Wspólny kolektor tranzystora

Wzmacniacz ze wspólnym kolektorem BJT to obwód, w którym kolektor i podstawa BJT mają wspólne zasilanie wejściowe, stąd nazwa wspólny kolektor.

W naszych poprzednich artykułach poznaliśmy pozostałe dwie konfiguracje tranzystorów, a mianowicie wspólna podstawa i wspólny emiter .

W tym artykule omówimy trzeci i ostatni projekt, który nazywa się konfiguracja wspólnego kolektora lub alternatywnie jest również znany emiter-followers.

Obraz tej konfiguracji jest pokazany poniżej przy użyciu standardowych kierunków przepływu prądu i notacji napięcia:

Główna cecha wspólnego wzmacniacza kolektorowego

Główną cechą i celem używania wspólnej konfiguracji kolektora BJT jest dopasowania impedancji .

Wynika to z faktu, że ta konfiguracja ma wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową.

Ta funkcja jest w rzeczywistości przeciwieństwem dwóch pozostałych odpowiedników konfiguracji wspólnej podstawy i wspólnego emitera.

Jak działa wzmacniacz wspólnego kolektora

Z powyższego rysunku widać, że obciążenie jest tutaj połączone z pinem emitera tranzystora, a kolektor jest podłączony do wspólnego odniesienia w odniesieniu do podstawy (wejścia).

Oznacza to, że kolektor jest wspólny dla obciążenia wejściowego i wyjściowego. Innymi słowy, zasilanie przychodzące do podstawy i kolektora mają wspólną biegunowość. Tutaj podstawa staje się wejściem, a emiter staje się wyjściem.

Warto zauważyć, że chociaż konfiguracja przypomina naszą poprzednią konfigurację wspólnego emitera, kolektor można zobaczyć jako połączony z „wspólnym źródłem”.

Jeśli chodzi o cechy konstrukcyjne, nie musimy uwzględniać zestawu wspólnych charakterystyk kolektora w celu ustalenia parametrów obwodu.

Dla wszystkich praktycznych implementacji, charakterystyka wyjściowa konfiguracji wspólnego kolektora będzie dokładna, jak przypisana dla wspólnego emitera

Therfeore, możemy go po prostu zaprojektować, wykorzystując cechy zastosowane dla sieć wspólnego emitera .

Dla każdej konfiguracji ze wspólnym kolektorem charakterystyki wyjściowe są wykreślane przez zastosowanie I. JEST vs V. WE dla dostępnych I b Zakres wartości.

Oznacza to, że zarówno wspólny emiter, jak i wspólny kolektor mają identyczne wartości prądu wejściowego.

Aby uzyskać oś poziomą dla wspólnego kolektora, wystarczy zmienić polaryzację napięcia kolektor-emiter w charakterystyce wspólnego emitera.

Wreszcie zobaczysz, że nie ma prawie żadnej różnicy w skali pionowej wspólnego emitera I. do , jeśli to jest zamienione z I JEST w charakterystyce wspólnego kolektora (od ∝ ≅ 1).

Projektując stronę wejściową, możemy zastosować charakterystykę bazową wspólnego emitera w celu uzyskania niezbędnych danych.

Ograniczenia operacji

W przypadku każdego BJT granice działania odnoszą się do obszaru roboczego ponad jego charakterystyką, która wskazuje jego maksymalny dopuszczalny zakres i punkt, w którym tranzystor może pracować z minimalnymi zniekształceniami.

Poniższy rysunek przedstawia, jak to jest zdefiniowane dla charakterystyk BJT.

Te ograniczenia działania można również znaleźć we wszystkich arkuszach danych tranzystorów.

Kilka z tych ograniczeń działania jest łatwo zrozumiałych, na przykład wiemy, jaki jest maksymalny prąd kolektora (określany jako ciągły prąd kolektora w arkuszach danych) i maksymalne napięcie kolektor-emiter (zwykle w skrócie V CEO w arkuszach danych).

Dla przykładu BJT pokazanego na powyższym wykresie znajdujemy I C (maks.) jest określony jako 50 mA i V. CEO jak 20 V.

