De Common-collector versterker

Onze volgende transistorconfiguratie om te bestuderen is een beetje eenvoudiger voor winstberekeningen. Dit wordt de common-collector-configuratie genoemd en het schematische diagram wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Gemeenschappelijke collectorversterker heeft een gemeenschappelijke collector voor zowel ingang als uitgang.

Het wordt de common-collector-configuratie genoemd omdat (de voedingsbatterij buiten beschouwing gelaten) zowel de signaalbron als de belasting de collectorkabel delen als een gemeenschappelijk aansluitpunt, zoals in de onderstaande afbeelding.

Gemeenschappelijke collector:ingang wordt toegepast op basis en collector. Uitgang is van emitter-collectorcircuit.

Het moet duidelijk zijn dat de belastingsweerstand in de versterkerschakeling met gemeenschappelijke collector zowel de basis- als de collectorstromen ontvangt, die in serie met de emitter worden geplaatst. Aangezien de emitterdraad van een transistor degene is die de meeste stroom verwerkt (de som van basis- en collectorstromen, aangezien basis- en collectorstromen altijd in elkaar grijpen om de emitterstroom te vormen), zou het redelijk zijn om aan te nemen dat deze versterker een zeer grote stroomversterking. Deze veronderstelling is inderdaad correct:de stroomversterking voor een common-collectorversterker is vrij groot, groter dan elke andere transistorversterkerconfiguratie . Dit is echter niet noodzakelijk wat het onderscheidt van andere versterkerontwerpen.

Voorbeeld SPICE-model

Laten we meteen overgaan tot een SPICE-analyse van dit versterkercircuit, en je zult meteen kunnen zien wat er uniek is aan deze versterker. De netlijst staat in de onderstaande afbeelding.

Gemeenschappelijke collectorversterker voor SPICE.

common-collector versterker vin 1 0 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rbelasting 3 0 5k .model mod1 npn .dc vin 0 5 0.2 .plot dc v (3,0) .einde 

Gemeenschappelijke collector:uitgang is gelijk aan ingang min 0,7 V V BE laten vallen.

In tegenstelling tot de common-emitter-versterker uit de vorige sectie, produceert de common-collector een uitgangsspanning direct in plaats van omgekeerd evenredig met de stijgende ingangsspanning.

Naarmate de ingangsspanning toeneemt, neemt ook de uitgangsspanning toe. Bovendien blijkt uit nauwkeurig onderzoek dat de uitgangsspanning bijna identiek is met de ingangsspanning, met een achterstand van ongeveer 0,7 volt.

Dit is de unieke kwaliteit van de common-collector versterker:een uitgangsspanning die bijna gelijk is aan de ingangsspanning . Onderzocht vanuit het perspectief van uitgangsspanning verandering voor een bepaalde hoeveelheid ingangsspanning verandering , heeft deze versterker een spanningsversterking van bijna één (1), ofwel 0 dB. Dit geldt voor transistors van elke β-waarde en voor belastingsweerstanden van elke weerstandswaarde.

Diode stroombrontransistormodel

Het is eenvoudig te begrijpen waarom de uitgangsspanning van een common-collectorversterker altijd bijna gelijk is aan de ingangsspanning. Verwijzend naar het diodestroombrontransistormodel in onderstaande afbeelding, zien we dat de basisstroom door de basis-emitter PN-overgang moet gaan, wat equivalent is aan een normale gelijkrichtdiode.

Als dit knooppunt voorwaarts is voorgespannen (de transistor geleidt stroom in zijn actieve of verzadigde modus), zal het een spanningsval hebben van ongeveer 0,7 volt, uitgaande van een siliciumconstructie. Deze daling van 0,7 volt is grotendeels onafhankelijk van de werkelijke grootte van de basisstroom; dus kunnen we het als constant beschouwen:

Emittervolger:Emitterspanning volgt basisspanning (min een 0,7 V VBE-daling.)

Gezien de spanningspolariteiten over de basis-emitter PN-overgang en de belastingsweerstand, zien we dat deze moeten optellen om gelijk te zijn aan de ingangsspanning, volgens de spanningswet van Kirchhoff.

Met andere woorden, de belastingsspanning zal altijd ongeveer 0,7 volt lager zijn dan de ingangsspanning voor alle omstandigheden waarin de transistor geleidt. Afsnijding vindt plaats bij ingangsspanningen lager dan 0,7 volt en verzadiging bij ingangsspanningen boven batterij (voedings)spanning plus 0,7 volt.

Vanwege dit gedrag is het common-collector versterkercircuit ook bekend als de spanningsvolger of emitter-volger versterker, omdat de emitterbelasting de ingang zo nauw volgt.

Het toepassen van het common-collectorcircuit voor de versterking van AC-signalen vereist dezelfde ingangs-"biasing" die wordt gebruikt in het common-emitter-circuit:er moet een gelijkspanning worden toegevoegd aan het AC-ingangssignaal om de transistor gedurende de hele cyclus in zijn actieve modus te houden . Wanneer dit is gebeurd, is het resultaat de niet-inverterende versterker in de onderstaande afbeelding.

common-collector versterker vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0) vbias 4 0 dc 2.3 q1 2 1 3 mod1 v1 2 0 dc 15 rbelasting 3 0 5k .model mod1 npn .tran .02m .78m .plot tran v(1,0) v(3,0) .einde 

Gemeenschappelijke collector (emitter-volger) versterker.

De resultaten van de SPICE-simulatie in het onderstaande figuur laten zien dat de uitvoer de invoer volgt. De output heeft dezelfde piek-tot-piek-amplitude als de input. Het DC-niveau wordt echter met één VBE-diodedaling naar beneden verschoven.

Gemeenschappelijke collector (emitter-volger):uitgang V(3) volgt ingang V(1) minus een 0,7 V VBE-val.

