Amplificatorul cu colector comun (CC) este un tip de tranzistor bipolar cu joncțiune (BJT), în care semnalul de intrare este aplicat la baza tranzistorului, iar semnalul de ieșire este preluat de la emitor. Astfel, terminalul Colector este comun atât circuitului de intrare cât și celui de ieșire. Configurația CC este adesea considerată ca opusă celei cu emitor comun (CE) deoarece rezistența de sarcină conectată este asociată la emitor în loc de colector, iar în practică reprezintă o soluție eficientă când este necesar un câștig mare de curent și o impedanță de intrare ridicată.
Scopuri și caracteristici esențiale
Configurația colector comun este utilizată în situațiile în care o sursă cu impedanță de intrare înaltă trebuie conectată la o sarcină de ieșire cu impedanță joasă, pentru a facilita transferul de curent și a asigura izolare între sursă și sarcină. În exemplul prezentat, circuitul de CC folosește un tranzistor NPN, iar rețeaua de polarizare cu divizor de tensiune (R1, R2) stabilește curentul de bază și starea de funcționare a tranzistorului.
Deoarece joncțiunea B-E este polarizată direct, curentul de bază trece prin joncțiune către emitor, încurajând curgerea curentului de colector IC. Curentul de emitor IE este o sumă a curentului de bază IB și a curentului de colector IC, însă în practică IE ≈ IC deoarece IB este mult mai mic decât IC. Semnalul de ieșire este luat de pe emitor, iar această configurație este adesea denumită „repetor pe emitor” deoarece ieșirea urmărește aproape în fază intrarea, cu o diferență fixă ~0,7 V (VBE) față de bază.
Caracteristici privind semnalul și impedanțele
În cazul semnalelor de intrare mici, joncțiunea B-E se comportă ca o diodă cu rezistență internă r'e = 25 mV / Ie (la 25°C). Pe măsură ce Ie crește, r'e scade. Curentul de bază IB trece prin această rezistență internă și iese prin RE (rezistența de emitor) conectată extern, formando astfel o rețea divizoare de potențial. Deoarece r'e este mică iar RE poate fi mare (în ordinul kohm), amplitudinea tensiunii de ieșire (vout) este în general mai mică decât tensiunea de intrare, dar poate fi aproape de aceasta în multe cazuri (100% - 98% din VIN la vârf-la-vârf).
Ca rezultat, câștigul de tensiune al amplificatorului CC AV este aproximativ 1, iar nodul de ieșire nu poate oferi amplificare de tensiune semnificativă. Totuși, CC oferă un câștig de curent apreciabil, fiind capabil să conducă un curent de colector mare în răspuns la variații mici ale IB, ceea ce îl face util ca tampon de tensiune cu impedanțe date: ZIN ridicată și ZOUT scăzută.
Impedanțe și rolul RE
Impedanța de intrare a tranzistorului la bază poate fi exprimată aproximativ ca β · Re, când rezistența de emitor Re este conectată în sarcină, iar r'e este adăugată în serie cu semnalul în cadrul joncțiunii B-E. În practică, ZIN(ETAJ) este dominată de divizorul de tensiune R1 || R2, iar ZOUT este determinată de rezistența de emitor RE în paralel cu impedanța efectivă a tranzistorului privită spre emitor. Cu un RL mare, ZOUT poate fi foarte mic, indicând capacitatea CC de a direcționa curentul spre sarcini cu impedanță mică.
O altă caracteristică importantă este că CC are un câștig de curent Ai (aproximativ β) atunci când este în conducție, iar această proprietate permite controlarea sarcinilor cu rezistențe de ieșire scăzute.
Analiză AC: model echivalent și calcule practice
În analiză AC, condensatorii sunt considerați scurți-circuit în timpul semnalului de mică amplitudine, iar VCC este considerat o tensiune constantă din perspectiva circuitului AC, deci este scurt-circuitat în studiul de semnal.) Astfel, circuitul este analizat în termeni de curenți de polarizare și rapoarte de impedanță.
