A közös sugárzós erősítő egy egyszerű BJT áramkör, amely gyenge jeleket erősít, és 180°-os fáziseltolódást hoz létre a bemenet és kimenet között. Nagy feszültségerősítést, stabil működést és széles körű használatot kínál audio-, szenzor- és RF áramkörökben. Ez a cikk bemutatja a részeket, az eltorzítást, a nyereséget, a frekvenciaviselkedést, torzítást, valamint azt, hogy minden szakasz hogyan befolyásolja a teljesítményt.
Közös emitter erősítő áttekintése
Egy kis alapáramváltozás sokkal nagyobb gyűjtőáram-változást eredményez, lehetővé téve a fokozat gyenge jelek hatékony erősítését. Mivel a kollektornál a kimenet csökken, amikor a bemenet nő, a konfiguráció 180°-os fáziseltolódást eredményez, ami egy jellemző többlépcsős erősítőkben és visszacsatolási hálózatokban.
Közös emitter erősítő komponensek
• Alapterminál (bemeneti port)
Fogadja a bemeneti jelet és szabályozza, mennyit vezet a tranzisztor is.
• Gyűjtő terminál (kimeneti port)
A kimeneti jelet generálja, ahogy a feszültség változik a kollektorellenálláson.
• Emitter terminál (közös csomópont)
Szolgál a bemenet és kimenet közös visszatérési útvonalaként.
• Gyűjtő ellenállás (RC)
Segít beállítani a feszültségerősítést azáltal, hogy a kollektor áramváltozásait feszültségváltozássá alakítja.
• Emitter ellenállás (RE)
Stabil tartja a működési pontot természetes negatív visszacsatolással.
• Kapcsolási kondenzátorok (Cin, Cout)
Engedd, hogy az AC jelek áramkörön haladjanak át az áramkörön, miközben az egyenfeszültséget blokkolják, így az előfeszültség pontja nem változik.
• Tápegység (VCC)
Biztosítja az energiát a tranzisztor működéséhez.
BJT működési területek egy közös kibocsátós erősítőben
| Régió | Bemeneti feltétel | Tranzisztor viselkedése | Hatás a CE erősítő kimenetére | Jó az erősítésre? |
|---|---|---|---|---|
| Határérték | Az alap-emitter csatlakozás nem előre elfogolt | Alig vagy egyáltalán nincs gyűjtőáram | A kimenet a VCC felé halad | Nem |
| Aktív régió | Alap-emitter feszültség 0,6-0,7 V körül szilícium esetén; bázisgyűjtő fordított elfogultságú | A gyűjtő áram β × alapáramot követi | A kimenet lineárisan változik | Igen |
| Telítettség | Mindkét csomópont előre torzít | A gyűjtő áram lineárisan megáll | Kimenet a földhöz közelítve | Nem |
Az aktív régióban lévő lineáris művelet közvetlenül vezet az erősítő jellegzetes fázisviselkedéséhez.
Fázisinverzió egy közös kibocsátós erősítőben
A CE erősítő invertált kimenetet ad, mert:
• Az alapáram növelése növeli a gyűjtő áramot.
• A nagyobb gyűjtőáram nagyobb feszültségcsökkenést okoz az RC-n keresztül.
• Ez csökkenti a gyűjtő feszültségét.
• A kimeneti feszültség csökken, miközben a bemenet nő.
Erősítés egy közös kibocsátós erősítőben
Egy közös emitterű erősítő áramerősítőt, feszültségerősítést és teljesítményerősítést biztosít. Ezek a nyereségek a tranzisztor viselkedéséből és annak összetevőiből származnak, hogyan alakítják a jelet.
Áramnyereség (Mesterséges intellifikáció)
Az áramnyereség a tranzisztor β értékétől függ:
MI≈β
Feszültségerősítés (Av)
A feszültségerősítés a következő módon becsülhető:
AI≈− β (RC/rπ)
• A nagyobb RC növeli a feszültségnyereséget.
• Egy kisebb rπ (ami akkor történik, ha a gyűjtő áram magasabb) szintén növeli a feszültségnyereséget.
Teljesítménynövelés (AP)
A teljesítménynyereség azért nő, mert mind az áram, mind a feszültség felerősítődik:
AP=AI⋅AV
Ezeknek a nyereségszinteknek a következetes eléréséhez stabil elfogultságot igényel, ami nem sodródik.
