Схема с общим коллектором¶

Схема с общим коллектором — это одна из трёх базовых схем включения биполярного транзистора (наряду со схемами с общим эмиттером и общей базой), в которой вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей. В этой схеме входной сигнал подаётся между базой и коллектором, а выходной снимается с эмиттера относительно коллектора. Схема с общим коллектором также широко известна как эмиттерный повторитель благодаря тому, что напряжение на эмиттере повторяет по форме и фазе напряжение на базе, но с небольшим сдвигом (обычно на 0,6–0,7 В для кремниевых транзисторов). Основные свойства схемы: высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице, и значительное усиление по току.

¶История

Схема с общим коллектором была разработана в середине XX века в рамках развития теории транзисторных усилителей. Первые практические реализации эмиттерных повторителей появились в 1950-х годах, когда биполярные транзисторы начали вытеснять вакуумные лампы в радиоэлектронике. Изначально схема применялась в аналоговых вычислительных машинах и радиоприёмниках для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомными нагрузками. С развитием интегральных схем в 1960–1970-х годах эмиттерные повторители стали стандартным элементом операционных усилителей и логических микросхем (например, в эмиттерно-связанной логике — ЭСЛ). В СССР схема активно изучалась в рамках курсов электроники в технических вузах и применялась в промышленной аппаратуре, включая измерительные приборы и системы автоматики.

¶Принцип работы

¶Основные элементы

В схеме с общим коллектором биполярный транзистор (n-p-n или p-n-p типа) включается следующим образом:

• Коллектор подключается непосредственно к источнику питания (или через малое сопротивление) и является общим выводом.
• База служит входом, на неё подаётся входной сигнал относительно коллектора.
• Эмиттер является выходом, с него снимается выходной сигнал относительно коллектора.

В цепь эмиттера обязательно включается резистор нагрузки (Rэ), который задаёт ток покоя транзистора и обеспечивает падение напряжения, необходимое для работы схемы. Входной сигнал может подаваться через разделительный конденсатор для исключения влияния постоянной составляющей.

¶Режимы работы

Транзистор в схеме с общим коллектором работает в активном режиме (линейном усилении) или в режиме отсечки/насыщения (ключевой режим). В усилительном режиме напряжение база-эмиттер (Uбэ) поддерживается примерно постоянным (около 0,6–0,7 В для кремниевых транзисторов), что обеспечивает повторение входного напряжения на эмиттере. При подаче положительного полупериода входного сигнала на базу напряжение база-эмиттер увеличивается, ток коллектора и эмиттера возрастает, и напряжение на эмиттере (Uэ) увеличивается, следуя за входным. При отрицательном полупериоде процесс обратный.

¶Коэффициент усиления

Коэффициент усиления по напряжению (Kу) для схемы с общим коллектором вычисляется по формуле: Kу = Uвых / Uвх ≈ Rэ / (Rэ + rэ), где rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (обычно 1–50 Ом). Поскольку Rэ обычно значительно больше rэ, Kу близок к единице (0,95–0,99). Коэффициент усиления по току (Kт) равен коэффициенту передачи тока базы (β) транзистора, который может составлять от 20 до 1000 в зависимости от типа транзистора. Коэффициент усиления по мощности (Kм) равен произведению Kу и Kт, то есть примерно равен β.

¶Характеристики и параметры

¶Входное сопротивление

Входное сопротивление схемы с общим коллектором (Rвх) определяется как отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока. Оно вычисляется по формуле: Rвх = Rб || (β + 1) * (Rэ + rэ), где Rб — сопротивление в цепи базы (если есть), β — коэффициент усиления по току. Поскольку (β + 1) может достигать сотен и тысяч, входное сопротивление составляет от десятков килоом до нескольких мегаом, что значительно выше, чем у схемы с общим эмиттером (обычно 1–10 кОм). Это делает эмиттерный повторитель идеальным для согласования с высокоомными источниками сигнала (например, пьезодатчиками или микрофонами).

¶Выходное сопротивление

Выходное сопротивление (Rвых) схемы с общим коллектором низкое и определяется как: Rвых = rэ + Rб / (β + 1). Обычно оно составляет от единиц до десятков ом, что позволяет подключать низкоомные нагрузки (например, динамики или линии передачи) без значительных потерь сигнала. Для сравнения, выходное сопротивление схемы с общим эмиттером может достигать нескольких килоом.

¶Частотные свойства

Схема с общим коллектором обладает широкой полосой пропускания, так как ёмкость коллекторного перехода (Cк) не создаёт отрицательной обратной связи по переменному току (коллектор заземлён по переменному току). Верхняя граничная частота (fв) может достигать десятков мегагерц для низкочастотных транзисторов и гигагерц для высокочастотных. Однако из-за эффекта Миллера (ёмкость база-коллектор) в некоторых конфигурациях может наблюдаться снижение усиления на высоких частотах, но в целом эмиттерный повторитель менее чувствителен к этому эффекту, чем схема с общим эмиттером.

