Ortak Toplayıcı Yükselteç / Common Collector Amplifier

Ortak Kollektör Yükselteçleri, giriş sinyaliyle aynı fazda olan emitör yükü boyunca bir çıkış voltajı üretir.

Ortak Kollektör Yükselteci, giriş sinyalinin baz terminale uygulandığı ve çıkış sinyalinin emiter terminalinden alındığı, iki kutuplu bağlantı transistörünün (BJT) başka bir tipidir. Böylece kollektör terminali hem giriş hem de çıkış devreleri için ortaktır. Bu tip konfigürasyona Ortak Kollektör (CC) adı verilir, çünkü kollektör terminali güç kaynağı aracılığıyla etkin bir şekilde “topraklanır”.

Birçok yönden ortak kollektör (CC) konfigürasyonu, ortak emitör (CE) konfigürasyonunun tersidir, çünkü bağlı yük direnci, RC etiketli olağan kollektör terminalinden RE etiketli emitör terminaline taşınır.

Ortak kollektör veya topraklanmış kollektör konfigürasyonu genellikle, yüksek empedanslı bir giriş kaynağının, yüksek akım kazancı gerektiren düşük empedanslı bir çıkış yüküne bağlanması gerektiğinde kullanılır. Aşağıdaki ortak toplayıcı yükselteç devresini düşünün.

ortak toplayıcı

Dirençler R1 ve R2, NPN transistörünü iletime yönlendirmek için kullanılan basit bir voltaj bölücü ağı oluşturur. Bu voltaj bölücü, transistörü hafifçe yüklediğinden, taban voltajı, VB, gösterildiği gibi basit voltaj bölücü formülü kullanılarak kolayca hesaplanabilir.

Voltaj Bölücü Devresi

ortak toplayıcı

Transistörün kollektör terminali doğrudan VCC’ye bağlıyken ve kollektör direnci yokken (RC = 0) herhangi bir kollektör akımı, emitör direnci RE boyunca bir voltaj düşüşü üretecektir.

Bununla birlikte, ortak kollektör yükseltici devresinde, aynı voltaj düşüşü, VE ayrıca çıkış voltajını, VOUT’u temsil eder.

İdeal olarak, RE boyunca DC voltaj düşüşünün besleme voltajının yarısına eşit olmasını isteriz, VCC’nin transistörlerin sessiz çıkış voltajını, maksimum kesilmemiş bir çıkış sinyaline izin veren karakteristik eğrilerinin ortasında bir yerde oturmasını sağlamak içindir. Bu nedenle, RE seçimi büyük ölçüde IB’ye ve transistörlerin akım kazancı Beta, β’ya bağlıdır.

Baz-yayıcı pn-bağlantısı ileri yönlü polarlı olduğundan, taban akımı, bağlantıdan emitere doğru akar ve transistör hareketini teşvik ederek çok daha büyük bir kollektör akımının, IC’nin akmasına neden olur. Böylece emitör akımı, temel akım ile kollektör akımının birleşimidir: IE = IB + IC. Bununla birlikte, taban akımı kollektör akımına kıyasla çok küçük olduğundan, emiter akımı bu nedenle yaklaşık olarak kollektör akımına eşittir. Böylece IE ≈ IC

Ortak emitör (CE) yükseltici konfigürasyonunda olduğu gibi, giriş sinyali transistör baz terminaline uygulanır ve daha önce de söylediğimiz gibi yükselticinin çıkış sinyali emiter emiter terminalinden alınır. Bununla birlikte, transistör tabanı ve onun yayıcı terminali arasında yalnızca bir ileri taraflı pn-bağlantısı olduğundan, tabana uygulanan herhangi bir giriş sinyali, bağlantıdan doğrudan yayıcıya geçer. Bu nedenle emitörde bulunan çıkış sinyali, tabanda uygulanan giriş sinyali ile aynı fazdadır.

Yükseltecin çıkış sinyali emitör yükü boyunca alındığından, bu tip transistör konfigürasyonu, emitör çıkışının baz giriş sinyalindeki herhangi bir voltaj değişikliğini takip ettiği için, yaklaşık 0,7 volt kalması dışında bir Verici Takipçi devresi olarak da bilinir. (VBE) baz voltajın altında. Böylece VIN ve VOUT, giriş ve çıkış sinyalleri arasında sıfır faz farkı üreten faz içidir.

Bunu söyledikten sonra, emitörler pn-bağlantısı etkili bir şekilde ileri yönlü bir diyot gibi davranır ve küçük AC giriş sinyalleri için bu emitör diyot bağlantısının verdiği bir dirence sahiptir: r’e = 25mV/Ie burada 25mV bağlantının termal voltajıdır. oda sıcaklığı (25oC) ve Ie emitör akımıdır. Böylece emitör akımı arttıkça emitör direnci orantılı bir miktarda azalır.

