De Common-emitter versterker

Stel dat we geïnteresseerd waren in het gebruik van de zonnecel als instrument voor lichtintensiteit. We willen de intensiteit van invallend licht met de zonnecel meten door met zijn uitgangsstroom een ​​meterbeweging aan te sturen. Hiervoor is het mogelijk om een ​​meterbeweging direct aan te sluiten op een zonnecel. De eenvoudigste lichtbelichtingsmeters voor fotografie zijn zo ontworpen.

Licht met hoge intensiteit stuurt direct de lichtmeter aan.

Hoewel deze benadering zou kunnen werken voor metingen van matige lichtintensiteit, zou deze niet zo goed werken voor metingen met lage lichtintensiteit. Omdat de zonnecel in de stroombehoefte van de meterbeweging moet voorzien, is het systeem noodzakelijkerwijs beperkt in zijn gevoeligheid. Stel dat het hier gaat om het meten van zeer lage lichtintensiteiten, dan zijn we genoodzaakt om een ​​andere oplossing te vinden.

Transistor als versterker

Misschien is de meest directe oplossing voor dit meetprobleem het gebruik van een transistor om versterken de stroom van de zonnecel zodat er meer meterdoorbuiging kan worden verkregen voor minder invallend licht.

De celstroom moet worden versterkt voor licht met een lage intensiteit.

De stroom door de meterbeweging in dit circuit zal β maal de zonnecelstroom zijn. Bij een transistor β van 100 betekent dit een forse verhoging van de meetgevoeligheid. Het is verstandig om erop te wijzen dat het extra vermogen om de meternaald te verplaatsen, afkomstig is van de batterij aan de rechterkant van het circuit, niet van de zonnecel zelf. Het enige wat de zonnecel doet is controle batterijstroom naar de meter om een ​​grotere meteruitlezing te geven dan de zonnecel zonder hulp zou kunnen leveren.

Omdat de transistor een stroomregulerend apparaat is en omdat de bewegingsindicaties van de meter gebaseerd zijn op de stroom door de bewegende spoel, zou de meterindicatie in dit circuit alleen moeten afhangen van de stroom van de zonnecel, niet van de hoeveelheid spanning die door de batterij. Dit betekent dat de nauwkeurigheid van het circuit onafhankelijk is van de toestand van de batterij, een belangrijk kenmerk! Het enige dat van de batterij vereist is, is een bepaalde minimale spanning en stroomuitgangsvermogen om de meter op volledige schaal aan te drijven.

Spanningsuitgang als gevolg van stroom door een belastingsweerstand

Een andere manier waarop de common-emitter-configuratie kan worden gebruikt, is het produceren van een uitgangsspanning afgeleid van het ingangssignaal, in plaats van de specifieke uitgangs stroom . Laten we de beweging van de meter vervangen door een gewone weerstand en de spanning meten tussen collector en emitter.

Gemeenschappelijke emitterversterker ontwikkelt uitgangsspanning vanwege de stroom door de belastingsweerstand.

Met de zonnecel verduisterd (geen stroom), zal de transistor in de cutoff-modus zijn en zich gedragen als een open schakelaar tussen collector en emitter. Dit zal een maximale spanningsval tussen collector en emitter produceren voor maximale V_output , gelijk aan de volledige spanning van de batterij.

Bij vol vermogen (maximale lichtblootstelling) zal de zonnecel de transistor in verzadigingsmodus drijven, waardoor deze zich gedraagt ​​als een gesloten schakelaar tussen collector en emitter. Het resultaat is een minimale spanningsval tussen collector en emitter, of bijna nul uitgangsspanning. In werkelijkheid kan een verzadigde transistor nooit een spanningsval van nul bereiken tussen collector en emitter vanwege de twee PN-overgangen waar de collectorstroom doorheen moet. Deze "collector-emitter-verzadigingsspanning" zal echter vrij laag zijn, ongeveer enkele tienden van een volt, afhankelijk van de specifieke gebruikte transistor.

