Bộ khuếch đại thu chung

Bộ khuếch đại thu chung

Bộ khuếch đại Collector chung tạo ra điện áp đầu ra trên tải bộ phát của nó cùng pha với tín hiệu đầu vào

Các Common Collector Amplifier là một loại bjt, (BJT) cấu hình nơi các tín hiệu đầu vào được áp dụng cho các thiết bị đầu cuối cơ sở và tín hiệu đầu ra được lấy từ các thiết bị đầu cuối phát. Do đó đầu cuối cực thu là chung cho cả mạch đầu vào và đầu ra. Loại cấu hình này được gọi là Bộ thu chung, (CC) vì cực thu được “nối đất” hoặc “nối đất” hiệu quả thông qua nguồn điện.

Trong nhiều phương diện cấu hình thu chung (CC) là mặt trái của phát chung (CE) cấu hình như các điện trở tải kết nối được thay đổi từ thiết bị đầu cuối thu cho R C đến nhà ga phát cho R E .

Cấu hình bộ thu chung hoặc bộ thu nối đất thường được sử dụng khi nguồn đầu vào trở kháng cao cần được kết nối với tải đầu ra trở kháng thấp yêu cầu độ lợi dòng cao. Hãy xem xét mạch khuếch đại bộ thu chung dưới đây.

Bộ khuếch đại thu chung sử dụng bóng bán dẫn NPN

Các điện trở R 1 và R 2 tạo thành một mạng phân áp đơn giản được sử dụng để phân cực transistor NPN thành dẫn điện. Vì bộ phân áp này tải nhẹ bóng bán dẫn, điện áp cơ bản, V B có thể dễ dàng được tính toán bằng cách sử dụng công thức phân áp đơn giản như được hiển thị.

Mạng phân chia điện áp

Với thiết bị đầu cuối thu của transistor nối trực tiếp với V CC và không có khả năng chống nhà sưu tập, (R C = 0) bất kỳ nhà sưu tập hiện tại sẽ tạo ra một điện áp rơi trên điện trở R phát E .

Tuy nhiên, trong mạch khuếch đại cực thu chung, điện áp giảm tương tự, V E cũng đại diện cho điện áp ra, V OUT .

Lý tưởng nhất là chúng ta muốn điện áp DC giảm trên R E bằng một nửa điện áp nguồn, V CC để làm cho điện áp đầu ra tĩnh của bóng bán dẫn nằm ở đâu đó ở giữa các đường cong đặc tính cho phép tín hiệu đầu ra tối đa không bị lật. Do đó sự lựa chọn R E phụ thuộc rất nhiều vào I B và độ lợi dòng điện của bóng bán dẫn Beta, β .

Khi điểm tiếp giáp pn của bộ phát gốc được phân cực thuận, dòng điện cơ bản chạy qua điểm nối tới bộ phát khuyến khích hoạt động của bóng bán dẫn gây ra dòng thu lớn hơn nhiều, I C chảy qua. Do đó, phát hiện nay là sự kết hợp của hiện tại cơ sở và nhà sưu tập hiện nay như: Tôi E  = I B  + I C . Tuy nhiên, vì dòng điện cơ bản là cực kỳ nhỏ so với dòng điện thu, do đó dòng điện phát ra xấp xỉ bằng dòng điện thu. Do đó I E  ≈ I C

Như với cấu hình bộ khuếch đại emitter (CE) thông thường, tín hiệu đầu vào được áp dụng cho đầu cuối cơ sở của bóng bán dẫn và như chúng ta đã nói trước đây, tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại được lấy từ đầu cực phát của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, vì chỉ có một điểm tiếp giáp pn phân cực thuận giữa đế của bóng bán dẫn và đầu cuối bộ phát của nó, nên bất kỳ tín hiệu đầu vào nào được áp dụng cho đế đều đi trực tiếp qua điểm nối tới bộ phát. Do đó, tín hiệu đầu ra có mặt tại bộ phát cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng tại gốc.