Stabil egyenfeszültség kialakítása egy közös sugárzó erősítőben
Egy közös sugárzós erősítőnek stabil egyenáramú feszítést igényel, így a tranzisztor az AC jel teljes időtartama alatt az aktív régióban marad. A feszültségelosztó előfeszültséget azért használják, mert stabil alapfeszültséget biztosít még akkor is, ha β változások vagy hőmérséklet-elmozdulások jelentkeznek. Az emitter ellenállás stabilitást ad azáltal, hogy természetes negatív visszacsatolást hoz létre. A megfelelő Q-ponttal a kimeneti jel egyenletesen ingadozik, elkerülheti a torzítást, és erős és megbízható erősítést tart fenn.
Amint az előterítés biztonságossá válik, az erősítő kis jel- és impedanciaviselkedése kiszámíthatóvá és könnyebben elemezhetővé válik.
Kis jel és impedancia viselkedés egy közös kibocsátós erősítőben
Egy közös sugárzós erősítő kiszámítható, kis jeles tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek segítenek meghatározni, hogyan kezeli a bemeneti jeleket és hogyan lép kölcsönhatásba a kapcsolódó fokozatokkal.
Kis jelű modellparaméterek
• rπ (bázis-emitter dinamikai ellenállás):
Ez befolyásolja, hogy a bemeneti jel mennyire könnyen irányítja a tranzisztort.
• GM (transzkonduktancia):
gm=IC/VT
A nagyobb gyűjtőáram magasabb gm-et eredményez, ami növeli a nyereséget.
• RO (kimeneti ellenállás):
Magasabb frekvenciákon is befolyásolja a kimeneti jelet.
Impedanciák
• Bemeneti impedancia (ZIN)
Közepes tartományba esik, és az rπ-től és az előbisztítési hálózattól függ.
A magasabb ZIN csökkenti a bemeneti forrás terhelését.
• Kimeneti impedancia (ZOUT)
Magas, és főként RC és ro által formált.
Ez a CE fokozatot alkalmasabbá teszi a feszültségerősítésre, nem pedig a nagy teljesítményre.
Ezek a jellemzők együtt működnek kondenzátorokkal és terhelési komponensekkel, amelyek alakítják az AC áramlást és a stabilitást.
Kondenzátorok és terhelési alkatrészek egy közös kibocsátós erősítőben
Egy közös sugárzós erősítő több komponensre támaszkodik, amelyek irányítják az AC jeleket, stabil tartják az előterítést és alakítják az összerősítést.
Csatoló kondenzátorok
• CIN: Engedi a bemeneti AC jelet áthaladni, miközben a külső áramkörök nem változtatják meg az előfeszültséget.
• COUT: Megakadályozza, hogy a DC elérje a következő fokozatot vagy a csatlakoztatott eszközöket.
Emitter stabilizációs komponensek
• RE: Segít stabil maradni a DC-elnyomást és javítja a hőstabilitást.
• CE (Bypass Capacitor): Alacsony impedanciájú útvonalat biztosít az AC jelek számára. Visszaállítja a teljes AC erősítést, miközben stabil tartja a DC előbiszt
Terhelési komponensek
• RC: A erősítő fő feszültségerősítését állítja be.
• RL: Befolyásolja a teljes feszültségerősítést és befolyásolja a frekvenciaválaszt.
Ezek a reaktív elemek természetesen befolyásolják, hogyan viselkedik az erősítő különböző frekvenciákon.
A CE erősítők frekvenciaátvitele és sávszélessége
| Szekció | Magyarázat |
|---|---|
| Alacsony frekvenciás | A kapcsolási és bypass kondenzátorok határozzák meg a választ. A kis értékek csökkentik az alacsony frekvenciás erősítést. |
| Középsáv | A nyereség stabil és kijelenthető marad; az ellenállás arányok és tranzisztorparaméterek dominálják. |
| Nagyfrekvenciás | A nyereség csökken a tranzisztor kapacitásai, a Miller-hatás és a vezetékes paraziták miatt. |
A frekvenciatartományon áthaladó változások nem ideális viselkedéseket idézhetnek elő, például torzítást.
Torzítás a CE erősítőkben és annak csökkentésének módjai
Torzítás forrásai
• A levágási torzítás akkor következik be, amikor a tranzisztor nem kap elég előbiszt, ami miatt a jel egy része eltűnik.
• Telítettségi torzítás akkor következik be, amikor a kimeneti jel eléri az alsó táphatárt, és nem tud tovább elmozdulni.