Voor lichtblootstellingsniveaus ergens tussen nul en maximale zonneceloutput, zal de transistor in de actieve modus zijn en zal de uitgangsspanning ergens tussen nul en volledige batterijspanning zijn. Een belangrijke eigenschap om hier op te merken over de common-emitter-configuratie is dat de uitgangsspanning geïnverteerd is met betrekking tot het ingangssignaal. Dat wil zeggen, de uitgangsspanning neemt af naarmate het ingangssignaal toeneemt. Om deze reden wordt naar de common-emitter-versterkerconfiguratie verwezen als een inverterende versterker.

Een snelle SPICE-simulatie (figuur hieronder) van het circuit in de onderstaande figuur zal onze kwalitatieve conclusies over dit versterkercircuit verifiëren.

 *common-emitter versterker i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end 

Gemeenschappelijk emitterschema met knooppuntnummers en bijbehorende SPICE-netlijst.

Gemeenschappelijke emitter:collectorspanningsuitgang versus basisstroomingang.

Aan het begin van de simulatie in de bovenstaande afbeelding, waar de stroombron (zonnecel) nulstroom afgeeft, staat de transistor in de afsnijmodus en wordt de volledige 15 volt van de batterij weergegeven aan de versterkeruitgang (tussen knooppunten 2 en 0) . Naarmate de stroom van de zonnecel begint te stijgen, neemt de uitgangsspanning evenredig af, totdat de transistor verzadiging bereikt bij 30 µA basisstroom (3 mA collectorstroom). Merk op hoe het uitgangsspanningsspoor in de grafiek perfect lineair is (stappen van 1 volt van 15 volt tot 1 volt) tot het verzadigingspunt, waar het nooit helemaal nul bereikt. Dit is het eerder genoemde effect, waarbij een verzadigde transistor nooit precies nul spanningsval tussen collector en emitter kan bereiken vanwege interne junctie-effecten. Wat we wel zien is een scherpe afname van de uitgangsspanning van 1 volt naar 0,2261 volt als de ingangsstroom toeneemt van 28 µA naar 30 µA, en vanaf dat moment een voortdurende afname van de uitgangsspanning (zij het in steeds kleinere stappen). De laagste uitgangsspanning ooit in deze simulatie is 0,1299 volt, asymptotisch bijna nul.

Transistor als wisselstroomversterker

Tot nu toe hebben we de transistor gezien als een versterker voor DC-signalen. In het voorbeeld van de zonnecellichtmeter waren we geïnteresseerd in het versterken van de DC-output van de zonnecel om een ​​DC-meterbeweging aan te sturen of om een ​​DC-outputspanning te produceren. Dit is echter niet de enige manier waarop een transistor als versterker kan worden gebruikt. Vaak een AC versterker voor het versterken van alternerend stroom- en spanningssignalen is gewenst. Een veel voorkomende toepassing hiervan is in audio-elektronica (radio's, televisies en omroepinstallaties). Eerder zagen we al een voorbeeld van de audio-uitgang van een stemvork die een transistorschakelaar activeert. Laten we eens kijken of we dat circuit kunnen aanpassen om stroom naar een luidspreker te sturen in plaats van naar een lamp in de onderstaande afbeelding.

Transistorschakelaar geactiveerd door audio.

In het originele circuit werd een dubbelfasige bruggelijkrichter gebruikt om het AC-uitgangssignaal van de microfoon om te zetten in een gelijkspanning om de ingang van de transistor aan te sturen. Het enige waar het ons hier om ging was het aanzetten van de lamp met een geluidssignaal van de microfoon, en deze opstelling was daarvoor voldoende. Maar nu willen we het AC-signaal reproduceren en een luidspreker aansturen. Dit betekent dat we de output van de microfoon niet meer kunnen corrigeren, omdat we een onvervormd AC-signaal nodig hebben om de transistor aan te sturen, de bruggelijkrichter te verwijderen en de lamp te vervangen door een luidspreker:

Common emitterversterker stuurt luidspreker aan met audiofrequentiesignaal.

Aangezien de microfoon spanningen kan produceren die de voorwaartse spanningsval van de basis-emitter PN (diode)-overgang overschrijden, moet een weerstand in serie met de microfoon worden geplaatst. Simuleer het circuit met SPICE. De netlijst is opgenomen in (figuur hieronder)

SPICE-versie van een gewone zender-audioversterker.

common-emitter versterker vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v (1,0) i(v1) .end 

Signaal afgekapt bij collector vanwege gebrek aan DC-basisvoorspanning.