Khi tín hiệu khuếch đại đầu ra được lấy từ trên tải phát thải loại cấu hình transistor còn được gọi là một Emitter người theo dõi mạch như sản lượng phát thải “sau” hoặc bài hát bất kỳ thay đổi điện áp tín hiệu đầu vào cơ bản, ngoại trừ việc nó vẫn còn khoảng 0,7 volt (V BE ) dưới điện áp cơ bản. Do đó V IN và V OUT cùng pha tạo ra độ lệch pha bằng không giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra.

Phải nói rằng, điểm nối pn của bộ phát hoạt động hiệu quả như một điốt phân cực thuận và đối với tín hiệu đầu vào AC nhỏ, điểm tiếp giáp điốt phát này có điện trở được cho bởi: r ' e  = 25mV / I e trong đó 25mV là điện áp nhiệt của điểm nối ở nhiệt độ phòng (25 o C) và I e là dòng phát. Vì vậy, khi dòng phát tăng lên, điện trở của bộ phát giảm một lượng tỷ lệ thuận.

Các cơ sở hiện tại mà chảy qua kháng ngã ba base-emitter nội bộ này cũng chảy ra và thông qua các điện trở phát kết nối bên ngoài, R E . Hai điện trở này được mắc nối tiếp do đó hoạt động như một mạng phân chia tiềm năng tạo ra sụt áp. Vì giá trị của r ' e rất nhỏ và R E lớn hơn nhiều, thường nằm trong phạm vi kilohms (kΩ), do đó độ lớn của điện áp đầu ra của bộ khuếch đại nhỏ hơn điện áp đầu vào của nó.

Tuy nhiên, trong thực tế, độ lớn của điện áp đầu ra (đỉnh-đến-đỉnh) thường nằm trong giá trị 98 đến 99% của điện áp đầu vào, đủ gần trong hầu hết các trường hợp để được coi là độ lợi hợp nhất.

Chúng ta có thể tính toán độ lợi điện áp, V A của bộ khuếch đại cực thu chung bằng cách sử dụng công thức phân áp như được hiển thị với giả định rằng điện áp cơ bản, V B thực sự là điện áp đầu vào, V IN .

Tăng điện áp bộ khuếch đại thu chung

Vì vậy bộ khuếch đại cực thu chung không thể cung cấp khả năng khuếch đại điện áp và một biểu thức khác được sử dụng để mô tả mạch khuếch đại bộ thu chung là như một mạch theo điện áp vì những lý do rõ ràng. Do đó, vì tín hiệu đầu ra theo sát đầu vào và cùng pha với đầu vào nên mạch thu chung do đó là bộ khuếch đại độ lợi điện áp thống nhất không đảo.

Ví dụ về bộ khuếch đại thu chung số 1

Bộ khuếch đại cực thu chung được cấu tạo bằng cách sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực NPN và mạng phân cực phân áp. Nếu R 1  = 5k6Ω, R 2  = 6k8Ω và điện áp nguồn là 12 vôn. Tính các giá trị của: V B , V C và V E , cường độ dòng điện phát ra I E , điện trở trong của máy phát r ' e và điện áp của bộ khuếch đại đạt được A V khi sử dụng điện trở tải 4k7Ω. Đồng thời vẽ mạch cuối cùng và đường đặc tính tương ứng với đường tải.

1. Điện áp xu hướng cơ sở, V B

2. điện áp Collector, V C . Vì không có điện trở tải của bộ góp, đầu cực bộ thu của bóng bán dẫn được kết nối trực tiếp với đường ray cung cấp DC, do đó V C = V CC = 12 volt.

3. Điện áp xu hướng phát, V E

4. Máy phát hiện tại, tôi E

5. Điện trở máy phát AC, r ' e

6. Tăng điện áp, A V

Mạch khuếch đại bộ thu chung với dòng tải

Trở kháng đầu vào bộ thu chung

Mặc dù bộ khuếch đại cực thu thông thường không tốt trong việc trở thành bộ khuếch đại điện áp, bởi vì như chúng ta đã thấy, độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ của nó xấp xỉ bằng một (A V  ≅ 1), tuy nhiên, nó tạo ra một mạch đệm điện áp rất tốt do Trở kháng đầu vào cao (Z IN ) và trở kháng đầu ra thấp (Z OUT ), cung cấp sự cách ly giữa nguồn tín hiệu đầu vào khỏi tải trở kháng tải.

