Ενισχυτής κοινού συλλέκτη

Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη

Στο σχήμα φαίνεται το κύκλωμα ενισχυτή κοινού συλλέκτη CC ή ακόλουθου εκπομπού όπως λέγεται. Σ' αυτό το κύκλωμα η αντίσταση συλλέκτη έχει μηδενική τιμή, δηλαδή ο συλλέκτης γειώνεται στο ac σήμα, μέσω της πηγής τροφοδοσίας.

Όταν μια ημιτονοειδή τάση εισόδου v_in οδηγεί τη βάση του τρανζίστορ, η τάση αυτή προκαλεί μια ημιτονοειδή μεταβολή του ρεύματος του εκπομπού, με αποτέλεσμα στην αντίσταση R_E εμφανίζεται μια ημιτονοειδής τάση και ένα ac σήμα να οδηγεί την αντίσταση φορτίου R_L.

Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου του ac σήματος εισόδου, το ρεύμα εκπομπού αυξάνει και προκαλεί τη θετική ημιπερίοδο του ac σήματος εξόδου. Ομοίως, κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου του σήματος εισόδου, το ρεύμα εκπομπού ελαττώνεται και προκαλεί την αρνητική ημιπερίοδο της τάσης εξόδου. Για το λόγο αυτό, η ac τάση εξόδου της ενισχυτικής διάταξης CC είναι σε φάση με την ac τάση εισόδου.

Κέρδος τάσης

Στο σχήμα δίνεται το ac ισοδύναμο του κυκλώματος κοινού συλλέκτη.

Η ac αντίσταση φορτίου r_L είναι ίση με τον παράλληλο συνδυασμό των αντιστάσεων R_E και R_L

r_L = R_E || R_L

Στο κύκλωμα αυτό, η ac τάση εισόδου v_in προκαλεί ένα ac ρεύμα βάσης, που διαρρέει την αντίσταση βr_e καθώς κι ένα ac ρεύμα εκπομπού i_e που διαρρέει την αντίσταση r_L. Η ac τάση εξόδου εμφανίζεται στ' άκρα της r_L και είναι ίση με:

v_out = i_er_L

H ac τάση εισόδου εφαρμόζεται στις αντιστάσεις βr_e και r_L . Είναι ίση με

v_in = i_bβr_e + i_er_L

Επειδή i_e ~= βi_b το κέρδος τάσης είναι:

Α = v_out/v_in = (i_er_L) / (i_bβr_e + i_er_L) ~= (i_er_L) / (i_er_e + i_er_L)

H σχέση αυτή απλοποιείται στην Α ~= r_L / (r_L + r_e)

Συνήθως η r_e είναι πολύ μικρότερη από την r_L (=R_E || R_L). Σ' αυτή την περίπτωση, το κέρδος τάσης είναι περίπου μονάδα. Αυτό σημαίνει ότι το σήμα εξόδου έχει την ίδια φάση και περίπου το ίδιο πλάτος με το σήμα εισόδου. Αυτός είναι ο λόγος που η συνδεσμολογία CC λέγεται ακόλουθος εκπομπού.

Σύνθετη αντίσταση εισόδου

Ένας ακόλουθος εκπομπού μπορεί ν' αυξήσει μια αντίσταση, όπως ακριβώς και ο μετασχηματιστής. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο μάθημα κάθε σύνθετη αντίσταση στο κύκλωμα του εκπομπού φαίνεται από τη βάση αυξημένη β φορές.