¶Классификация и разновидности

¶По типу транзистора

• На n-p-n транзисторе — наиболее распространённый вариант, где коллектор подключается к положительному полюсу источника питания, а эмиттер — к нагрузке, соединённой с общим проводом (землёй). Входной сигнал положительной полярности вызывает увеличение выходного напряжения.
• На p-n-p транзисторе — коллектор подключается к отрицательному полюсу источника питания, а эмиттер — к нагрузке, соединённой с общим проводом. Входной сигнал отрицательной полярности вызывает увеличение выходного напряжения.

¶По схеме включения нагрузки

• С резистором в эмиттере — классическая схема, где нагрузка (Rэ) включена между эмиттером и общим проводом. Используется для согласования и усиления тока.
• С динамической нагрузкой — вместо резистора применяется источник тока (например, транзисторный стабилизатор тока), что повышает линейность и выходное сопротивление. Такая схема часто используется в интегральных операционных усилителях.
• Двухтактный эмиттерный повторитель — состоит из двух транзисторов (n-p-n и p-n-p), работающих в противофазе, что позволяет усиливать как положительные, так и отрицательные полуволны сигнала без искажений. Применяется в выходных каскадах усилителей мощности (класс AB).

¶По назначению

• Согласующий каскад — для соединения высокоомного источника с низкоомной нагрузкой.
• Выходной каскад — в усилителях звуковой частоты, радиопередатчиках и импульсных устройствах.
• Буферный каскад — для изоляции предыдущих и последующих каскадов от взаимного влияния.

¶Применение

¶Согласование импедансов

Эмиттерный повторитель широко применяется для согласования высокоомных источников сигнала (например, датчиков, микрофонов, пьезоэлектрических преобразователей) с низкоомными нагрузками (кабели, динамики, входы последующих каскадов). Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлению, схема минимизирует потери сигнала и искажения.

¶Выходные каскады усилителей

В усилителях звуковой частоты (УЗЧ) и радиопередатчиках эмиттерные повторители используются в качестве выходных каскадов для обеспечения необходимого тока в нагрузке. Двухтактные эмиттерные повторители (класс AB) обеспечивают высокую линейность и низкий уровень нелинейных искажений, что важно для качественного звуковоспроизведения.

¶Логические схемы

В эмиттерно-связанной логике (ЭСЛ), которая была разработана в 1960-х годах, эмиттерные повторители применяются для формирования логических уровней и согласования выходов микросхем с линиями передачи. ЭСЛ отличается высокой скоростью переключения (до нескольких гигагерц) и используется в суперкомпьютерах и телекоммуникационном оборудовании.

¶Измерительная техника

В осциллографах, вольтметрах и других измерительных приборах эмиттерные повторители применяются в качестве буферных каскадов для зондов и входных цепей, чтобы не нагружать исследуемую цепь и не вносить искажений.

¶Стабилизаторы напряжения

В линейных стабилизаторах напряжения (например, серии 78xx) эмиттерный повторитель используется в качестве регулирующего элемента, обеспечивающего стабильное выходное напряжение при изменении нагрузки.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокое входное сопротивление (до нескольких мегаом), что позволяет подключать высокоомные источники.
• Низкое выходное сопротивление (единицы–десятки ом), обеспечивающее хорошее согласование с низкоомными нагрузками.
• Коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице, что минимизирует искажения сигнала.
• Широкая полоса пропускания и хорошие частотные свойства.
• Простота схемотехники и низкая стоимость компонентов.

¶Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (обычно 0,95–0,99), что делает схему непригодной для усиления напряжения.
• Требуется значительное напряжение питания (на 0,6–0,7 В выше, чем выходное напряжение) для компенсации падения на переходе база-эмиттер.
• Ограниченная мощность рассеяния на транзисторе при больших токах нагрузки.
• Возможны нелинейные искажения при работе вблизи режима насыщения или отсечки.

¶Сравнение с другими схемами включения

Схема с общим коллектором занимает промежуточное положение между схемой с общим эмиттером (усиление напряжения) и схемой с общей базой (усиление тока), но специализируется на согласовании импедансов и усилении тока.

¶Интересные факты

• Эмиттерный повторитель часто называют «истоковым повторителем» в полевых транзисторах, где аналогичная схема включения с общим стоком обладает ещё более высоким входным сопротивлением (до 10^12 Ом).
• В радиолюбительской практике эмиттерные повторители используются для создания простых усилителей для наушников и микрофонных предусилителей.
• В интегральных схемах эмиттерные повторители часто выполняются на комплементарных транзисторах (n-p-n и p-n-p) для создания двухтактных выходных каскадов с минимальными искажениями.
• Схема с общим коллектором является основой для так называемых «токовых зеркал» — устройств, копирующих ток с одного транзистора на другой, широко применяемых в аналоговых микросхемах.