De simulatie plot zowel de ingangsspanning (een AC-signaal van 1,5 volt piekamplitude en 2000 Hz frequentie) als de stroom door de 15 volt batterij, die hetzelfde is als de stroom door de luidspreker. Wat we hier zien, is een volledige AC-sinusgolf die afwisselt in zowel positieve als negatieve richtingen en een halfgolf-uitgangsstroomgolfvorm die slechts in één richting pulseert. Als we een luidspreker met deze golfvorm zouden aansturen, zou het geproduceerde geluid vervormd zijn.

Wat is er mis met de schakeling? Waarom zal het niet getrouw de volledige AC-golfvorm van de microfoon reproduceren? Het antwoord op deze vraag wordt gevonden door nauwkeurige inspectie van het transistordiode-stroombronmodel in de onderstaande afbeelding.

Het model laat zien dat de basisstroom in één richting vloeit.

Collectorstroom wordt geregeld of geregeld via het constante-stroommechanisme volgens het tempo dat wordt ingesteld door de stroom door de basis-emitterdiode. Merk op dat beide stroompaden door de transistor monodirectioneel zijn:slechts eenrichtingsverkeer! Ondanks onze bedoeling om de transistor te gebruiken om een ​​AC . te versterken signaal, is het in wezen een DC apparaat dat in staat is om stromen in één richting te verwerken. We kunnen een AC-spanningsingangssignaal toepassen tussen de basis en de emitter, maar er kan geen stroom in dat circuit vloeien tijdens het deel van de cyclus dat de basis-emitterdiode-overgang omkeert. Daarom blijft de transistor gedurende dat deel van de cyclus in de afsnijmodus. Het zal alleen "aangaan" in de actieve modus wanneer de ingangsspanning de juiste polariteit heeft om de basis-emitterdiode voorwaarts te leiden, en alleen wanneer die spanning voldoende hoog is om de voorwaartse spanningsval van de diode te overwinnen. Onthoud dat bipolaire transistors stroomgestuurde apparaten zijn :ze reguleren de collectorstroom op basis van het bestaan ​​van een basis-naar-emitter stroom , niet basis-naar-emitter spanning .

De enige manier waarop we de transistor de hele golfvorm kunnen laten reproduceren als de stroom door de luidspreker, is door de transistor de hele tijd in zijn actieve modus te houden. Dit betekent dat we de stroom door de basis moeten handhaven gedurende de gehele ingangsgolfvormcyclus. Dientengevolge moet de basis-emitterdiodeovergang te allen tijde voorwaarts gericht worden gehouden. Gelukkig kan dit worden bereikt met een DC bias-spanning toegevoegd aan het ingangssignaal. Door een voldoende DC-spanning in serie te schakelen met de AC-signaalbron, kan de voorwaartse voorspanning op alle punten tijdens de golfcyclus worden gehandhaafd. (Figuur hieronder)

Vbias houdt de transistor in het actieve gebied.

common-emitter versterker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Onvervormde uitgangsstroom I(v(1) vanwege Vbias

Met de voorspanningsbron van 2,3 volt op zijn plaats, blijft de transistor in zijn actieve modus gedurende de hele cyclus van de golf, waarbij de golfvorm getrouw wordt gereproduceerd bij de luidspreker. Merk op dat de ingangsspanning (gemeten tussen knooppunten 1 en 0) schommelt tussen ongeveer 0,8 volt en 3,8 volt, een piek-tot-piekspanning van 3 volt, precies zoals verwacht (bronspanning =piek van 1,5 volt). De uitgangsstroom (luidspreker) varieert tussen nul en bijna 300 mA, 180° uit fase met het ingangssignaal (microfoon).

De illustratie in de onderstaande afbeelding is een ander beeld van hetzelfde circuit, dit keer met een paar oscilloscopen ("scopemeters") die op cruciale punten zijn aangesloten om alle relevante signalen weer te geven.

De invoer is aan de basis naar boven gericht. Uitgang is omgekeerd.

Vertekening

De noodzaak om een ​​transistorversterkercircuit voorin te stellen om volledige golfvormweergave te verkrijgen, is een belangrijke overweging . Een apart deel van dit hoofdstuk zal geheel worden gewijd aan het onderwerp biasing en biasing-technieken. Voor nu is het voldoende om te begrijpen dat voorspanning nodig kan zijn voor de juiste spanning en stroomuitvoer van de versterker.