Πράγματι, στο ac ισοδύναμο κύκλωμα ενός ακόλουθου εκπομπού, η ac τάση εισόδου συνδέεται με τα ρεύματα i_b και i_e με τη σχέση:

v_in = i_bβr_e + i_er_L

Επειδή i_e ~= βi_b , η παραπάνω εξίσωση γράφεται

v_in ~= i_bβr_e + βi_br_L

Διαιρώντας και τα δυο μέλη δια i_b , παίρνουμε τη σύνθετη αντίσταση εισόδου από τη βάση:

z_in(base) ~= v_in / i_b = (i_bβr_e + βi_br_L) / i_b => z_in(base) ~= β(r_L + r_e)

Η ολική ac αντίσταση εκπομπού πολλαπλασιάζεται επί β για να δώσει τη σύνθετη αντίσταση που φαίνεται από τη βάση. Η ολική σύνθετη αντίσταση εισόδου της βαθμίδας περιλαμβάνει και τις αντιστάσεις πόλωσης:

z_in = R₁ || R₂ ||z_in(base)

Κέρδος ισχύος

Με τον ακόλουθο εκμπομπού δεν πετυχαίνουμε κέρδος τάσης, αλλά κέρδος ισχύος. Το κέρδος ισχύος συμβολίζεται με G. Η ισχύς της ac συνιστώσας της τάσης εξόδου του ακόλουθου εκπομπού είναι

p_out = i²_e r_L

Η αντίστοιχη ισχύς εισόδου είναι

p_in = i²_bz_in(base) = i²_bβ(r_L + r_e)

Το κέρδος ισχύος G είναι ο λόγος p_out προς p_in

G = p_out / p_in = (i²_e r_L) / (i²_bβ(r_L + r_e))

Επειδή i_c ~=i_e και i_c=βi_b η παραπάνω σχέση γράφεται

G ~= βr_L / (r_L + r_e)

Σε κανονικές περιπτώσεις, η r_L είναι πολύ μεγαλύτερη από την r_e , οπότε το κέρδος τάσης πλησιάζει τη μονάδα και το κέρδος ισχύος είναι περίπου ίσο με β.

Παράδειγμα

Στο κύκλωμα του σχήματος, να βρεθεί η ac τάση εξόδου, όταν η αντίσταση R_L είναι ίση με 1,2kΩ

Λύση

Η dc τάση της βάσης είναι το μισό της τάσης της πηγής, δηλαδή 6V. Αφαιρώντας την τάση V_BE , προκύπτει ότι η τάση του εκπομπού είναι 5,3V. Έτσι, το ρεύμα ηρεμίας του συλλέκτη είναι

Ι_C ~=I_E = (V_B - V_BE) / R_E =5,3V / 470Ω = 11,2mA

H τάση ηρεμίας συλλέκτη -εκπομπού είναι

V_CE = V_cc - V_E = 12V- 5,3V = 6,7V

Η ολική ac αντίσταση φορτίου είναι

r_L = R_E || R_L = 470Ω || 1,2kΩ = 337,7Ω

Επειδή Ι_E = 11,2mA, η r_e προκύπτει ίση με 2,23Ω. Το κέρδος τάσης είναι:

Α = r_L / (r_L + r_e) = 337,7Ω / (337,7Ω + 2,23Ω) = 0,993

Έτσι, η ac τάση εξόδου είναι

v_out = Av_in = 0,993(100mV)=99,3mV

Παράδειγμα

Για τον ακόλουθο εκπομπού του σχήματος να βρεθεί το κέρδος τάσης , η σύνθετη αντίσταση εισόδου καθώς και το κέρδος ισχύος.

Λύση

Το κύκλωμα αυτό αναλύθηκε στο προηγούμενο παράδειγμα και βρέθηκε r_e= 2,23Ω. H ac αντίσταση φορτίου είναι

r_L = R_E || R_L = 470Ω || 120Ω = 102,5Ω

Το κέρδος τάσης είναι

Α = r_L / (r_L + r_e) = 102,5Ω / (102,5Ω + 2,23Ω) = 0,98

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου από τη βάση είναι

z_in(base) = β(r_L + r_e) = 200(102,5Ω + 2,23Ω) = 20,9kΩ

Η ολική σύνθετη αντίσταση εισόδου περιλαμβάνει τις αντιστάσεις πόλωσης και είναι

z_in = R₁ || R₂ || z_in(base)= 12kΩ || 12kΩ || 20,9kΩ = 4,66kΩ

Το κέρδος ισχύος είναι

G~= βr_L / (r_L + r_e) = 200(0,98) = 196