Amplificatorul cu colector comun este un alt tip de tranzistor bipolar cu joncțiune (BJT), configurație în care semnalul de intrare este aplicat la terminalul Bază și semnalul de ieșire luat de la terminalul Emitor. Astfel terminalul Colector este comun atât circuitului de intrare cât și de ieșire. Acest tip de configurare este denumit Colector Comun, (CC) deoarece terminalul Colector este efectiv „împământat” sau „legat la masă” prin intermediul sursei de alimentare.

În multe feluri configurația de colector comun (CC) este inversul configurației emitor comun (CE) deoarece rezistorul de sarcină conectat este schimbat de la terminalul colector pentru RC la terminalul emitor pentru RE.

Configurația colector comun sau colector la masă este frecvent utilizată în cazul în care o sursă cu intrare de impedanță ridicată trebuie conectată la o sarcină de ieșire cu impedanță joasă care necesită un câștig mare de curent. Considerați circuitul amplificator cu colector comun de mai jos.

Amplificator cu colector comun folosind un tranzistor NPN

Rezistoarele R1 și R2 formează o rețea simplă de divizare a tensiunii, utilizată pentru a polariza tranzistorul NPN în conducție. Deoarece acest divizor de tensiune încarcă ușor tranzistorul, tensiunea bazei, VB poate fi calculată cu ușurință folosind formula divizorului de tensiune simplu, așa cum este arătat mai jos.

În mod ideal, am dori căderea de tensiune continuă pe RE să fie egală cu jumătate din tensiunea de alimentare, VCC pentru a face ca tensiunea de ieșire statică (quiescent) a tranzistorilor să fie situată undeva în mijlocul curbelor caracteristice care să permită un semnal maxim de ieșire netăiat. Astfel, alegerea lui RE depinde foarte mult de IB și de câștigul de curent al tranzistorilor Beta, β.

Deoarece joncțiunea-pn bază-emitor este polarizată direct, curentul de bază trece prin joncțiune la emitor încurajând acțiunea tranzistorului de a provoca curgerea unui curent de colector mult mai mare, IC. Astfel, curentul de emitor este o combinație a curentului de bază și a curentului de colector ca: IE = IB + IC. Dar, întrucât curentul de bază este extrem de mic în comparație cu curentul de colector, curentul de emitor este, prin urmare, aproximativ egal cu curentul de colector. Astfel IE ≈ IC.

La fel ca în configurația amplificatorului cu emitor comun (CE), semnalul de intrare este aplicat terminalului Bază al tranzistoarelor, iar așa cum am spus anterior, semnalul de ieșire al amplificatoarelor este preluat de la terminalul Emitor. Dar, întrucât există o singură joncțiune-pn polarizată direct între Baza tranzistoarelor și terminalul Emitor, orice semnal de intrare aplicat pe Bază trece direct prin joncțiune către Emitor. Prin urmare, semnalul de ieșire prezent la Emitor este în fază cu semnalul de intrare aplicat la Bază.

Întrucât semnalul de ieșire al amplificatoarelor este preluat de pe sarcina emitorului, acest tip de configurație a tranzistorului este cunoscut și sub denumirea de circuit Repetor pe Emitor, deoarece ieșirea emitorului „urmărește” sau repetă orice variații de tensiune la semnalul de intrare pe Bază, cu excepția faptului că acesta rămâne aproximativ 0,7 volți (VBE) sub tensiunea Bazei. Astfel VIN și VOUT sunt în fază producând diferența de fază zero între semnalele de intrare și ieșire.

Acestea fiind spuse, joncțiunea-pn bază-emitor acționează efectiv ca o diodă polarizată direct și pentru semnale de intrare AC mici, această joncțiune a diodei de emitor are o rezistență dată de: r'e = 25mV/Ie unde 25mV este tensiunea termică a joncțiunii la temperatura camerei (25^oC) și Ie este curentul de emitor. Deci, pe măsură ce curentul de emitor crește, rezistența de emitor scade cu o cantitate proporțională.

Curentul de Bază care curge prin această rezistență internă a joncțiunii bază-emitor curge și afară prin rezistorul de emitor conectat extern, RE. Aceste două rezistențe sunt conectate în serie, acționând astfel ca o rețea divizoare de potențial creând o cădere de tensiune. Deoarece valoarea r'e este foarte mică, iar RE este mult mai mare, de obicei în intervalul kohmi (kΩ), amplitudinea tensiunii de ieșire a amplificatoarelor este deci mai mică decât tensiunea de intrare.

Dar, în realitate, amplitudinea tensiunii de ieșire (vârf-la-vârf) este în general între 98 până la 99% din tensiunea de intrare, care este suficient de aproape, în majoritatea cazurilor, pentru a fi considerată câștig unitate.