Narysowana linia pionowa oznaczona jako V EC (wieś) na charakterystyce wykazuje minimalne V TO które można zaimplementować bez przekraczania obszaru nieliniowego, oznaczonego nazwą „region nasycenia”.

V EC (wieś) określony dla BJT wynosi zwykle około 0,3 V.

Najwyższy możliwy poziom rozpraszania oblicza się według następującego wzoru:

Na powyższym charakterystycznym obrazie, założone rozpraszanie mocy kolektora BJT jest pokazane jako 300mW.

Teraz pytanie brzmi, jaka jest metoda, za pomocą której możemy wykreślić krzywą rozpraszania mocy kolektora, zdefiniowaną następującymi specyfikacjami:

JEST

Oznacza to, że iloczyn V TO i ja do musi być równy 300 mW w dowolnym punkcie charakterystyki.

Jeśli przypuszczam, że ja do ma maksymalną wartość 50 mA, podstawienie tego w powyższym równaniu daje nam następujące wyniki:

Powyższe wyniki mówią nam, że jeśli ja do = 50 mA, a następnie V. TO będzie wynosić 6 V na krzywej rozpraszania mocy, jak pokazano na rys. 3.22.

Teraz, jeśli wybierzemy V TO z najwyższą wartością 20V, to I do poziom będzie taki, jak oszacowano poniżej:

To ustanawia drugi punkt na krzywej mocy.

Teraz, jeśli wybierzemy poziom I do mniej więcej w połowie, powiedzmy przy 25 mA, i zastosuj to na wynikowym poziomie V. TO , otrzymujemy następujące rozwiązanie:

To samo pokazano również na rys. 3.22.

Wyjaśnione 3 punkty można skutecznie zastosować do uzyskania przybliżonej wartości rzeczywistej krzywej. Bez wątpienia możemy użyć większej liczby punktów do oszacowania i uzyskać jeszcze lepszą dokładność, niemniej jednak przybliżenie jest wystarczające dla większości aplikacji.

Obszar, który można zobaczyć poniżej I do = Ja CEO nazywa się region odcięcia . Ten region nie może zostać osiągnięty, aby zapewnić wolne od zniekształceń działanie BJT.

Odniesienie do arkusza danych

Zobaczysz wiele arkuszy danych zawierających tylko I CBO wartość. W takich sytuacjach możemy zastosować wzór

ja CEO = βI CBO. Pomoże nam to uzyskać przybliżone zrozumienie poziomu odcięcia przy braku charakterystycznych krzywych.

W przypadkach, gdy nie masz dostępu do charakterystyk krzywych z danego arkusza danych, konieczne może być potwierdzenie, że wartości I DO, V TO i ich iloczyn V TO x I do pozostają w zakresie określonym poniżej Równanie 3.17.

Podsumowanie

Wspólny kolektor jest dobrze znaną konfiguracją tranzystora (BJT) spośród trzech innych podstawowych i jest używany zawsze, gdy tranzystor ma być w trybie buforowym lub jako bufor napięciowy.

Jak podłączyć wspólny wzmacniacz kolektorowy

W tej konfiguracji baza tranzystora jest okablowana do odbioru wejściowego zasilania wyzwalacza, przewód emitera jest podłączony jako wyjście, a kolektor jest połączony z dodatnim zasilaniem, tak że kolektor staje się wspólnym zaciskiem na podstawowym zasilaniu wyzwalacza Vbb i rzeczywista dodatnia podaż Vdd.

To wspólne połączenie nadaje mu nazwę wspólnego kolektora.

Wspólna konfiguracja BJT kolektora jest również nazywana obwodem wtórnika emitera z prostego powodu, że napięcie emitera podąża za napięciem podstawowym w odniesieniu do ziemi, co oznacza, że ​​przewód emitera inicjuje napięcie tylko wtedy, gdy napięcie bazowe jest w stanie przekroczyć 0,6V znak.