Impedanța de intrare a amplificatorului cu colector comun, privit spre baza tranzistorului, este influențată de rețeaua de polarizare împreună cu implicitul r'e. În general, ZIN (bază) ≈ β · Re, iar impedanța reală de intrare este dominată de divizorul R1 || R2, astfel încât ZIN total poate fi semnificativ mai mic decât valoarea β · Re în cazul în care divizorul de tensiune are o rezistență comparabilă sau mai mică.
Impedanța de ieșire ZOUT a CC este scăzută (de ordinul zecilor de ohm), ceea ce explică utilizarea tipică în rol de tampon de tensiune cu câștig unitar. Dacă RL este conectat, ZOUT rămâne aproape de valoarea sa internă, iar transferul de putere este optim atunci când RL ≈ ZOUT.
Exemplu de calculuri (Exemplu nr. 1)
Se consideră un amplificator cu colector comun construit cu un tranzistor NPN și o rețea de polarizare prin divizor de tensiune. Dacă R1 = 5k6 Ω, R2 = 6k8 Ω și VCC = 12 V, se calculează VB, VC, VE, IE, r'e și AV cu o sarcină RL = 4k7 Ω. În rezumat:
În detaliu, datorită lipsei unei rezistențe de sarcină în colector, VC = 12 V. Valorile exacte pentru VE, IE, r'e și AV sunt determinate din relațiile de polarizare și din caracteristica tranzistorului. Forma finală a circuitului include atât circuitul real cât și curba caracteristicilor cu linia de sarcină.
Impedanțe și opțiuni de configurare (Exemplu nr. 2)
Folosind același circuit CC, se pot calcula impedanțele de intrare la baza tranzistorului și la etajul de amplificare pentru RL = 10 kΩ și Ai = 100. Rezultatele tipice includ:
- Rezistența de sarcină echivalentă Re;
- Impedanța de bază a tranzistorului ZBA;
- Impedanța de intrare a etajului ZIN(ETAJ).
Se observă că ZBA este mult mai mare decât ZIN(ETAJ), deci impedanța de intrare a întregului etaj este dominată de rețeaua de polarizare R1 || R2, iar RL nu influențează semnificativ ZIN total pe cât timp RL este semnificativ mai mare decât ZOUT.
Impedanța de ieșire a colectorului comun
Pentru a determina ZOUT privit din sarcină înapoi spre emitor, se îndepărtează RL și se analizează impedanța efectivă a etajului. În general, ZOUT CC este mic (aprox. 50 Ω în exemplu), iar atunci când RL este reintrodus, ZOUT rămâne practic aproximativ aceeași, deoarece RL este mult mai mare decât ZOUT. Aceasta justifică utilizarea CC ca tampon cu câștig unitar de tensiune în majoritatea aplicațiilor.
Aplicații practice și observații suplimentare
Configurarea CC este adesea exploatată în circuite de tamponare a tensiunii, în care cerința este de a izola o sursă de semnal de o sarcină cu impedanță joasă. În cele din urmă, într-un sistem cu componente variabile, CC oferă un răspuns stabil la variațiile de curent, fiind capabil să transmită curent în măsura necesară pentru sarcina conectată.
În scheme complexe, pot fi utilizate configurații combinate, cum ar fi utilizarea a două tranzistoare bipolare în conexiune colector comun, pentru a obține performanțe suplimentare, cum ar fi redresarea între etaje sau îmbunătățirea distorsiunilor de trecere. Dezvoltarea practică poate include ajustări în polarizare (divizor de tensiune), valoarea RE, și utilizarea rezistențelor de în paralel cu joncțiunea BE pentru a controla câștigul de curent și impedanțele totale.
Concluzii operaționale (fără secțiune de încheiere formală)
Amplificatorul CC este o structură robustă pentru aplicații unde este necesară imposibilitatea creșterii tensiunii la ieșire, dar se cere un control precis al curentului în sarcină. Impedanța de intrare ridicată, împreună cu impedanța de ieșire redusă, îl recomandă ca tampon între o sursă de semnal și o sarcină cu impedanță joasă. În plus, cu curentul de bază mic, IE ≈ IC, iar semnalul de ieșire este în fază cu intrarea, făcând CC un amplificator neinversor cu câștig de tensiune aproximativ unitate.
Introducere în amplificatoarele operaționale | Circuite de bază
tags: #etajul #sarcina #distribuita #cu #iesirea #din