Putem calcula câștigul de tensiune, AV al amplificatorului cu colector comun folosind formula divizorului de tensiune, presupunând că tensiunea de Bază, VB este tensiunea de intrare, VIN.

Câștigul de tensiune al amplificatorului cu colector comun

Așadar, amplificatorul cu colector comun nu poate furniza amplificare de tensiune și o altă expresie folosită pentru a descrie circuitul amplificatorului cu colector comun este ca Circuit Repetor de Tensiune pentru motive evidente. Astfel, deoarece semnalul de ieșire urmărește îndeaproape intrarea și este în fază cu intrarea, circuitul cu colector comun este, prin urmare, un amplificator neinversor cu câștig de tensiune unitar.

Exemplu nr. 1 de amplificator cu colector comun

Un amplificator cu colector comun este construit folosind un tranzistor bipolar NPN și o rețea de polarizare cu divizor de tensiune. Dacă R1 = 5k6 Ω, R2 = 6k8 Ω și tensiunea de alimentare este de 12 volți, calculați valorile: VB, VC și VE, curentul de emitor IE, rezistența internă a emitorului r'e și câștigul de tensiune al amplificatorului AV atunci când se utilizează o rezistență de sarcină de 4k7 Ω. De asemenea, desenați circuitul final și curba caracteristicilor corespunzătoare cu linia de sarcină.

1. Tensiunea de polarizare a bazei, VB

2. Tensiunea de colector, VC. Deoarece nu există o rezistență de sarcină în colector, terminalul colector al tranzistorului este conectat direct la șina de alimentare cu curent continuu, deci VC = VCC = 12 volți.

3. Tensiunea de polarizare a emitorului, VE

4. Curentul de emitor, IE

5. Rezistența AC de emitor, r'e

6. Câștig de tensiune, AV

Circuitul amplificatorului cu colector comun cu linie de sarcină

Impedanță de intrare pentru colector comun

Deși amplificatorul cu colector comun nu este foarte bun pentru a fi un amplificator de tensiune, deoarece așa cum am văzut, câștigul său mic de tensiune a semnalului este aproximativ egal cu unul (AV ≅ 1), totuși face un circuit tampon de tensiune foarte bun datorită impedanțelor sale de intrare (ZIN) ridicată și de ieșire (ZOUT) redusă, asigurând izolarea unei surse de semnal de intrare de o sarcină cu impedanță joasă.

O altă caracteristică utilă a amplificatorului cu colector comun este aceea că asigură câștigul de curent (Ai) atât timp cât el este în conducție. Aceasta, deoarece poate trece un mare curent care curge de la colector la emitor, ca răspuns la o mică modificare a curentului său de Bază, IB. Amintiți-vă că acest curent DC vede doar RE, deoarece nu există RC. Atunci curentul continuu este pur și simplu: VCC/RE care poate fi mare dacă RE este mic.

Considerați configurația de bază a amplificatorului cu colector comun sau repetor pe emitor.

Configurația amplificatorului cu colector comun

Pentru analiza AC a circuitului, condensatorii sunt scurtcircuitați și VCC este scurtcircuitată (impedanță zero). Astfel circuitul echivalent este dat așa cum se arată mai jos cu curenții și tensiunile de polarizare date de:

Impedanța de intrare, ZIN a configurației cu colector comun privind spre Bază este dată de:

Dar, deoarece Beta, β este, în general, mult mai mare decât 1 (de obicei peste 100), expresia: β + 1 poate fi redusă la β întrucât înmulțirea cu 100 este practic aceeași cu înmulțirea cu 101. Astfel:

Impedanța bazei amplificatorului cu colector comun

unde: β este câștigul de curent al tranzistorului, Re este rezistența echivalentă a emitorului și r'e este rezistența AC a diodei emitor-bază. Rețineți că, deoarece valoarea combinată a lui Re este în general mult mai mare decât rezistența echivalentă a diodelor, r'e (kilo-ohmi în comparație cu câțiva ohmi), impedanța bazei tranzistorului poate fi dată mai simplu: β * Re.

Un punct interesant de remarcat aici este că impedanța bazei la intrarea tranzistorilor, ZIN (bază) poate fi controlată prin valoarea rezistorului din emitor, RE sau a rezistorului de sarcină RL, deoarece acestea sunt conectate paralel.

În timp ce ecuația de mai sus ne oferă impedanța de intrare privind spre Baza tranzistorului, aceasta nu ne oferă adevărata impedanță de intrare pe care semnalul sursă ar vedea-o spre circuitul complet al amplificatorului. Pentru aceasta, trebuie să avem în vedere cele două rezistoare care alcătuiesc rețeaua de polarizare a divizorului de tensiune. Prin urmare:

Impedanța de intrare a amplificatorului cu colector comun

Exemplu nr. 2 de colector comun

Folosind precedentul circuit amplificator cu colector comun de mai sus, calculați impedanțele de intrare ale bazei tranzistorului și etajului de amplificare dacă rezistența la sarcină RL este 10kΩ, iar câștigul de curent al tranzistorului NPN este 100.

