор подключен к эмиттеру транзистора, ситуации не меняет. Ток коллектора все равно протекает через этот резистор и падение напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. Глубина обратной связи по постоянному току определяется соотношением сопротивления резистора R1 и входного сопротивления транзистора.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерная стабилизация)

Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление. Его можно определить по формуле, подобной формуле (4) схемы с общим эмиттером. Однако в данном случае ко входу будет пересчитываться сопротивление цепи эмиттера, которое значительно больше внутреннего сопротивления эмиттера транзистора rэ.

В схеме, приведенной на рисунке 3, в качестве сопротивления Rэ используется резистор R2, а в схеме, приведенной на рисунке 4, — резистор R3. При номинале сопротивления этого резистора 1 кОм и h21э, равным 100, входное сопротивление транзистора будет равно 100 кОм! При таком сопротивлении, расчитывая транзисторный каскад, следует учитывать влияние сопротивления цепи смещения, так как по нему тоже протекает входной ток. Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором показаны на рисунке 5.

Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором
Рисунок 5 Протекание тока по входным цепям эмиттерного повторителя

Как видно из данной схемы, входной ток протекает не только через базу транзистора и резистор R2, но и через резистор R1, источник питания и возвращается к источнику сигнала. В результате входное сопротивление эмиттерного повторителя будет определяться как параллельное включение входного сопротивления транзистора и резистора R1:

Например, при питании усилителя от источника напряжения 5 В, и токе коллектора 1 mA, для получения на выходе максимального динамического диапазона нужно напряжение на эмиттере задать равным 2,5 В. Тогда сопротивление R2 = 2,5кОм, ток базы транзистора iб = 1мА/100 = 10мкА. Сопротивление . Входное сопротивление каскада .

Присущая схеме с ОК обратная связь не только увеличивает входное сопротивление, но и уменьшает выходное. Его можно приблизительно считать равным сопротивлению эмиттера транзистора:

Более точно выходное сопротивление схемы с общим коллектором можно определить как параллельное соединение сопротивления эмиттера транзистора и резистора R2:

Высокое входное сопротивление схемы с общим коллектором определило то, что она обычно применяется в качестве входного каскада усилителей, обычно низкочастотных, где паразитные емкости схемы не оказывают влияние на параметры схемы. Низкое выходное сопротивление позволяет применять эмиттерный повторитель для согласования выходного и входного сопротивлений промежуточных каскадов. В высокочастотных усилителях низкое выходное сопротивление позволяет применять этот каскад в качестве выходного.

  1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
  2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  3. КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ http://alnam.ru/

Вместе со статьей «Схема включения транзистора с общим коллектором» читают:

Источник