Coleccionista común

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, típicamente Se utiliza 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 para ambos (por ejemplo, puede estar conectado a una referencia a tierra o a una carril de alimentación), de ahí su nombre. El circuito análogo del transistor de efecto de campo es el amplificador de drenaje común y el circuito análogo del tubo es el seguidor del cátodo.

Circuito básico

El circuito se puede explicar considerando que el transistor está 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), toda la tensión de salida V_out se coloca en contra y en serie con la tensión de entrada V_en. 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 funciones 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 igualar V_in menos el mayoritariamente constante. V_BE haciendo pasar la corriente del colector a través de la resistencia del 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 "seguidor emisor".

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

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

${displaystyle A_{v}={frac {fnK} {fnK}} {fnK}} {fnK}}} {fn}}} {fn}} {fn}}}}}} {fn}}}}}} {fn}}}}}} {fn}}}}}}}} {fnf}}}}} {f}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} 1.}$

Un pequeño cambio de voltaje en el terminal de entrada se replicará en la salida (dependiendo ligeramente 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.

${displaystyle r_{text{in}approx beta.$

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

${displaystyle. ¿Qué? ♪♪$

para que pueda impulsar cargas de baja resistencia.

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

${displaystyle. - Sí.$

Aplicaciones

La baja impedancia de salida permite que una fuente con una impedancia de salida grande impulse una impedancia de carga pequeña; Funciona como un amortiguador de voltaje. En otras palabras, el circuito tiene ganancia de corriente (que depende en gran medida del h_FE del transistor) en lugar de ganancia de voltaje, por sus características es el preferido en muchos sistemas electrónicos. dispositivos. 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 amortiguadora es la transformación de impedancias. Por ejemplo, la resistencia Thévenin de una combinación de un seguidor de voltaje impulsado por una fuente de voltaje con alta resistencia Thévenin se reduce solo a la resistencia de salida del seguidor de voltaje (una resistencia pequeña). Esa reducción de resistencia hace que la combinación sea una fuente de voltaje más ideal. Por el contrario, un seguidor de voltaje insertado entre una resistencia de carga pequeña y una etapa impulsora presenta una carga grande para la etapa impulsora, una ventaja al acoplar una señal de voltaje a una carga pequeña.

Esta configuración se usa comúnmente en las etapas de salida de amplificadores de clase B y clase AB. El circuito base se modifica para operar el transistor en modo clase B o AB. En el modo clase A, a veces se utiliza una fuente de corriente activa en lugar de R_E (Fig. 4) para mejorar la linealidad y/o la eficiencia.

Características

En frecuencias bajas y utilizando un modelo híbrido-pi simplificado, se pueden derivar las siguientes características pequeñas-signales. (Parameter ${displaystyle beta =g_{m}r_{pi }$ y las líneas paralelas indican componentes en paralelo.)

	Definición	Expresión	Expresión aproximada	Condiciones
Ganancia actual	${displaystyle A_{mathrm} }={i_{out} {fnK}}$	${displaystyle beta _{0}+1 }$	${displaystyle approx beta ¿Qué?$	${displaystyle beta _{0}gg 1}$
Ganancia de tensión	${displaystyle A_{mathrm} }={v_{out} {fn}}$	${displaystyle {g_{m}R_{E} over g_{m}R_{E}+1}$	${displaystyle approx 1}$	${displaystyle G_{m}R_{E}gg 1}$
Resistencia a la entrada	${displaystyle ¿Qué? {fnK}} {fn}} {fnK}}}}} {fn}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}} {fn}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$	${displaystyle r_{pi}+(beta _{0}+1)R_{text{E} }$	${displaystyle approx beta ¿Qué?$	${displaystyle (g_{m}R_{text{E}gg 1)wedge (beta _{0}gg 1)}$
Resistencia al producto	${displaystyle ¿Qué? {fnK}} {fnK}} {fnK}}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$	${displaystyle Paralela }+R_{text{source} over beta ¿Qué?$	${displaystyle approx {1 over G_{m}+{R_{text{source} over beta - Sí.$	${displaystyle (beta _{0}gg 1)wedge (r_{text{in}gg R_{text{source}}}}$

Donde ${displaystyle R_{text{source}$ es la resistencia de origen equivalente de Thévenin.