Nu we een functionerend versterkercircuit hebben, kunnen we de spannings-, stroom- en vermogenswinsten onderzoeken. De generieke transistor die in deze SPICE-analyses wordt gebruikt, heeft een β van 100, zoals aangegeven door de korte afdruk van transistorstatistieken die is opgenomen in de tekstuitvoer in onderstaande tabel (deze statistieken zijn kortheidshalve uit de laatste twee analyses gehaald).

BJT SPICE-modelparameters.

 type npn is 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β wordt vermeld onder de afkorting "bf", wat eigenlijk staat voor "beta, forward" . Als we onze eigen β-ratio voor analyse hadden willen invoegen, hadden we dat kunnen doen op de .model-regel van de SPICE-netlijst.

Omdat β de verhouding is van collectorstroom tot basisstroom, en we onze belasting in serie hebben geschakeld met de collectoraansluiting van de transistor en onze bron in serie is geschakeld met de basis, is de verhouding tussen uitgangsstroom en ingangsstroom gelijk aan bèta. Onze huidige versterking voor deze voorbeeldversterker is dus 100 of 40 dB.

Spanningsversterking

Spanningsversterking is iets ingewikkelder om te berekenen dan stroomversterking voor dit circuit. Zoals altijd wordt spanningsversterking gedefinieerd als de verhouding van de uitgangsspanning gedeeld door de ingangsspanning. Om dit experimenteel te bepalen, passen we onze laatste SPICE-analyse aan om de uitgangsspanning in plaats van de uitgangsstroom te plotten, dus we hebben twee spanningsgrafieken om te vergelijken in de onderstaande afbeelding.

common-emitter versterker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

V(3), de uitgangsspanning over r spkr , vergeleken met de invoer.

Uitgezet op dezelfde schaal (van 0 tot 4 volt), zien we dat de uitgangsgolfvorm in het bovenstaande figuur een kleinere piek-tot-piek-amplitude heeft dan de ingangsgolfvorm, naast een lagere voorspanning, niet verhoogd van 0 volt zoals de ingang. Aangezien de spanningsversterking voor een AC-versterker wordt bepaald door de verhouding van AC-amplituden, kunnen we elke DC-bias die de twee golfvormen scheidt negeren. Toch is de ingangsgolfvorm nog steeds groter dan de uitgang, wat ons vertelt dat de spanningsversterking kleiner is dan 1 (een negatief dB-cijfer).

Laagspanningsversterking is niet kenmerkend voor alle common-emitter versterkers. Het is een gevolg van het grote verschil tussen de ingangs- en belastingsweerstanden. Ingangsweerstand (R1) is hier 1000 , terwijl de belasting (luidspreker) slechts 8 Ω is. Omdat de stroomversterking van deze versterker uitsluitend wordt bepaald door de β van de transistor, en omdat dat β-cijfer vast is, verandert de stroomversterking voor deze versterker niet met variaties in een van deze weerstanden. Spanningsversterking is echter afhankelijk van deze weerstanden. Als we de belastingsweerstand wijzigen, waardoor deze een grotere waarde wordt, zal deze een proportioneel grotere spanning laten vallen voor het bereik van belastingstromen, wat resulteert in een grotere uitgangsgolfvorm. Probeer een andere simulatie, alleen deze keer met een belasting van 30 in de onderstaande afbeelding in plaats van een belasting van 8 Ω.

common-emitter versterker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

Verhogen van r_spkr tot 30 Ω verhoogt de uitgangsspanning

Deze keer is de uitgangsspanningsgolfvorm in de bovenstaande afbeelding aanzienlijk groter in amplitude dan de ingangsgolfvorm. Als we goed kijken, kunnen we zien dat de uitgangsgolfvorm piekt tussen 0 en ongeveer 9 volt:ongeveer 3 keer de amplitude van de ingangsspanning.

