Coleccionista común

Tipo de amplificador de transistores

Figura 1: Circuito colector común NPN básico (sin tener en cuenta los detalles de polarización ).

En electrónica , un amplificador de colector común (también conocido como seguidor de emisor ) es una de las tres topologías básicas de amplificador de transistor de unión bipolar (BJT) de una sola etapa , que se utiliza normalmente como amortiguador de voltaje .

En este circuito, el terminal base del transistor sirve como entrada, el emisor es la salida y el colector es común a ambos (por ejemplo, puede estar conectado a una referencia de tierra o a un riel de alimentación ), de ahí su nombre. El circuito análogo de transistor de efecto de campo es el amplificador de drenaje común y el circuito análogo de tubo es el seguidor de cátodo .

Circuito básico

Figura 2: Un amplificador de retroalimentación negativa

El circuito se puede explicar al considerar al transistor como si estuviera bajo el control de una retroalimentación negativa. Desde este punto de vista, una etapa de colector común (Fig. 1) es un amplificador con retroalimentación negativa en serie completa . En esta configuración (Fig. 2 con β = 1), todo el voltaje de salida V _out se coloca en sentido contrario y en serie con el voltaje de entrada V _in . Por lo tanto, los dos voltajes se restan de acuerdo con la ley de voltaje de Kirchhoff (KVL) (el restador del diagrama de bloques de función se implementa solo mediante el bucle de entrada), y su diferencia V _diff = V _in − V _out se aplica a la unión base-emisor. El transistor monitorea continuamente V _diff y ajusta su voltaje de emisor para que sea igual a V _in menos el casi constante V _BE al pasar la corriente de colector a través de la resistencia de emisor R _E . Como resultado, el voltaje de salida sigue las variaciones del voltaje de entrada desde V _BE hasta V ₊ ; de ahí el nombre de "seguidor de emisor".

Intuitivamente, este comportamiento también se puede entender si tenemos en cuenta que V _BE es muy insensible a los cambios de polarización, por lo que cualquier cambio en la tensión de base se transmite (con una buena aproximación) directamente al emisor. Depende ligeramente de varias perturbaciones (tolerancias del transistor, variaciones de temperatura, resistencia de carga, una resistencia de colector si se añade, etc.), ya que el transistor reacciona a estas perturbaciones y restablece el equilibrio. Nunca se satura incluso si la tensión de entrada alcanza el carril positivo.

Se puede demostrar matemáticamente que el circuito colector común tiene una ganancia de voltaje de casi la unidad:

${\displaystyle A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\approx 1.}$

Figura 3: Versión PNP del circuito seguidor de emisor, todas las polaridades están invertidas.

Un pequeño cambio de voltaje en el terminal de entrada se replicará en la salida (dependiendo levemente de la ganancia del transistor y del valor de la resistencia de carga ; consulte la fórmula de ganancia a continuación). Este circuito es útil porque tiene una gran impedancia de entrada.

${\displaystyle r_{\text{in}}\approx \beta _{0}R_{\text{E}},}$

Por lo que no cargará el circuito anterior y una pequeña impedancia de salida.

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{E}}\parallel R_{\text{source}}}{\beta _{0}}},}$

Para que pueda manejar cargas de baja resistencia.

Normalmente, la resistencia del emisor es significativamente más grande y se puede eliminar de la ecuación:

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{source}}}{\beta _{0}}}.}$

Aplicaciones

Figura 4: Seguidor de tensión NPN con polarización de fuente de corriente adecuado para circuitos integrados

La baja impedancia de salida del amplificador de colector común permite que una fuente con una gran impedancia de salida impulse una pequeña impedancia de carga sin cambiar su voltaje. Por lo tanto, este circuito encuentra aplicaciones como amortiguador de voltaje . En otras palabras, el circuito tiene ganancia de corriente (que depende en gran medida de la h _FE del transistor) en lugar de ganancia de voltaje. Un pequeño cambio en la corriente de entrada da como resultado un cambio mucho mayor en la corriente de salida suministrada a la carga de salida.

Un aspecto de la acción de amortiguación es la transformación de impedancias. Por ejemplo, la resistencia de Thévenin de una combinación de un seguidor de voltaje impulsado por una fuente de voltaje con alta resistencia de Thévenin se reduce a solo la resistencia de salida del seguidor de voltaje (una resistencia pequeña). Esa reducción de la resistencia hace que la combinación sea una fuente de voltaje más ideal. Por el contrario, un seguidor de voltaje insertado entre una pequeña resistencia de carga y una etapa de excitación presenta una gran carga a la etapa de excitación, una ventaja en el acoplamiento de una señal de voltaje a una carga pequeña.