Một tính năng hữu ích khác của bộ khuếch đại thu chung là nó cung cấp độ lợi dòng điện (A i ) miễn là nó đang dẫn. Đó là nó có thể vượt qua một dòng điện lớn chảy từ các nhà sưu tập với emitter, để đáp ứng với một sự thay đổi nhỏ để hiện tại cơ sở của nó, tôi B . Hãy nhớ rằng DC hiện nay chỉ nhìn thấy R E như không có R C . Khi đó dòng điện một chiều đơn giản là: V CC / R E có thể lớn nếu R E nhỏ.

Hãy xem xét cấu hình bộ khuếch đại bộ thu hoặc bộ theo bộ phát chung cơ bản bên dưới.

Cấu hình Bộ khuếch đại Bộ thu chung

Để phân tích xoay chiều của mạch, các tụ điện bị ngắn mạch và V CC bị ngắn mạch (trở kháng bằng không). Do đó, mạch tương đương được đưa ra như được hiển thị với dòng điện và điện áp xu hướng được cho là:

 

Trở kháng đầu vào, Z IN của cấu hình bộ thu chung nhìn vào đế được đưa ra là:

Nhưng khi Beta, β nói chung lớn hơn 1 (thường trên 100), biểu thức của: β + 1 có thể được rút gọn thành chỉ Beta, β khi phép nhân với 100 hầu như giống như phép nhân với 101. Do đó:

Trở kháng cơ sở của bộ khuếch đại thu chung

Trong đó: β là độ lợi dòng điện của bóng bán dẫn, R e là điện trở cực phát tương đương và r ' e là điện trở xoay chiều của điốt gốc phát. Lưu ý rằng vì giá trị kết hợp của R e thường lớn hơn nhiều so với điện trở tương đương của điốt, r ' e (kilo-ohms so với một vài ohms) trở kháng cơ bản của bóng bán dẫn có thể được đưa ra đơn giản là: β * R e .

Một điểm thú vị cần lưu ý ở đây là trở kháng cơ bản đầu vào của bóng bán dẫn, Z IN (cơ sở) có thể được điều khiển bởi giá trị của điện trở chân bộ phát, R E hoặc điện trở tải R L khi chúng được kết nối song song.

Trong khi phương trình trên cho chúng ta trở kháng đầu vào khi nhìn vào chân đế của bóng bán dẫn, nó không cung cấp cho chúng ta trở kháng đầu vào thực sự mà tín hiệu nguồn sẽ thấy khi nhìn vào mạch khuếch đại hoàn chỉnh. Đối với điều đó, chúng ta cần phải xem xét hai điện trở tạo thành mạng phân áp phân áp. Như vậy:

Trở kháng đầu vào bộ khuếch đại thu chung

Ví dụ về bộ sưu tập chung số 2

Sử dụng mạch khuếch đại cực thu chung trước đó ở trên, tính trở kháng đầu vào của đế bóng bán dẫn và tầng khuếch đại nếu điện trở tải, R L là 10kΩ và độ lợi dòng điện bóng bán dẫn NPN là 100.

1. Điện trở máy phát AC, r ' e

2. Điện trở tải tương đương, R e

3. Trở kháng cơ bản của bóng bán dẫn, Z BASE

2. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, Z IN (GIAI ĐOẠN)

Vì trở kháng cơ bản của bóng bán dẫn là 322kΩ cao hơn nhiều so với trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại chỉ 2,8kΩ , do đó, trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thu chung được xác định bằng tỷ số của hai điện trở phân cực, R 1 và R 2 .