We kunnen nog een computeranalyse van dit circuit doen, deze keer instrueren we SPICE om het te analyseren vanuit een AC-oogpunt, waardoor we piekspanningscijfers krijgen voor invoer en uitvoer in plaats van een op tijd gebaseerde plot van de golfvormen. (Tabel hieronder)

SPICE-netlijst voor het afdrukken van AC-ingangs- en uitgangsspanningen.

 common-emitter versterker vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(4,3) .end freq v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Piekspanningsmetingen van input en output tonen een input van 1,5 volt en een output van 4,418 volt. Dit geeft ons een spanningsversterkingsverhouding van 2,9453 (4,418 V / 1,5 V), of 9,3827 dB.

Oplossen van de spanningsversterking:

Omdat de stroomversterking van de common-emitter-versterker is vastgesteld door β, en aangezien de ingangs- en uitgangsspanningen gelijk zullen zijn aan de ingangs- en uitgangsstromen vermenigvuldigd met hun respectievelijke weerstanden, kunnen we een vergelijking afleiden voor geschatte spanningsversterking:

Zoals u kunt zien, liggen de voorspelde resultaten voor spanningsversterking vrij dicht bij de gesimuleerde resultaten. Met perfect lineair transistorgedrag zouden de twee reeksen figuren exact overeenkomen. SPICE houdt redelijk rekening met de vele "eigenaardigheden" van de bipolaire transistorfunctie in zijn analyse, vandaar de lichte mismatch in spanningsversterking op basis van de output van SPICE.

Deze spanningswinsten blijven hetzelfde, ongeacht waar we de uitgangsspanning in het circuit meten:over collector en emitter, of de seriebelastingsweerstand zoals we deden in de laatste analyse. De hoeveelheid uitgangsspanning verandering voor een bepaalde hoeveelheid ingangsspanning blijft hetzelfde. Beschouw de twee volgende SPICE-analyses als bewijs hiervan. De eerste simulatie in de onderstaande afbeelding is op tijd gebaseerd, om een ​​grafiek van ingangs- en uitgangsspanningen te geven. U zult merken dat de twee signalen 180o uit fase zijn met elkaar. De tweede simulatie in onderstaande tabel is een AC-analyse om eenvoudige piekspanningsmetingen voor invoer en uitvoer te bieden.

common-emitter versterker vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74 m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end 

Common-emitter versterker toont een spanningsversterking met R_spkr =30Ω SPICE-netlijst voor AC-analyse

 common-emitter versterker vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(3,0) .end freq v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

We hebben nog steeds een piek uitgangsspanning van 4,418 volt met een piek ingangsspanning van 1,5 volt.

Tot nu toe hebben de voorbeeldcircuits die in deze sectie worden getoond allemaal NPN-transistoren gebruikt. PNP-transistoren zijn net zo geldig om te gebruiken als NPN in elke versterkerconfiguratie, zolang de juiste polariteit en stroomrichtingen worden gehandhaafd, en de common-emitter-versterker is geen uitzondering. De uitgangsinversie en versterking van een PNP-transistorversterker zijn hetzelfde als zijn NPN-tegenhanger, alleen de batterijpolariteiten zijn anders.

PNP-versie van een gemeenschappelijke emitterversterker.

BEOORDELING:

• Gemeenschappelijke zender transistorversterkers worden zo genoemd omdat de ingangs- en uitgangsspanningspunten de emitterkabel van de transistor met elkaar delen, zonder rekening te houden met voedingen.
• Transistoren zijn in wezen gelijkstroom-apparaten:ze kunnen niet direct omgaan met spanningen of stromen die van richting veranderen. Om ze te laten werken voor het versterken van AC-signalen, moet het ingangssignaal worden gecompenseerd met een DC-spanning om de transistor gedurende de hele cyclus van de golf in zijn actieve modus te houden. Dit heet biasing .
• Als de uitgangsspanning wordt gemeten tussen emitter en collector op een common-emitter-versterker, is deze 180° uit fase met de golfvorm van de ingangsspanning. De common-emitter-versterker wordt dus een inverterende . genoemd versterkerschakeling.
• De stroomversterking van een common-emitter-transistorversterker met de belasting in serie geschakeld met de collector is gelijk aan β. De spanningsversterking van een common-emitter transistorversterker wordt hier bij benadering gegeven:

• Waarbij "Rout" de weerstand is die in serie is geschakeld met de collector en "Rin" de weerstand is die in serie is geschakeld met de basis.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Klasse A BJT-versterkers