Esta configuración se utiliza habitualmente en las etapas de salida de los amplificadores de clase B y clase AB . El circuito base se modifica para que el transistor funcione en modo clase B o AB. En el modo clase A , a veces se utiliza _una fuente de corriente activa en lugar de RE (Fig. 4) para mejorar la linealidad o la eficiencia. ^[1]

Características

A bajas frecuencias y utilizando un modelo híbrido-pi simplificado , se pueden derivar las siguientes características de señal pequeña . (El parámetro y las líneas paralelas indican componentes en paralelo ). ${\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}$

¿Dónde está la resistencia de fuente equivalente de Thévenin ? ${\displaystyle R_{\text{source}}\ }$

Derivaciones

Figura 5: Circuito de pequeña señal correspondiente a la Figura 3 que utiliza el modelo híbrido-pi para el transistor bipolar a frecuencias lo suficientemente bajas como para ignorar las capacitancias del dispositivo bipolar.

Figura 6: Circuito de señal pequeña de baja frecuencia para seguidor de voltaje bipolar con corriente de prueba en la salida para encontrar la resistencia de salida. Resistencia . ${\displaystyle R_{\text{E}}=R_{\text{L}}\parallel r_{\text{O}}}$

La figura 5 muestra un modelo híbrido-pi de baja frecuencia para el circuito de la figura 3. Utilizando la ley de Ohm , se han determinado varias corrientes y estos resultados se muestran en el diagrama. Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff en el emisor se encuentra:

${\displaystyle (\beta +1){\frac {v_{\text{in}}-v_{\text{out}}}{R_{\text{S}}+r_{\pi }}}=v_{\text{out}}\left({\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}}\right).}$

Defina los siguientes valores de resistencia:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}}$

Luego, reuniendo términos, se obtiene la ganancia de voltaje:

${\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {1}{1+{\frac {R}{R_{\text{E}}}}}}.}$

A partir de este resultado, la ganancia se acerca a la unidad (como se esperaba para un amplificador buffer ) si la relación de resistencia en el denominador es pequeña. Esta relación disminuye con valores mayores de ganancia de corriente β y con valores mayores de . La resistencia de entrada se encuentra como ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{in}}&={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{b}}}}={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{1-A_{\text{v}}}}\\&=\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\text{E}}}{R}}\right)\\&=R_{\text{S}}+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}.\end{aligned}}}$

La resistencia de salida del transistor normalmente es grande en comparación con la carga y, por lo tanto, domina . A partir de este resultado, la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la resistencia de carga de salida para una gran ganancia de corriente . Es decir, colocar el amplificador entre la carga y la fuente presenta una carga mayor (de alta resistencia) a la fuente que el acoplamiento directo a , lo que da como resultado una menor atenuación de la señal en la impedancia de la fuente como consecuencia de la división de voltaje . ${\displaystyle r_{\text{O}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{E}}}$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle R_{\text{L}}}$ ${\displaystyle R_{\text{S}}}$

La figura 6 muestra el circuito de pequeña señal de la figura 5 con la entrada en cortocircuito y una corriente de prueba aplicada a su salida. La resistencia de salida se encuentra utilizando este circuito como

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}.}$

Utilizando la ley de Ohm, se han encontrado varias corrientes, como se indica en el diagrama. Reuniendo los términos para la corriente de base, la corriente de base se encuentra como

${\displaystyle (\beta +1)i_{\text{b}}=i_{\text{x}}-{\frac {v_{\text{x}}}{R_{\text{E}}}},}$

donde se define arriba. Usando este valor para la corriente de base, la ley de Ohm proporciona ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle v_{\text{x}}=i_{\text{b}}\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right).}$

Sustituyendo la corriente base y reuniendo términos,

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}=R\parallel R_{\text{E}},}$

donde || denota una conexión en paralelo, y se define arriba. Debido a que generalmente es una resistencia pequeña cuando la ganancia de corriente es grande, domina la impedancia de salida, que por lo tanto también es pequeña. Una impedancia de salida pequeña significa que la combinación en serie de la fuente de voltaje original y el seguidor de voltaje presenta una fuente de voltaje de Thévenin con una resistencia de Thévenin menor en su nodo de salida; es decir, la combinación de fuente de voltaje con seguidor de voltaje hace una fuente de voltaje más ideal que la original. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle R}$

Véase también

• Portal de electrónica

• Base común
• Emisor común
• Puerta común
• Drenaje común
• Fuente común
• Pin de fuente de alimentación del CI
• Coleccionista abierto
• Red de dos puertos

Referencias

1. Rod Elliot: Amplificador de potencia de clase A de 20 vatios

Enlaces externos

• R Victor Jones: Configuraciones básicas del amplificador BJT
• Amplificador de colector común NPN — HyperPhysics
• Theodore Pavlic: ECE 327: Fundamentos de transistores; parte 6: npn emisor seguidor
• Doug Gingrich: El amplificador colector común de la Universidad de Alberta
• Raymond Frey: ejercicios de laboratorio de la Universidad de Oregon