Trở kháng đầu ra bộ thu chung

Để xác định trở kháng đầu ra Z OUT của bộ khuếch đại CC khi nhìn từ tải trở lại đầu cực phát của bộ khuếch đại, trước tiên chúng ta phải loại bỏ tải vì chúng ta muốn xem điện trở hiệu dụng của bộ khuếch đại đang truyền tải. Do đó, mạch tương đương xoay chiều nhìn vào đầu ra của bộ khuếch đại được cho là:

Từ trên, trở kháng đầu vào của mạch cơ bản được cho là: R B  = R 1 || R 2 . Mức tăng hiện tại của bóng bán dẫn được cho là: β . Do đó, phương trình đầu ra được đưa ra là:

Khi đó chúng ta có thể thấy rằng điện trở cực phát, R E có hiệu quả song song với toàn bộ trở kháng của bóng bán dẫn quay trở lại đầu cực phát của nó.

Nếu chúng ta tính toán trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại bộ phát chung của chúng ta bằng cách sử dụng các giá trị thành phần từ trên xuống, nó sẽ cho trở kháng đầu ra Z OUT nhỏ hơn 50Ω (49,5Ω) nhỏ hơn nhiều so với trở kháng đầu vào cao hơn, Z IN (BASE) đã tính toán trước đó.

Do đó, chúng ta có thể thấy rằng cấu hình Bộ khuếch đại thu chung có, từ tính toán, trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra rất thấp cho phép nó truyền tải trở kháng thấp. Trong thực tế, do các bộ khuếch đại CC trở kháng đầu vào tương đối cao và trở kháng đầu ra rất thấp nên nó thường được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm độ lợi thống nhất.

Sau khi xác định rằng trở kháng đầu ra, Z OUT của bộ khuếch đại ví dụ của chúng tôi ở trên là xấp xỉ 50Ω theo tính toán, nếu bây giờ chúng ta kết nối trở lại điện trở tải 10kΩ vào mạch, trở kháng đầu ra kết quả sẽ là:

Mặc dù điện trở tải là 10kΩ, nhưng điện trở đầu ra tương đương vẫn ở mức thấp 49,3Ω. Điều này là do R L lớn so với Z OUT , do đó để truyền công suất cực đại, R L phải bằng Z OUT . Vì mức tăng điện áp của bộ khuếch đại thu chung được coi là thống nhất (1), nên mức tăng công suất của bộ khuếch đại phải bằng với mức tăng dòng của nó, vì P = V * I.

Vì độ lợi dòng điện của bộ thu chung được định nghĩa là tỷ số của dòng điện phát ra so với dòng điện cơ bản, γ = I E / I B  = β + 1 , do đó độ lợi dòng điện của bộ khuếch đại phải xấp xỉ bằng Beta (β) như β + 1 hầu như giống với Beta.

Tóm tắt về Bộ sưu tập chung

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn này về Common Collector Amplifier rằng nó được tên của nó vì nhà ga thu của BJT là chung cho cả đầu vào và đầu ra mạch như không có kháng thu, R C .

Mức tăng điện áp của bộ khuếch đại cực thu chung xấp xỉ bằng thống nhất (A v  ≅ 1) và mức tăng hiện tại của nó, A i xấp xỉ bằng Beta, (A i ≅β) tùy thuộc vào giá trị của bóng bán dẫn cụ thể Giá trị Beta có thể yên tĩnh cao.

Chúng tôi cũng đã thấy thông qua tính toán, rằng trở kháng đầu vào, Z IN cao trong khi trở kháng đầu ra của nó, Z OUT thấp nên nó hữu ích cho các mục đích kết hợp trở kháng (hoặc kết hợp điện trở) hoặc làm mạch đệm giữa nguồn điện áp và mức thấp trở kháng tải.

Khi bộ khuếch đại cực thu chung (CC) nhận tín hiệu đầu vào của nó đến đế với điện áp đầu ra được lấy từ tải của bộ phát, điện áp đầu vào và đầu ra là "cùng pha" ( lệch pha 0 o ) do đó cấu hình bộ thu chung sẽ đi bằng tên thứ cấp của Emitter Follower vì điện áp đầu ra (điện áp phát) theo sau điện áp cơ sở đầu vào.