Schémata zapojení tranzistorů: společný emitor, společná báze, společný kolektor

V tomto článku budeme hovořit podrobněji o různých schématech připojení tranzistorů v zesilovacích stupních. A začneme vtipnou rovností: 2 + 2 = 3. Jak je to možné, ptáte se? Je to velmi jednoduché: běžný zesilovací stupeň je čtyřsvorkové zařízení, má dva vodiče pro zdroj signálu a dva pro zátěž. Tranzistor má pouze tři terminály: báze, emitor, kolektor. Proto musí být jeden z vývodů tranzistoru společný pro vstupní i výstupní obvody. Kterýkoli ze závěrů může být společný, což znamená, že obvody s společná základna, s společný emitor и společný sběratel.

Všimněte si, že totéž lze říci o zesilovacích stupních na tranzistorech s efektem pole, které mají obvody se společným hradlem, společným zdrojem a společným kolektorem. A když se aplikují na rádiové elektronky, mluví o společné mřížce, společné anodě a společné katodě. Ale zatím zůstaňme u bipolárních tranzistorů.

Obsah článku:

• Obvod společného emitoru
• Vstupní a výstupní impedance kaskády
• Impedanční přizpůsobení
• Společné základní schéma
• Millerův efekt
• Společný kolektorový okruh
• Souhrnná tabulka charakteristik obvodů s OE, OB a OK
• Schémata zapojení v praxi

Obvod společného emitoru

Začněme obvodem se společným emitorem. Je to nejběžnější a většině čtenářů pravděpodobně známé. Při tomto zapojení tranzistoru je dosaženo největšího zesílení signálu ve výkonu.

Obvod společného emitoru ve zjednodušené formě

Podobné schéma jsme již probírali v jednom z článků. Nyní se podívejme na tak důležité charakteristiky zesilovacího stupně, jako je vstupní a výstupní odpor.

Vstupní a výstupní impedance kaskády

Faktem je, že tranzistor poskytuje různý odpor vůči stejnosměrným a střídavým proudům. Abychom si to ověřili, podívejme se na výstupní charakteristiku tranzistoru. Ukazuje vztah mezi proudem báze, kolektorovým proudem a kolektorovým napětím.

Výstupní charakteristika tranzistoru v obvodu se společným emitorem

Jak určit DC odpor? Je to velmi jednoduché, podle Ohmova zákona: vezměte napětí a vydělte ho proudem. Vypočítejme odpor v pracovním bodě A (viz obrázek). Ukazuje se 4.5 V / 4.5 mA = 1 kOhm.

V případě střídavého proudu se musíte podívat na rozdílový odpor. Jednoduše řečeno: jak moc se změní proud při změně napětí. V uvedeném příkladu, pokud se kolektorové napětí změní z 3 na 7 voltů s pevným základním proudem, má to na kolektorový proud spíše slabý vliv, změní se pouze o 0.1 mA. To odpovídá odporu (7-3)/0.1 = 40 kOhm. Jak vidíte, odpory stejnosměrných a střídavých proudů se výrazně liší.

Podobnou úvahu lze provést pro vstupní odpor tranzistorové kaskády, pouze tam musíme uvažovat voltampérovou charakteristiku přechodu emitoru.

Proč jsou všechny tyto odpory důležité? Jde o to, že pro co největší účinnost obvodu musí být sladěny odpory mezi stupni.

Impedanční přizpůsobení

Podívejme se na další obrázek. Výstupní impedance zdroje signálu a vstupní impedance zátěže tvoří dělič napětí.

Vlevo: připojení zátěže ke zdroji s vnitřním odporem. Vpravo: graf proudu, napětí a výkonu rozptýleného při zátěži, při pevném R_ist=10 Ohm a různý zátěžový odpor R_zatížení.

Graf ukazuje, že největšího výkonu je dosaženo, když je R rovno_ist a R._zatížení.

To je pochopitelné: pokud je odpor zátěže nízký, pak přijímá příliš malý podíl signálového napětí. A pokud je odpor zátěže vysoký, pak bude proud v obvodu příliš malý.

A nyní se dostáváme k tomu nejdůležitějšímu: různá schémata zapojení tranzistorů mají různý vstupní a výstupní odpor. To usnadňuje přizpůsobení stupňů ke zdroji signálu nebo zátěži.

Společné základní schéma

Společný základní diagram ve zjednodušené formě

V obvodu se společnou bází (CB) to není jen malý proud báze, který protéká vstupním obvodem, ale celý proud emitoru. Z toho plynou dva důsledky. Za prvé, kolektorový proud nemůže být větší než proud emitoru. To znamená, že obvod společné báze neposkytuje proudový zisk (z tohoto důvodu se obvod společné báze nazývá proudový sledovač). Za druhé, vstupní odpor takového obvodu je velmi nízký: proud je velký a napětí báze-emitor je malé. Vysoký proud při nízkém napětí znamená nízký odpor.

Co se týče výstupního odporu, ten je naopak vyšší než v zapojení se společným emitorem. Napětí kolektoru nemá prakticky žádný vliv na proud, protože Kolektorový obvod je zcela izolován od řídicího bodu tranzistoru, přechodu emitoru. Malá změna proudu s velkou změnou napětí znamená vysoký rozdílový odpor.

Všimněte si, že obvod se společnou bází neinvertuje signál. V obvodu se společným emitorem, když napětí na bázi stoupá, klesá na kolektoru, tzn. Signál se otočí o 180 stupňů. Ve společném základním obvodu se to nestane, vstup a výstup jsou ve fázi.

Důležitou výhodou obvodu se společnou bází je, že funguje lépe při vysokých frekvencích, protože snižuje takzvaný Millerův jev téměř na nulu. Pojďme se tomu věnovat trochu podrobněji.

