Усилитель с общим эмиттером — это простая схема BJT, которая усиливает слабые сигналы и создаёт фазовый сдвиг на 180° между входом и выходом. Он обеспечивает высокое усиление напряжения, стабильную работу и широкое применение в аудио, сенсорных и радиочастотных цепях. В этой статье объясняются его составляющие — смещение, усиление, частотное поведение, искажения и то, как каждая секция влияет на производительность.
Обзор усилителя с общим эмиттером
Небольшое изменение базового тока приводит к гораздо большему изменению тока коллектора, что позволяет каскаде эффективно усиливать слабые сигналы. Поскольку выход на коллекторе уменьшается при увеличении входа, конфигурация создаёт фазовый сдвиг на 180° — характеристика, используемая в многоступенчатых усилителях и сетях обратной связи.
Компоненты усилителя с общим эмиттером
• Базовый терминал (входной порт)
Принимает входной сигнал и регулирует, сколько транзистора проводит.
• Коллекторный терминал (выходной порт)
Создаёт выходной сигнал при изменении напряжения на резисторе коллектора.
• Эмиттерный терминал (общий узел)
Служит общим путём возврата как для входа, так и для выхода.
• Коллекторный резистор (RC)
Помогает установить усиление напряжения, превращая изменения тока коллектора в изменения напряжения.
• Эмиттерный резистор (RE)
Поддерживает рабочую точку стабильной, добавляя естественную отрицательную обратную связь.
• Соединяющие конденсаторы (Cin, Cout)
Пусть сигналы переменного тока проходят по цепи, блокируя постоянного тока, чтобы точка смещения не сдвинулась.
• Блок питания (VCC)
Обеспечивает энергию, необходимую для работы транзистора.
Операционные области BJT в усилителе с общим эмиттером
| Регион | Входное условие | Поведение транзистора | Влияние на выход усилителя CE | Хорошо для усиления? |
|---|---|---|---|---|
| Отсечение | Переход между базовым излучателем не смещён вперёд | Практически нет тока в коллекторе | Выход движется в сторону VCC | Нет |
| Активный регион | Напряжение на базе-эмиттере около 0,6–0,7 В для кремния; Основной коллектор с обратно-смещённым | Ток коллектора следует β × базовом токе | Выход варьируется линейно | Да |
| Насыщение | Оба соединения становятся смещёнными вперёд | Ток коллектора перестаёт увеличиваться линейно | Выход был близок к земле | Нет |
Линейная работа в активной области напрямую приводит к фазовому поведению усилителя.
Фазовая инверсия в усилителе с общим излучателем
Усилитель CE создаёт инвертированный выход, потому что:
• Увеличение базового тока увеличивает ток коллектора.
• Более высокий ток коллектора приводит к большому падению напряжения на RC.
• Это снижает напряжение коллектора.
• Выходное напряжение уменьшается, а входное увеличивается.
Усиление в усилителе с общим эмиттером
Усилитель с общим эмиттером обеспечивает усиление тока, усиления напряжения и усиления мощности. Эти усиления обусловлены поведением транзистора и тем, как его компоненты формируют сигнал.
Усиление тока (ИИ)
Коэффициент усиления тока зависит от β значения транзистора:
ИИ≈β
5,2 Усиление напряжения (Av)
Коэффициент усиления напряжения можно оценить с помощью следующих:
AI≈− β (RC/rπ)
• Больший RC увеличивает усиление напряжения.
• Меньший rπ (что происходит при большем токе коллектора) также увеличивает коэффициент усиления напряжения.
Усиление мощности (AP)
Коэффициент усиления мощности увеличивается, потому что усиливаются и ток, и напряжение:
AP=AI⋅AV
Для постоянного достижения этих уровней усиления требуется стабильная точка смещения, которая не дрейфует.
Установление стабильного постоянного смещения в усилителе с общим эмиттером
Усилитель с общим эмиттером требует постоянного постоянного смещения, поэтому транзистор остаётся в активной области на протяжении всего переменного сигнала. Смещение делителя напряжения используется потому, что обеспечивает стабильное базовое напряжение даже при изменениях β или при смещении температуры. Эмиттерный резистор добавляет большую стабильность, создавая естественную отрицательную обратную связь. С правильной Q-точкой выходной сигнал может колебаться равномерно, избегать искажений и сохранять сильное и надёжное усиление.
После того как смещение закреплено, поведение усилителя в отношении малого сигнала и импеданса становится предсказуемым и проще анализироваться.
Поведение малого сигнала и импеданса в усилителе с общим эмиттером
Усилитель с общим эмиттером обладает предсказуемыми свойствами малого сигнала, которые помогают определить, как он обрабатывает входные сигналы и взаимодействует с подключёнными каскадами.
Параметры модели малых сигналов
• Rπ (динамическое сопротивление базового излучателя):
Влияет на то, насколько легко входной сигнал управляет транзистором.
• GM (транскондуктивность):
gm=IC/VT
Более высокий ток в коллекторе приводит к большему GM, что увеличивает усиление.
• RO (выходное сопротивление):
Влияет на выходной сигнал на высоких частотах.
Импедансы
• Входное сопротивление (ZIN)
Он находится в среднем диапазоне и зависит от rπ и сети смещения.
Более высокий ZIN снижает нагрузку на входный источник.
• Выходное сопротивление (ZOUT)
Высокий и формированный в основном RC и ro.
Это делает ступень CE более подходящей для усиления напряжения, а не для высокой мощности.