• A hő elsodródása a Q-pontot a hőmérséklet változásával módosítja, ami befolyásolja a jel alakját.
• A nemlineáris jel akkor jelenik meg, amikor a bemeneti jel túl nagyra válik ahhoz, hogy a tranzisztor zökkenőmentesen kezelje.
Megoldások
Állítsd a Q-pontot a tápfeszültség közepéhez, hogy megfelelő jel elingelhesse.
• Használj kibocsátó ellenállást, hogy stabilabb legyen a működési pont.
• Csökkentsék a bemeneti amplitúdót, hogy megakadályozzák a tranzisztor elhagyását lineáris régiójából.
• Visszacsatolási hálózat alkalmazása az általános linearitás javítása érdekében.
• Válassz stabil, alacsony zajú tranzisztor típusokat, hogy a működés egyenletes és tiszta maradjon.
A CE erősítők alkalmazásai
Hangelőerősítők
Segít növelni a kis hangjeleket, így azok tisztán feldolgozhatók.
Érzékelő jel kondicionálás
Erősíti a gyenge kimeneteket olyan eszközökből, mint a fotodiódák, napelemek, termisztorok és Hall-érzékelők.
Köztes frekvenciaerősítők (IF)
Stabil, közepes erősítést biztosít a rádióáramkörökhöz, amelyek fix frekvenciájú fokozatokban dolgoznak.
Analóg Front-End (AFE) áramkörök
Javítja az alacsony szintű jeleket, mielőtt analóg-digitális átalakítóra jutnának.
Teszt- és mérőeszközök
Támogatja a jelerősítést olyan eszközökben, mint oszcilloszkópok, függvénygenerátorok és alapvető mérőáramkörök.
A CE erősítők összehasonlítása más BJT konfigurációkkal
| Feature | Common-Emitter | Közös Gyűjtő | Közös bázis |
|---|---|---|---|
| Feszültségerősítés | Magas | Körülbelül 1 | Magas |
| Jelenlegi nyereség | Magas | Magas | Alacsony |
| Bemeneti impedancia | Közeg: | Magas | Alacsony |
| Kimeneti impedancia | Magas | Alacsony | Magas |
| Fáziseltolódás | 180° | 0° | 0° |
| Legjobb felhasználás | Általános erősítés | Pufferelés | Nagyfrekvenciás fokozatok |
| Kapcsolási könnyedség | Könnyű | Nagyon könnyű | Nehezebb |
Összegzés
A közös emitterű erősítő úgy működik, hogy a tranzisztor aktív tartományban marad, megfelelő előterítést alkalmaz, és kiválasztja a megfelelő ellenállásokat és kondenzátorokat. Ezek az elemek alakítják a erősítést, a frekvenciaválaszt és a jelminőséget. Az egyes alkatrészek viselkedésének megértése megkönnyíti a torzítás szabályozását, a jeláramlás kezelését, és stabil, tiszta erősítést eredményez sok analóg áramkörben
Gyakran Ismételt Kérdések [GYIK]
Hogyan változtatja meg a hőmérséklet a CE erősítő erősítését?
A magasabb hőmérséklet növeli a gyűjtő áramát és a gm-et, ami növeli a nyereséget, de kevésbé stabilá teszi az előterítési pontot.
Mi történik, ha a bypass kondenzátor túl nagy?
Az alacsony frekvenciás erősítés nő, de az áramkör lassabban lecsendesedik, és rosszul reagálhat a hirtelen jelváltozásokra.
Miért nem tud egy CE erősítő nagy terhelést vezetni?
Magas kimeneti impedanciája gyenge kimenetet, torzulást és melegedést okoz alacsony ellenállású terhelések meghajtásakor.
Hogyan csökkented a zajt egy CE erősítőben?
Hozzáadj bejáró kondenzátorokat, használj rövid bemeneti vezetékeket, tegyél be egy kis bázisellenállást, és kövesd a tiszta földelést.
Mi szabályozza a maximális kimeneti feszültségingadozást?
A tápfeszültség, Q-pont pozíció, RC érték, valamint az, hogy a tranzisztor milyen közel van a telítettséghez vagy levágáshoz.
Használható-e magas frekvenciákon egy CE erősítő?
Igen, de a gain csökkenés a Miller-hatás és a belső kapacitások miatt. A nagyfrekvenciás tranzisztorok javítják a teljesítményt.