Заједнички колектор

У електроници, појачало са заједничким колектором (такође познато као емитерски следбеник ) је једно од три основне једностепене топологије појачивача са биполарним транзистором, које се обично користи као појачивач напона .

У овом колу основни терминал транзистора служи као улаз, емитер је излаз, а колектор је заједнички за оба (на пример, може бити везан за референтну масу или извором напајања ), отуда и његово име. Аналогно коло транзистора са ефектом поља је уобичајени дрејн појачало, а аналогно цевно коло је катодни следбеник .

Основно коло[уреди | уреди извор]

Коло се може објаснити посматрањем транзистора као под контролом негативне повратне спреге. Са ове тачке гледишта, степен са заједничким колектором (слика 1) је појачавач са пуном серијском негативном повратном спрегом. У овој конфигурацији (слика 2 са β = 1), цео излазни напон V_out постављен је супротно и у серији са улазним напоном V_in . Тако се два напона одузимају према Кирхофовом закону о напону (одузимач из функционалног блок дијаграма се имплементира само преко улазне петље), а њихова разлика V_diff = V_in − V_out се примењује на спој база-емитер . Транзистор континуирано прати V_diff и подешава напон свог емитера на једнак V_in минус углавном константан V_BE пропуштањем струје колектора кроз отпорник емитера R_E_. Као резултат тога, излазни напон прати варијације улазног напона од V_BE до V₊ ; отуда и назив „следбеник емитера“.

Интуитивно, ово понашање може се схватити и увиђањем да је V_BE врло неосетљив на промене поларизације, па свака промена у напону базе (у доброј апроксимацији) директно преноси на емитер. То мало зависи од различитих поремећаја (толеранције транзистора, варијација температуре, отпорност оптерећења, колекторски отпорник ако се дода, итд.), будући да транзистор реагује на ове поремећаје и враћа равнотежу. Никада не долази до сатурације чак и ако улазни напон достигне позитивну шину.

Може се математички показати да коло заједничког колектора има повећање напона приближно јединици:

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

Мала промена напона на улазном терминалу ће се одразити на излазу (зависи мало од појачања транзистора и вредности отпора оптерећења; видети формулу појачања испод). Ово коло је корисно јер има велику улазну импедансу

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

тако да неће оптеретити претходни круг и малу излазну импедансу

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

тако да може да покреће оптерећења ниског отпора.

Типично, отпорник емитера је знатно већи и може се уклонити из једначине:

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

Апликације[уреди | уреди извор]

Ниска излазна импеданса омогућава извору са великом излазном импедансом да покреће малу импедансу оптерећења ; функционише као напонски бафер. Другим речима, коло има појачање струје (која већој мери зависи од h_FE вредности транзистора) уместо појачања напона, због својих карактеристика се преферира у многим електронским уређајима. Мала промена улазне струје резултира много већом променом излазне струје која се доводи до излазног оптерећења.

Један аспект деловања бафера је трансформација импеданси. На пример, Тевенинов отпор комбинације следбеника напона покретаног од извора напона са високим Тевенинов отпором је смањен само на излазни отпор следбеника напона (мали отпор). То смањење отпора чини комбинацију идеалним извором напона. Супротно томе, следбеник напона уметнут између малог отпора оптерећења и погонског степена представља велико оптерећење за погонски степен — предност у повезивању напонског сигнала са малим оптерећењем.

Ова конфигурација се обично користи у излазним степенима појачала класе-Б и класе-АБ . Основно коло је модификовано да ради са транзистором у режиму класе-Б или АБ. У режиму класе-А, понекад се користи активни извор струје уместо R_E (слика 4) да би се побољшала линеарност и/или ефикасност.

Карактеристике[уреди | уреди извор]

На ниским фреквенцијама и коришћењем поједностављеног хибридног пи модела, могу се извести следеће карактеристике малог сигнала . (Параметар $\beta =g_{m}r_{\pi }$ а паралелне линије означавају паралелне компоненте .)

	Дефиниција	Израз	Приближан израз	Услови
Појачање струје	$A_{\mathrm {i} }={i_{\text{out}} \over i_{\text{in}}}$	$\beta _{0}+1\$	$\approx \beta _{0}$	$\beta _{0}\gg 1$
Појачање напона	$A_{\mathrm {v} }={v_{\text{out}} \over v_{\text{in}}}$	${g_{m}R_{\text{E}} \over g_{m}R_{\text{E}}+1}$	$\approx 1$	$g_{m}R_{\text{E}}\gg 1$
Улазни отпор	$r_{\text{in}}={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}$	$r_{\pi }+(\beta _{0}+1)R_{\text{E}}\$	$\approx \beta _{0}R_{\text{E}}$	$(g_{m}R_{\text{E}}\gg 1)\wedge (\beta _{0}\gg 1)$
Излазни отпор	$r_{\text{out}}={\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}$	$R_{\text{E}}\parallel {r_{\pi }+R_{\text{source}} \over \beta _{0}+1}$	$\approx {1 \over g_{m}}+{R_{\text{source}} \over \beta _{0}}$	$(\beta _{0}\gg 1)\wedge (r_{\text{in}}\gg R_{\text{source}})$

Где $R_{\text{source}}\$ је Тевенинов еквивалентни отпор извора.

Деривације[уреди | уреди извор]

На слици 5 приказан је нискофреквентни хибридни-пи модел за коло са слике 3. Користећи Омов закон, одређене су различите струје, а ови резултати су приказани на дијаграму. Примењујући Кирхофов тренутни закон на емитер, налази се:

(\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).

Дефинишите следеће вредности отпора:

{\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}}

Тада се прикупљањем појмова налази појачање напона:

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

Из овог резултата, појачање се приближава јединици (како се очекивало за бафер појачало ) ако је однос отпора у имениоцу мали. Овај однос опада са већим вредностима струјног појачања β и са већим вредностима од $R_{\text{E}}$ . Улазни отпор се налази као

{\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}}

Излазни отпор транзистора $r_{\text{O}}$ обично је велико у поређењу са оптерећењем $R_{\text{L}}$ , и стога $R_{\text{L}}$ доминира $R_{\text{E}}$ . Из овог резултата, улазни отпор појачала је много већи од отпора излазног оптерећења $R_{\text{L}}$ за велики струјни добитак $\beta$ . То јест, постављање појачала између оптерећења и извора представља веће оптерећење (високог отпора) на извор него директно повезивање са $R_{\text{L}}$ , што резултира мањим слабљењем сигнала у импеданси извора $R_{\text{S}}$ као последица поделе напона .

На слици 6 приказано је коло малог сигнала са слике 5 са кратко спојеним улазом и испитном струјом постављеном на његовом излазу. Излазни отпор се налази помоћу овог кола као

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

Користећи Омов закон, пронађене су различите струје, као што је приказано на дијаграму. Прикупљајући појмове за основну струју, базна струја се налази као

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

где $R_{\text{E}}$ је дефинисан горе. Користећи ову вредност за основну струју, Омов закон предвиђа

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

Замена за базну струју и сабирањем чланова,

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

где || означава паралелну везу, а $R$ је дефинисан изнад. Зати што је $R$ углавном мали отпор када је појачање струје $\beta$ велико, $R$ доминира излазном импедансом, која је стога такође мала. Мала излазна импеданса значи да серијска комбинација оригиналног извора напона и следбеника напона представља Тевенинов извор напона са нижим Тевениновим отпором на свом излазном чвору; односно комбинација извора напона са следбеником напона чини идеалнији извор напона од оригиналног.

Види још и[уреди | уреди извор]