Hier is nog een weergave van het circuit (figuur hieronder) met oscilloscopen die zijn verbonden met verschillende interessante punten.

Gemeenschappelijke collector niet-inverterende spanningsversterking is zeer dicht bij 1.

Aangezien deze versterkerconfiguratie geen spanningsversterking biedt (in de praktijk heeft deze zelfs een spanningsversterking van iets minder dan 1), is de enige versterkende factor actueel. De common-emitter-versterkerconfiguratie die in de vorige sectie werd onderzocht, had een stroomversterking gelijk aan de β van de transistor, is dat de ingangsstroom door de basis ging en de uitgangsstroom (belasting) door de collector, en β is per definitie de verhouding tussen de collector- en basisstroom. In de common-collectorconfiguratie bevindt de belasting zich echter in serie met de emitter, en dus is de stroom gelijk aan de emitterstroom. Met de emitter die de collectorstroom draagt ​​en basisstroom, de belasting in dit type versterker laat alle stroom van de collector erdoor lopen plus de ingangsstroom van de basis. Dit levert een stroomwinst op van β plus 1:

Nogmaals, PNP-transistoren zijn net zo geldig om te gebruiken in de common-collectorconfiguratie als NPN-transistoren. De versterkingsberekeningen zijn allemaal hetzelfde, net als het niet-inverteren van het versterkte signaal. Het enige verschil zit in de spanningspolariteiten en stroomrichtingen zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

PNP-versie van de common-collectorversterker.

Een populaire toepassing van de versterker met gemeenschappelijke collector is voor gereguleerde gelijkstroomvoedingen, waarbij een niet-gereguleerde (variërende) bron van gelijkspanning op een bepaald niveau wordt afgekapt om gereguleerde (stabiele) spanning aan een belasting te leveren. Natuurlijk bieden zenerdiodes deze functie van spanningsregeling al, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Zenerdiode spanningsregelaar.

Bij gebruik op deze directe manier is de hoeveelheid stroom die aan de belasting kan worden geleverd echter meestal vrij beperkt. In wezen regelt dit circuit de spanning over de belasting door de stroom door de serieweerstand op een hoog genoeg niveau te houden om alle overtollige stroombronspanning erover te laten vallen, waarbij de zenerdiode meer of minder stroom trekt als nodig is om de spanning over zichzelf te houden stabiel.

Een populaire manier om het stroomafhandelingsvermogen van een regelcircuit als dit te vergroten, is door een common-collectortransistor te gebruiken om de stroom naar de belasting te versterken, zodat het zenerdiodecircuit alleen de hoeveelheid stroom hoeft te verwerken die nodig is om de basis van de transistor.

Gemeenschappelijke collectortoepassing:spanningsregelaar.

Er is maar één kanttekening bij deze benadering:de belastingsspanning zal ongeveer 0,7 volt lager zijn dan de zenerdiodespanning, vanwege de 0,7 volt basis-emitterval van de transistor. Aangezien dit verschil van 0,7 volt redelijk constant is over een breed scala aan belastingstromen, kan voor de toepassing een zenerdiode met een 0,7 volt hoger vermogen worden gekozen.

Soms is de hoge stroomversterking van een configuratie met een enkele transistor en een gemeenschappelijke collector niet genoeg voor een bepaalde toepassing. Als dit het geval is, kunnen meerdere transistors samen worden geënsceneerd in een populaire configuratie die bekend staat als een Darlington-paar , slechts een uitbreiding van het common-collector-concept dat in de onderstaande afbeelding wordt getoond.

Een NPN Darlington-paar.

Darlington-paren plaatsen in wezen één transistor als de gemeenschappelijke collectorbelasting voor een andere transistor, waardoor hun huidige winsten worden vermenigvuldigd. De basisstroom door de transistor linksboven wordt versterkt via de emitter van die transistor, die rechtstreeks is verbonden met de basis van de transistor rechtsonder, waar de stroom opnieuw wordt versterkt. De totale stroomversterking is als volgt:

Spanningsversterking is nog steeds bijna gelijk aan 1 als het hele samenstel is aangesloten op een belasting op een common-collector manier, hoewel de belastingsspanning maar liefst 1,4 volt lager zal zijn dan de ingangsspanning die wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Op een Darlington-paar gebaseerde common-collectorversterker verliest twee VBE-diodedruppels.

Darlington-paren kunnen worden gekocht als afzonderlijke eenheden (twee transistors in hetzelfde pakket) of kunnen worden opgebouwd uit een paar afzonderlijke transistors. Als er nog meer stroomwinst gewenst is dan met een paar kan worden verkregen, kunnen natuurlijk Darlington triplet- of quadruplet-assemblages worden geconstrueerd.

BEOORDELING:

• Algemene verzamelaar transistorversterkers worden zo genoemd omdat de ingangs- en uitgangsspanningspunten de collectorkabel van de transistor met elkaar delen, zonder rekening te houden met voedingen.
• De common-collector versterker staat ook bekend als een emitter-volger.
• De uitgangsspanning op een common-collector versterker zal in fase zijn met de ingangsspanning, waardoor de common-collector een niet-inverterende is versterkerschakeling.
• De stroomversterking van een common-collector versterker is gelijk aan β plus 1. De spanningsversterking is ongeveer gelijk aan 1 (in de praktijk net iets minder).
• Een Darlington-paar is een paar transistors die op elkaar worden "gepiggybackd", zodat de emitter van de ene stroom naar de basis van de andere voedt in de vorm van een gemeenschappelijke collector. Het resultaat is een totale stroomversterking die gelijk is aan het product (vermenigvuldiging) van hun individuele stroomversterkingen met gemeenschappelijke collectoren (β plus 1).

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Klasse A BJT-versterkers