Millerův efekt

V tranzistoru je několik parazitních kapacit.

Parazitní kapacity v tranzistoru

Deska kondenzátoru může být v zásadě jakákoliv akumulace nábojů a v tranzistoru, jak víme, jsou tři zóny různé vodivosti, mezi kterými po párech vznikají parazitní kapacity. Nejnepříjemnější z nich je mezi kolektorem a základnou, protože Přes tento kondenzátor jde zesílený signál z kolektoru zpět na vstup, do báze.

Například, je-li parazitní kolektor-základní kapacita 4 pF, v důsledku zisku to odpovídá kapacitě několika set pF mezi základnou a zemí. Toto zvýšení kapacity spočívá v Millerově efektu. Je to patrné zejména při vysokých frekvencích. Čím vyšší frekvence, tím nižší je odpor parazitního kondenzátoru C_bka tím více zkresluje signál. Takže ve společném základním obvodu je základna uzemněna na střídavém komponentu, takže Millerův efekt zmizí.

Společný kolektorový okruh

Zjednodušený obvod společného kolektoru

Obvod společného kolektoru je v určitém smyslu inverzní k obvodu společné báze.

Obvod s OB nezesiloval proud a obvod s OK nezesiluje napětí: zátěž je zde zahrnuta do obvodu emitoru, procházející proud vytváří na zátěži úbytek potenciálu, který působí proti napětí na bázi, čímž se snižuje předpětí báze-emitor. Pokud tedy napětí na zátěži náhle překročí napětí na bázi, tranzistor se jednoduše sepne.

Proto se obvod s OK také nazývá „sledovač emitoru“ – nezesiluje signálové napětí, ale pouze jej opakuje.

Výstupní odpor v tomto obvodu je nízký: napětí na zátěži je malé, ale protékající proudy jsou významné. Současně je vstupní odpor společného kolektorového obvodu velmi vysoký, to vše kvůli stejnému „rušivému“ účinku napětí na zátěž. Koneckonců, napětí báze nemá prakticky žádný vliv na vstupní proud: napětí na bázi se zvýšilo, napětí na emitoru se okamžitě zvýšilo a předpětí báze-emitor zůstalo stejné, což znamená, že proud se nezměnil. To je ekvivalentní vstupnímu obvodu s vysokým odporem.

Souhrnná tabulka

Charakteristiky všech tří schémat jsou shrnuty v tabulce:

Schémata zapojení v praxi

Pojďme trochu odbočit od charakteristik obvodů připojení tranzistorů a probrat důležitý bod. Začátečníci při pohledu na schéma často nemohou určit typ připojení tranzistoru. Je jasné, že tranzistor je ověšen dalšími částmi – odpory, kondenzátory. Není hned jasné, jaký je jeho obecný závěr. Zdá se, že spolu nemají vůbec nic společného!

Zde je důležité pochopit jednu věc: cesty stejnosměrného a střídavého proudu ve stejném obvodu mohou být zcela odlišné. Klidně se může stát, řekněme, že tranzistor je zapojen jako společný emitor pro stejnosměrný proud a jako společný emitor pro střídavý proud. Musíte být schopni vidět dva samostatné okruhy v jednom: „konstantní“ a „proměnný“.

Vezměme si typickou kaskádu podle schématu OE. Prvky jsou nám známé: dělič, který nastavuje offset vůči základně, zátěž kolektoru a teplotní stabilizační odpor. To vše umožňuje nastavit pracovní bod tranzistoru.

Tranzistorový kaskádový obvod se společným emitorem

Nyní udělejme toto: vstupní signál nepřivedeme do základny, ale do emitoru. Samozřejmě přes oddělovací kondenzátor. A samotnou základnu uzemníme opět přes kondenzátor proměnnou složkou:

AC tranzistor se společnou bází

Voila! Dostali jsme zařazení podle schématu se společnou základnou, podle střídavého signálu. Zároveň jsme přidáním kondenzátorů neprovedli prakticky žádné změny stejnosměrného režimu: odpor stejnosměrného komponentního kondenzátoru je velmi vysoký.

Diagram můžete nakreslit různými způsoby. Zde je například stejný diagram, jinak uspořádaný:

Stejný obvod se společnou základnou v jiném rozložení

Je třeba umět abstrahovat od konkrétního návrhu obvodu a všímat si vlastností toku stejnosměrných a střídavých proudů. Jak jste již pochopili, v obvodu s OB lze použít stejné techniky jako v obvodu s OE. Například stabilizační odpor Rэ. Lze použít i stabilizaci kolektoru (podrobněji viz článek o stupni zesilovače).

Další tip: hledejte nohu tranzistoru, která má konstantní potenciál. Nemusí být nutně uzemněn (přímo nebo přes kondenzátor) – ale je pravděpodobně připojen ke zdroji energie tak, že napětí na něm je konstantní a nezávisí na vstupním signálu nebo zátěži.

Příklady obvodů

Podívejme se na několik dalších příkladů k procvičení.

Typický stabilizátor napětí pro napájení transformátoru. Tranzistor je zapojen podle společného kolektorového obvodu.

Obvod anténního zesilovače. První kaskáda je sestavena podle schématu OE, další dvě jsou v pořádku

Jeden z nejjednodušších nízkofrekvenčních zesilovačů. První tranzistor je zapojen jako společný emitor a zesiluje výkon. Následuje push-pull kaskáda, oba tranzistory jsou spojeny společným kolektorem – což umožňuje přizpůsobení výstupu nízkoimpedančnímu reproduktoru bez transformátoru.

Vysokofrekvenční zesilovač. První tranzistor má společný emitor, druhý společnou bázi.