共集放大器

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       共集电极放大器在其发射极负载两端产生与输入信号同相的输出电压。在公共集电极放大器是另一种类型的双极结型晶体管,的(BJT)配置,其中输入信号被施加到基极端,并从发射终端所采取的输出信号。因此,集电极端子对于输入和输出电路都是公共的。这种类型的配置称为“公共收集器”(CC),因为收集器端子通过电源有效地“接地”或“接地”。

 

       在许多方面,由于连接的负载电阻从R C的集电极端子变为R E的发射极端子,公共集电极配置(CC)与公共发射极(CE)配置相反。

 

       公共集电极或接地集电极配置通常用于需要将高阻抗输入源连接到需要高电流增益的低阻抗输出负载的情况。考虑下面的公共集电极放大器电路。

 

       使用NPN晶体管的共集电极放大器

 

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       电阻R 1和R 2形成一个简单的分压器网络,用于将NPN晶体管偏置为导通状态。由于该分压器对晶体管的负载很小,因此可以使用所示的简单分压器公式轻松计算基极电压V B。

 

       分压器网络

 

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       在晶体管的集电极端子直接连接至V CC且无集电极电阻的情况下(R C = 0),任何集电极电流都会在发射极电阻R E两端产生电压降。

 

       但是,在公共集电极放大器电路中,相同的电压降V E也代表输出电压V OUT。

 

       理想情况下,我们希望跨R E的DC电压降等于电源电压V CC的一半,以使晶体管的静态输出电压位于特性曲线的中间,从而获得最大的未削波输出信号。因此R的选择ë很大程度上取决于我乙和晶体管电流增益贝塔,β。

 

       当基极-发射极的pn结正向偏置时,基极电流通过结流到发射极,从而促使晶体管起作用,导致更大的集电极电流I C流动。因此,发射极电流是基极电流和集电极电流作为以下的组合:I E  = I B  + I C。但是,由于基极电流与集电极电流相比极小,因此发射极电流近似等于集电极电流。因此,I E  ≈I C

 

       与公共发射极(CE)放大器配置一样,输入信号被施加到晶体管的基极端子,并且如我们之前所说,放大器的输出信号从发射极-发射极端子获得。但是,由于在晶体管基极与其发射极之间只有一个正向偏置的pn结,施加到基极的任何输入信号都直接通过结到达发射极。因此,发射极处的输出信号与基极处施加的输入信号同相。

 

       由于放大器的输出信号是从发射极负载两端获取的,因此这种类型的晶体管配置也称为发射极跟随器电路,因为发射极输出“跟随”或跟踪基本输入信号的任何电压变化,除了它保持约0.7伏外(V BE)低于基准电压。因此,V IN和V OUT同相,在输入和输出信号之间产生零相位差。

 

       话虽如此,发射器pn结有效地充当正向偏置二极管和用于小的AC输入信号这发射极二极管结具有电阻式给出:r e = 25mV的/ I E其中25mV的是结的热电压在室温(25 o C)下,I e是发射极电流。因此,随着发射极电流的增加,发射极电阻将按比例减小。

 

       流过该内部基极-发射极结电阻的基极电流也流出,并通过外部连接的发射极电阻器,R e。这两个电阻串联连接,因此充当分压器网络,产生电压降。由于的值R e是很小的,和R e大得多,一般在千欧(kΩ的)范围内时,放大器输出电压的幅度大于其输入电压因此不太是。

 

       但是,实际上,输出电压的大小(峰峰值)通常在输入电压的98%到99%的范围内,该值在大多数情况下足够接近以被视为单位增益。

 

       我们可以计算出电压增益,V 阿通过使用分压器公式所示假设基极电压,V公共集电极放大器的乙实际上是输入电压,V IN。

 

       共集电极放大器电压增益

 

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       因此,公共集电极放大器无法提供电压放大,出于明显的原因,用于描述公共集电极放大器电路的另一个表达式是电压跟随器电路。因此,由于输出信号紧随输入并与输入同相,因此公共集电极电路因此成为非反相单位电压增益放大器。

 

       公共集电极放大器示例1

 

       使用NPN双极晶体管和分压器偏置网络构造一个公共集电极放大器。如果R 1  =5k6Ω,则R 2  =6k8Ω,电源电压为12伏。计算的为:V 乙,V Ç和V Ë,发射极电流I Ë,内部发射极电阻R” Ë和放大器电压增益甲V当使用4k7Ω的负载电阻。并用负载线绘制最终电路和相应的特性曲线。

 

       1.基本偏置电压V B

 

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       2.集电极电压,V Ç。由于没有集电极负载电阻,因此晶体管的集电极端子直接连接到直流电源轨,因此V C = V CC = 12伏。

 

       3.发射极偏置电压V E

 

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       4.发射极电流I E

 

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       5. AC发射极电阻,R” È

 

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       6.电压增益,A V

 

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       带负载线的公共集电极放大器电路

 

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       共集电极输入阻抗

 

       虽然公共集电极放大器不在作为一个电压放大器,因为我们已经看到非常好,它的小信号电压增益近似等于一个(A V  ≅1),它并不过使一个很好的电压缓冲电路由于其高输入阻抗(Z IN)和低输出阻抗(Z OUT),可在输入信号源与负载阻抗负载之间提供隔离。

