共集极

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图1:基本NPN型共集极电路

电子学中,共集极英语Common collector)放大器是双极性晶体管bipolar junction transistor (BJT)放大器电路的三种基本组成方式之一(另外两种为共射极共基极),通常被用在电压缓冲器中。在这种电路接法里,晶体管的基极充当输入端,射极则充当输出端,集电极作为二者的公共端(例如接地或者连接到一个电源),“共集极”因此得名。在场效应管中,类似的概念称作共漏极

基本电路[编辑]

图2:负反馈放大器的框图

共集极电路可以将晶体管看作是受负反馈控制。从这个观点来看,上图所示的放大器具有连续负反馈。在右面的方框图中,β = 1,输出信号VOUT的全幅值被反相引回输入端并与输入信号VIN叠加。这样,根据基尔霍夫电路定律得到两个电压的差值Vdiff = VIN - VOUT并施加在基极、射极之间。晶体管能够连续不断地监视Vdiff,并通过流经射极电阻RE的电流来调节射极电压,使输出电压几乎达到输入电压。其结果是,输出电压“随着”输入电压值在VBEO与V+之间变化。因此,共集极电路也可以称作射极跟随器(emitter follower)。作为直觉,放大器电路的这一行为也可以这样理解:晶体管中基极-射极电压对于偏置电压十分敏感,所以基极电压的改变会传至射极。电路的一些参数将会影响输出值与输入电压的偏差,例如温度漂移、负载电阻、集极电阻(如果有)等。即使输入电压达到电源电压V+,电路也不会达到饱和状态。

共集极电路的电压增益表示为:[1]

{A_\mathrm{v}} = {v_\mathrm{out} \over v_\mathrm{in}} \approx 1
图3:PNP形式的射极跟随器电路

电路输入端的较小变化可以在输出端被复制(偏差取决于晶体管的增益以及负载电阻的数值,请见以下公式)。这个电路由于具有很大的输入阻抗input impedance),对前一级电路相当于断路,因而十分有用:

r_\mathrm{in} \approx \beta_0 R_\mathrm{E}

同时,共集极电路具有较小的输出阻抗,因此可以驱动低电阻负载:

r_\mathrm{out} \approx {R_\mathrm{E}} \| {R_\mathrm{source} \over \beta_0}

典型的情况是,射极电阻很大,因此可以从上式中略去:

r_\mathrm{out} \approx {R_\mathrm{source} \over \beta_0}

应用[编辑]

图4:NPN电压跟随器,具有电流源为后级集成电路提供偏置

共集极电路较小的输出阻抗允许一个本来具有大输出阻抗的信号源驱动一个下一级小阻抗的负载,其功能相当于一个电压缓冲器。换句话说,这个电路具有显著的电流增益(其大小取决于晶体管的hFE),而电压增益近似为1。[1]输入电流的微小变化都会在输出端成倍地输出给负载。

共集极电压缓冲器的一个特点是其对于电路阻抗的改变。例如,大输出阻抗的电压源与跟随器相连之后,其对于后一级电路的等效输出电阻将只表现为共集极电路这一级本身的输出阻抗。这使得电压源的工作情况更为理想。相反的,从前一级的电压源往后看,后一级电路等效的输入电阻将会增大。

这种电路配置通常被用在B类AB类放大器电路。另外,在A类放大器电路中,有时会使用一个电流源而不是RE来改善电路的线性以及效率。[2]

性质[编辑]

在低频电路中,可以使用混合pi模型来进行计算。下表中,参数\beta=g_m r_{\pi},竖直的两条平行线表示求其左右两边电阻的并联等效。

定义 表达式 近似值 条件
电流增益  {A_\mathrm{i}} = {i_\mathrm{out} \over i_\mathrm{in}}  \beta_0 + 1 \  \approx \beta_0  \beta_0 \gg 1
电压增益  {A_\mathrm{v}} = {v_\mathrm{out} \over v_\mathrm{in}}  {g_m R_\mathrm{E} \over g_m R_\mathrm{E} + 1}  \approx 1  g_m R_\mathrm{E} \gg 1
输入阻抗  r_\mathrm{in} = \frac{v_{in}}{i_{in}}  r_\pi + (\beta_0 + 1) R_\mathrm{E}\   \approx \beta_0 R_\mathrm{E}  (g_m R_\mathrm{E} \gg 1) \wedge (\beta_0 \gg 1)
输出阻抗  r_\mathrm{out} = \frac{v_{out}}{i_{out}}  R_\mathrm{E} || \left( {r_\pi + R_\mathrm{source} \over \beta_0 + 1} \right)  \approx {1 \over g_m} + {R_\mathrm{source} \over \beta_0}  (\beta_0 \gg 1) \wedge (r_\mathrm{in} \gg R_\mathrm{source})

另外,R_\mathrm{source} \ 表示戴维南定理中前一级电路的等效输出电阻。

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 童诗白、华成英 主编. 模拟电子技术基础(第四版). 高等教育出版社. ISBN 978-7-04-018922-3. 
  2. ^ Rod Elliot: 20-watt class A power amplifier

外部链接[编辑]