Эти характеристики работают вместе с конденсаторами и компонентами нагрузки, которые формируют как поток переменного тока, так и стабильность.
Конденсаторы и нагрузочные компоненты в усилителе с общим эмиттером
Усилитель с общим эмиттером опирается на несколько компонентов, которые направляют сигналы переменного тока, поддерживают стабильность смещения и формируют общий коэффициент усиления.
Соединительные конденсаторы
• CIN: пропускает входной сигнал переменного тока, не давая внешним цепям изменить смещение.
• COUT: блокирует постоянный ток от доступа к следующему этапу или подключённым устройствам.
Компоненты стабилизации эмиттера
• RE: Помогает поддерживать постоянное смещение и улучшает термическую стабильность.
• CE (Обходной конденсатор): обеспечивает путь с низким сопротивлением для сигналов переменного тока. Восстанавливает полный усиление переменного тока, сохраняя при этом стабильное смещение постоянного тока
Компоненты нагрузки
• RC: устанавливает основное усиление напряжения усилителя.
• RL: влияет на общее усиление напряжения и влияет на частотную характеристику.
Эти реактивные элементы естественным образом влияют на поведение усилителя на разных частотах.
Частотная характеристика и полоса пропускания усилителей CE
| Раздел | Объяснение |
|---|---|
| Низкочастотный | Конденсаторы сцепления и обход определяют басовый отклик. Малые значения снижают усиление низкочастотных частот. |
| Средний диапазон | Усиление остаётся стабильным и предсказуемым; в основном соотносятся соотношения резисторов и параметры транзисторов. |
| Высокочастотный | Коэффициент усиления уменьшается из-за емкостей транзисторов, эффекта Миллера и паразитов проводки. |
Изменения в диапазоне частот могут привести к неидеальному поведению, таким как искажения.
Искажение в усилителях CE и способы их уменьшения
Источники искажения
• Искажение отсечения возникает, когда транзистор не получает достаточного смещения, из-за чего часть сигнала исчезает.
• Искажение насыщения возникает, когда выходной сигнал достигает нижнего предела питания и не может двигаться дальше.
• Тепловой дрейф смещает Q-точку при изменении температуры, влияя на форму сигнала.
• Нелинейность возникает, когда входной сигнал становится слишком большим для плавной обработки транзистором.
Решения
Установите точку Q близко к середине напряжения питания, чтобы обеспечить правильный колебание сигнала.
• Используйте эмиттерный резистор для поддержания рабочей точки более стабильной.
• Уменьшить входную амплитуду, чтобы предотвратить выход транзистора из своей линейной области.
• Применить обратную связь для улучшения общей линейности.
• Выбирайте стабильные типы транзисторов с низким уровнем шума для стабильной и чистой работы.
Применение усилителей CE
Аудиопредусилители
Помогает увеличить количество малых аудиосигналов, чтобы их можно было чётко обрабатывать.
Кондиционирование сигнала датчика
Усиливает слабые выходы устройств, таких как фотодиоды, солнечные элементы, термисторы и датчики Холла.
Усилители с промежуточной частотой (IF)
Обеспечивает стабильное, умеренное усиление для радиосхем, работающих на фиксированных частотных каскадах.
Аналоговые фронт-энд (AFE) схемы
Улучшает низкоуровневые сигналы до их попадания в аналогово-цифровой преобразователь.
Оборудование для испытаний и измерений
Поддерживает усиление сигнала в таких инструментах, как осциллографы, генераторы функций и базовые измерительные схемы.
Сравнение усилителей CE с другими конфигурациями BJT
| Функция | Общий эмиттер | Обычный коллекционер | Common-Base |
|---|---|---|---|
| Усиление напряжения | Высокий | Около 1 | Высокий |
| Усиление тока | Высокий | Высокий | Low |
| Входное сопротивление | Средний | Высокий | Low |
| Выходное сопротивление | Высокий | Low | Высокий |
| Фазовый сдвиг | 180° | 0° | 0° |
| Лучшее использование | Общее усиление | Буферизация | Высокочастотные ступени |
| Удобство сцепления | Легко | Очень просто | Сложнее |
Заключение
Усилитель с общим эмиттером работает, удерживая транзистор в активной области, используя правильное смещение и выбирая подходящие резисторы и конденсаторы. Эти элементы формируют усиление, частотную характеристику и качество сигнала. Понимание поведения каждой части облегчает контроль искажений, управление потоком сигнала и достижение стабильного, чистого усиления во многих аналоговых схемах
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Как температура меняет усиление усилителя CE?
Более высокая температура увеличивает ток коллектора и GM, что увеличивает коэффициент усиления, но делает точку смещения менее стабильной.
Что происходит, если конденсатор обхода слишком большой?
Коэффициент усиления на низких частотах увеличивается, но цепь становится медленнее в установлении и может плохо реагировать на резкие изменения сигнала.
Почему усилитель CE не может управлять тяжёлыми нагрузками?
Высокий выходной импеданс вызывает слабый выход, искажения и нагрев при работе с низкой сопротивлённостью.
Как уменьшить шум в усилителе CE?
Добавьте конденсаторы обхода питания, используйте короткие входные провода, установите небольшой резистор на базе и следуйте чистому заземлению.
Что управляет максимальным колебанием выходного напряжения?
Напряжение питания, положение точки Q, значение RC и то, насколько близко транзистор подходит к насыщению или отключению.
Можно ли использовать усилитель CE на высоких частотах?
Да, но гейн падает из-за эффекта Миллера и внутренних ёмкостей. Высокочастотные транзисторы улучшают производительность.