 

       共集电极放大器的另一个有用特性是,只要导通,它就可以提供电流增益(A i)。即它可以通过从集电极到发射极中流动的大电流,响应于一个小的变化,以它的基极电流,我乙。请记住,这直流电流只看到[R é因为存在一个R Ç。那么直流电流就是:V CC / R E,如果R E小,则可以大。

 

       考虑下面的基本公共集电极放大器或发射极跟随器配置。

 

       共集电极放大器配置

 

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       为了对电路进行交流分析,电容器短路,而V CC短路(零阻抗)。因此,等效电路如图所示,偏置电流和电压分别为:

 

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       观察基极的公共集电极配置的输入阻抗Z IN为:

 

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       但是由于Beta 通常使β远远大于1(通常大于100),所以β+ 1的表达可以简化为Beta,β乘以100实际上等于乘以101。

 

       共集电极放大器的基极阻抗

 

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       其中:β是晶体管的电流增益,R e是等效发射极电阻,r'e是发射极基极二极管的交流电阻。注意,由于R的组合值ê一般是多少大于二极管等效电阻,R” È(千欧姆相比几欧姆)的晶体管基极阻抗可作为简单地:β* R ë。

 

       这里需要注意的一个有趣点是,晶体管的输入基极阻抗Z IN(基极)可通过并联的发射极支路电阻R E或负载电阻R L的值来控制。

 

       尽管上面的公式为我们提供了进入晶体管基极的输入阻抗,但并未提供源信号进入整个放大器电路时的真实输入阻抗。为此,我们需要考虑组成分压器偏置网络的两个电阻。从而:

 

       共集电极放大器输入阻抗

 

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       Common Collector示例2

 

       如果负载电阻R L为10kΩ,NPN晶体管的电流增益为100 ,则使用上述先前的公共集电极放大器电路,计算晶体管基极和放大器级的输入阻抗。

 

       1.交流发射极电阻,R” È

 

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       2.等效负载电阻R e

 

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       3.晶体管基极阻抗,Z BASE

 

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       2.放大器输入阻抗,Z IN(STAGE)

 

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       由于晶体管的基极阻抗322kΩ远远高于仅2.8kΩ的放大器输入阻抗,因此,公共集电极放大器的输入阻抗由两个偏置电阻R 1和R 2之比确定。

 

       共集电极输出阻抗

 

       要确定CC放大器的输出阻抗Z OUT从负载回到放大器的发射极端,我们必须首先移除负载,因为我们希望看到驱动负载的放大器的有效电阻。因此,查看放大器输出的交流等效电路为:

 

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       由上可知,基本电路的输入阻抗为:R B  = R 1 || R 2。晶体管的电流增益为:β。因此,输出方程式为:

 

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       然后我们可以看到,发射极电阻R E实际上与回顾其发射极端子的晶体管的整个阻抗并联。

 

       如果我们使用上面的分量值来计算公共发射极放大器电路的输出阻抗,则其输出阻抗Z OUT小于50Ω(49.5Ω),远小于较高的输入阻抗Z IN(BASE)以前计算过的。

 

       因此,从计算中我们可以看到,公共集电极放大器配置具有非常高的输入阻抗和非常低的输出阻抗,从而使其能够驱动低阻抗负载。实际上,由于CC放大器具有相对较高的输入阻抗和非常低的输出阻抗,因此通常用作单位增益缓冲放大器。

 

       通过计算确定上述示例放大器的输出阻抗Z OUT约为50Ω,如果现在将10kΩ负载电阻重新连接到电路中,则输出阻抗将为:

 

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       尽管负载电阻为10kΩ,但等效输出电阻仍较低,为49.3Ω。这是因为R L与Z OUT相比较大,因此对于最大功率传输,R L必须等于Z OUT。由于公共集电极放大器的电压增益被认为是单位(1),因此放大器的功率增益必须等于其电流增益,因为P = V * I。

 

       由于共集电极电流增益定义为发射极电流与基极电流之比,γ= I E / IB  =β+ 1,因此得出结论,放大器电流增益必须近似等于Beta(β)β+ 1实际上与Beta相同。

 

       我们已经看到在本教程关于公共集电极放大器,它得名,因为BJT的集电极端子是共同的输入和输出电路既作为没有集电极电阻,R Ç。

 

       公共集电极放大器的电压增益近似等于一(A v  ≅1),它的电流增益,A I约等于测试版,(A I这取决于特定的晶体管贝塔值的值≅β)可以安静地高。

 

       通过计算我们还看到,输入阻抗Z IN高,而其输出阻抗Z OUT低,使其可用于阻抗匹配(或电阻匹配)目的或用作电压源和低电压之间的缓冲电路。阻抗负载。

 

       当公共集电极(CC)放大器接收其输入信号到基极,并且输出电压取自发射极负载两端时,输入和输出电压为“同相”(0 o相位差),因此,公共集电极配置变为由于输出电压(发射极电压)跟随输入基极电压,因此用“ 发射极跟随器”的副名命名。

 
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