1. Rezistența AC de emitor, r'e

2. Rezistența de sarcină echivalentă, Re

3. Impedanța de bază a tranzistorului, ZBAZĂ

4. Impedanța de intrare a amplificatorului, ZIN(ETAJ)

Deoarece impedanța de bază a tranzistorului de 322 kΩ este mult mai mare decât impedanța de intrare a amplificatorului de numai 2,8 kΩ, deci impedanța de intrare a amplificatorului cu colector comun este determinată de raportul dintre cele două rezistoare de polarizare, R1 și R2.

Impedanță de ieșire a colectorului comun

Pentru a determina impedanța de ieșire a amplificatorilor CC, ZOUT, privită de la sarcină înapoi spre terminalul emitor al amplificatorului, trebuie mai întâi să scoatem sarcina, deoarece dorim să vedem rezistența efectivă a amplificatorului care acționează sarcina. Astfel, circuitul echivalent AC care este privit spre ieșirea amplificatorului este dat ca:

De mai sus, impedanța de intrare a circuitului de bază este dată de: RB = R1 || R2. Câștigul de curent al tranzistorului este dat de β. Astfel ecuația de ieșire este dată de:

Putem vedea atunci că rezistența de emitor, RE este efectiv în paralel cu întreaga impedanță a tranzistorului privită înapoi spre terminalul său de emitor.

Dacă am calcula impedanța de ieșire a circuitului nostru de amplificare cu colector comun folosind valorile componentelor de mai sus, aceasta ar da o impedanță de ieșire ZOUT mai mică de 50 Ω (49,5 Ω), care este mult mai mică decât impedanța de intrare mai mare, ZIN(BASE) calculată anterior.

Astfel, putem vedea că configurația Common Collector Amplifier are, din calcul, o impedanță de intrare foarte mare și o impedanță de ieșire foarte scăzută care îi permite să comande o sarcină cu impedanță mică. De fapt, datorită impedanței de intrare relativ ridicată și impedanței de ieșire foarte scăzută ale amplificatorului CC, este folosit în mod obișnuit ca amplificator tampon cu câștig unitate.

După ce am stabilit că impedanța de ieșire, ZOUT din amplificatorul nostru de mai sus este de aproximativ 50 Ω prin calcul, dacă acum conectăm înapoi rezistorul de sarcină de 10 kΩ în circuit, impedanța de ieșire rezultată va fi:

Deși rezistența la sarcină este de 10 kΩ, rezistența de ieșire echivalentă este încă scăzută la 49,3 Ω. Acest lucru se datorează faptului că RL este mare în comparație cu ZOUT, deci pentru transfer de putere maximă, RL trebuie să fie egală cu ZOUT. Deoarece câștigul de tensiune al amplificatorului cu colector comun este considerat a fi unitate (1), câștigul de putere al amplificatorului trebuie să fie egal cu câștigul său de curent, deoarece P = V*I.

Deoarece câștigul de curent al colectorului comun este definit ca raportul dintre curentul de emitor și curentul de bază, γ = IE/IB = β + 1, rezultă, prin urmare, că câștigul de curent al amplificatorului trebuie să fie aproximativ egal cu Beta (β) deoarece β + 1 este practic același ca Beta.

Rezumat Amplificator cu colector comun

Am văzut în acest tutorial despre Amplificatorul cu colector comun că el are numele său, deoarece terminalul colector al BJT este comun atât cu circuitul de intrare cât și cu cel de ieșire, deoarece nu există nici o rezistență de colector, RC.

Câștigul de tensiune al amplificatorului cu colector comun este aproximativ egal cu unitatea (Av ≅ 1) și câștigul său curent, Ai este aproximativ egal cu Beta, (Ai ≅ β) care depinde de valoarea Beta a tranzistoarelor particulare, valoare care poate fi înaltă.

Am văzut, de asemenea, prin calcul, că impedanța de intrare, ZIN este mare, în timp ce impedanța de ieșire, ZOUT este scăzută, ceea ce este util pentru scopuri de adaptare a impedanței (sau de adaptare a rezistenței) sau ca un circuit tampon între o sursă de tensiune și o sarcină de impedanță joasă.

Deoarece amplificatorul cu colector comun (CC) primește semnalul său de intrare la Bază cu tensiunea de ieșire preluată de pe sarcina din emitor, tensiunile de intrare și ieșire sunt „în fază” (defazaj 0), astfel configurația cu colector comun merge cu numele secundar de repetor pe emitor deoarece tensiunea de ieșire (tensiunea de emitor) urmează tensiunea de bază de intrare.