Dlatego, jeśli na przykład napięcie bazy wynosi 6 V, to napięcie emitera będzie wynosić 5,4 V, ponieważ emiter musi zapewnić spadek lub dźwignię o 0,6 V do napięcia podstawowego, aby umożliwić przewodzenie tranzystora, a stąd nazwa wtórnik emitera.

Mówiąc prościej, napięcie emitera będzie zawsze mniejsze o współczynnik około 0,6 V niż napięcie bazowe, ponieważ jeśli ten spadek polaryzacji nie zostanie utrzymany, tranzystor nigdy nie będzie przewodził. Co z kolei oznacza, że ​​na zacisku emitera nie może pojawić się napięcie, dlatego napięcie emitera stale podąża za napięciem bazowym, dostosowując się o różnicę około -0,6 V.

Jak działa wyzwalacz emitera

Załóżmy, że przykładamy 0,6 V do podstawy BJT we wspólnym obwodzie kolektora. Spowoduje to wytworzenie zerowego napięcia na emiterze, ponieważ tranzystor nie jest w pełni przewodzący.

Załóżmy teraz, że napięcie to powoli rośnie do 1 V, co może pozwolić emiterowi na wytworzenie napięcia, które może wynosić około 0,4 V, podobnie jak to napięcie bazowe zostanie zwiększone do 1,6 V, co spowoduje, że emiter będzie podążał za około 1 V ... To pokazuje, jak emiter podąża za bazą z różnicą około 0,6 V, co jest typowym lub optymalnym poziomem polaryzacji dowolnego BJT.

Wspólny obwód tranzystora kolektora będzie wykazywał wzmocnienie napięcia jedności, co oznacza, że ​​wzmocnienie napięcia dla tej konfiguracji nie jest zbyt imponujące, a raczej równe wejściu.

Matematycznie powyższe można wyrazić jako:

Wersja PNP obwodu wtórnika emitera, wszystkie polaryzacje są odwrócone.

Nawet najmniejsze z odchyleń napięcia u podstawy wspólnego tranzystora kolektora są powielane na wyprowadzeniu emitera, co w pewnym stopniu zależy od wzmocnienia (Hfe) tranzystora i rezystancji dołączonego obciążenia).

Główną zaletą tego obwodu jest wysoka impedancja wejściowa, która umożliwia wydajne działanie obwodu niezależnie od prądu wejściowego lub rezystancji obciążenia, co oznacza, że ​​nawet duże obciążenia mogą być efektywnie obsługiwane przy wejściach o minimalnym prądzie.

Dlatego jako bufor używany jest zwykły kolektor, czyli stopień, który skutecznie integruje operacje wysokiego obciążenia ze stosunkowo słabego źródła prądu (na przykład źródło TTL lub Arduino)

Wysoka impedancja wejściowa jest wyrażona wzorem:

i małą impedancję wyjściową, dzięki czemu może napędzać obciążenia o niskiej rezystancji:

Praktycznie widząc, rezystor emitera mógłby być znacznie większy i dlatego można go zignorować w powyższym wzorze, co ostatecznie daje nam zależność:

Aktualny zysk

Wzmocnienie prądowe dla wspólnej konfiguracji tranzystora kolektora jest wysokie, ponieważ kolektor połączony bezpośrednio z linią dodatnią jest w stanie przekazać pełną wymaganą ilość prądu do podłączonego obciążenia przez przewód emitera.

Dlatego jeśli zastanawiasz się, ile prądu wyzwalacz emitera byłby w stanie dostarczyć do obciążenia, możesz mieć pewność, że nie będzie to problem, ponieważ obciążenie będzie zawsze napędzane optymalnym prądem z tej konfiguracji.

Przykładowe obwody aplikacyjne dla wspólnego kolektora BJT

Niektóre z klasycznych przykładów wtórników emitera lub wspólnych obwodów aplikacyjnych tranzystora kolektora można zobaczyć w poniższych przykładach.

Obwód zasilacza o zmiennym napięciu 100 A

Obwód ładowarki do telefonów komórkowych na prąd stały wykorzystujący pojedynczy tranzystor

Obwód ładowarki akumulatora wysokoprądowego pojedynczego tranzystora