Derivaciones

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

${displaystyle (beta +1){frac {fnK} {fn}fnK} {fnK}}f}fnK}f} }=v_{out}left({frac {1} {fn}} {fnMicroc}} {1} {r_{text{O}}}derecha).}$

Defina los siguientes valores de resistencia:

${displaystyle {begin{aligned}{frac} {1} {fn}} {fnMicroc}}} {fnMicroc} {1} {fn}} {fnMicroc}} {1}{text{O}}}}\[2pt]R {R_{text{S}+r_{pi}{beta +1}}end{aligned}}}$

Luego, recopilando términos, se encuentra la ganancia de voltaje:

${displaystyle A_{text{v}={frac {fnK} {fnK}} {fnK}} {fnK}} {fnK}}} {fn}}} {fn}} {fn}}}}}} {fnK}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {fnf}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}} {f} {f}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}} {f}} {f} {f}}}}}}}}}}}}} {f}}} {f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {1}{1+{frac} - Sí.$

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

${displaystyle {begin{aligned}R_{text{in} {fnK} {fnK}} {fnK}} {f}}} {fnK}}} {f}} {f}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {\\f}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {R_{text{S}+r_{pi} {fnh}\fnh}\fnh}\fnh}\fnh}\pcH}\cH}}\\\cH0}}\\\cH}\\\cH}}}\\\\cH0}}}\\\\\\\\\\\\cH\\\\cH0}}\\\\cHcH\\cH\\cHcH}}}}}\\\\\\\\\\\cH\\\\\\\\\\\\\\\cH}}}}}\\\\cH}\\\\\\cH }right)left(1+{frac {R_{text{E}} {R}}}derecho)\\\cH00\s}+r_{pi }+(beta +1)R_{text{E}end{aligned}}}}$

Resistencia de salida transistor ${displaystyle.$ normalmente es grande en comparación con la carga ${displaystyle R_{text{L}}$, y por consiguiente ${displaystyle R_{text{L}}$ dominados ${displaystyle R_{text{E}}$. De este resultado, la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la resistencia de la carga de salida ${displaystyle R_{text{L}}$ para grandes ganancias corrientes ${displaystyle beta }$. Es decir, colocar el amplificador entre la carga y la fuente presenta una carga mayor (alta-resistiva) a la fuente que el acoplamiento directo a ${displaystyle R_{text{L}}$, que resulta en menos atenuación de señal en la impedancia fuente ${displaystyle R_{text{S}}$ como consecuencia de la división de tensión.

La Figura 6 muestra el circuito de pequeña señal de la Figura 5 con la entrada en cortocircuito y una corriente de prueba colocada en su salida. La resistencia de salida se encuentra usando este circuito como

${displaystyle R_{text{out}={frac} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}$

Utilizando la ley de Ohm se han encontrado diversas corrientes, como se indica en el diagrama. Al recopilar los términos de la corriente base, la corriente base se encuentra como

${displaystyle (beta +1)i_{b}=i_{text{x}-{frac} {fnK}} {fnK}} {fnK}}}} {f}}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

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

${displaystyle ¿Qué?$

Sustituyendo la base actual y recopilando términos,

${displaystyle R_{text{out}={frac} {fnK}} {fnK}}=Rparallel R_{text{E},}$

en el que TENEDA DEnota una conexión paralela, y ${displaystyle R.$ se define arriba. Porque... ${displaystyle R.$ generalmente es una pequeña resistencia cuando la ganancia actual ${displaystyle beta }$ es grande, ${displaystyle R.$ domina la impedancia de salida, que por lo tanto también es pequeña. Una pequeña impedancia de salida significa que la combinación de la fuente de voltaje original y el seguidor de voltaje presenta una fuente de voltaje de Thévenin con una resistencia de Thévenin baja en su nodo de salida; es decir, la combinación de fuente de voltaje con seguidor de voltaje hace una fuente de tensión más ideal que la original.