Bu dahili taban-yayıcı bağlantı direncinden akan taban akımı da dışarı akar ve harici olarak bağlı emitör direnci RE’den geçer. Bu iki direnç seri olarak bağlanır, böylece voltaj düşüşü yaratan potansiyel bir bölücü ağ görevi görür. r’e değeri çok küçük olduğundan ve RE genellikle kilohm (kΩ) aralığında çok daha büyük olduğundan, amplifikatörün çıkış voltajının büyüklüğü bu nedenle giriş voltajından daha azdır.

Bununla birlikte, gerçekte çıkış voltajının büyüklüğü (tepeden tepeye) genellikle giriş voltajının %98 ila %99 değerindedir ve çoğu durumda birlik kazancı olarak kabul edilecek kadar yakındır.

Temel voltajın, VB’nin aslında giriş voltajı, VIN olduğunu varsayarak, gösterildiği gibi voltaj bölücü formülü kullanarak ortak kollektör yükseltecinin voltaj kazancını, VA’sını hesaplayabiliriz.

Ortak Kollektör Amplifikatör Voltaj Kazancı

ortak toplayıcı

Bu nedenle, ortak kollektör amplifikatörü voltaj amplifikasyonu sağlayamaz ve ortak kollektör yükselteç devresini tanımlamak için kullanılan başka bir ifade, bariz nedenlerden dolayı Gerilim Takipçi Devresidir. Böylece, çıkış sinyali girişi yakından takip ettiğinden ve giriş ile aynı fazda olduğundan, ortak kollektör devresi bu nedenle ters çevirmeyen bir birim voltaj kazanç yükselticisidir.

Ortak Toplayıcı Yükselteç Örneği

Bir NPN bipolar transistör ve bir voltaj bölücü öngerilim ağı kullanılarak ortak bir toplayıcı yükseltici oluşturulur. R1 = 5k6Ω ise, R2 = 6k8Ω ve besleme gerilimi 12 volttur. 4k7Ω’luk bir yük direnci kullanıldığında: VB, VC ve VE, emitör akımı IE, dahili emitör direnci r’e ve yükselticinin voltaj kazancı AV değerlerini hesaplayın. Ayrıca son devreyi ve ilgili karakteristik eğrisini yük doğrusu ile çizin.

1. Baz ön polarlama gerilimi, VB

ortak toplayıcı

2. Kollektör voltajı, VC. Kolektör yük direnci olmadığından, transistör kollektör terminali doğrudan DC besleme rayına bağlanır, bu nedenle VC = VCC = 12 volt.

3. Verici ön polarlama gerilimi, VE

ortak toplayıcı

4. Verici Akımı, IE

ortak toplayıcı

5. AC Verici Direnci, r’e

ortak toplayıcı

6. Voltaj kazancı, AV

ortak toplayıcı
ortak toplayıcı

Ortak Kollektör Giriş Empedansı

Ortak kollektör yükselteci voltaj yükselteci olma konusunda pek iyi olmasa da, gördüğümüz gibi, küçük sinyal voltaj kazancı yaklaşık olarak bire (AV ≅ 1) eşit olduğundan, bununla birlikte, onun sayesinde çok iyi bir voltaj tampon devresi yapar. bir yük empedans yükünden bir giriş sinyali kaynağı arasında izolasyon sağlayan yüksek giriş (ZIN) ve düşük çıkış (ZOUT) empedansları.

Ortak kollektör yükseltecinin bir diğer kullanışlı özelliği ise, iletken olduğu sürece akım kazancı (Ai) sağlamasıdır. Yani, temel akımında, IB’deki küçük bir değişikliğe yanıt olarak, kollektörden emitöre akan büyük bir akımı geçirebilir. RC olmadığı için bu DC akımının yalnızca RE’yi gördüğünü unutmayın. O zaman DC akımı basitçe: RE küçükse büyük olabilen VCC/RE.

Aşağıdaki temel ortak toplayıcı yükseltici veya verici takipçi yapılandırmasını göz önünde bulundurun:

ortak toplayıcı

Devrenin AC analizi için kapasitörler kısa devre yapar ve VCC kısa devre yapar (sıfır empedans). Böylece, eşdeğer devre, aşağıdaki gibi verilen öngerilim akımları ve voltajları ile gösterildiği gibi verilir:

ortak toplayıcı

Tabana bakan ortak toplayıcı konfigürasyonunun Giriş Empedansı, ZIN’si şu şekilde verilir:

ortak toplayıcı

Ancak Beta olarak, β genellikle 1’den çok daha büyüktür (genellikle 100’ün üzerinde), şu ifadenin ifadesi: β + 1 sadece Beta’ya indirgenebilir, β 100 ile çarpma, 101 ile çarpma ile hemen hemen aynıdır.

Ortak Kollektör Amplifikatör Baz Empedansı

ortak toplayıcı

Burada: β, transistörlerin akım kazancıdır, Re, eşdeğer emitör direncidir ve r’e, emitör-baz diyotun ac direncidir. Re’nin birleşik değeri genellikle diyotların eşdeğer direncinden çok daha büyük olduğundan, r’e (birkaç ohm ile karşılaştırıldığında kilo-ohm) transistörlerin temel empedansı basitçe şu şekilde verilebilir: β*Re.

Burada dikkat edilmesi gereken ilginç bir nokta, transistörlerin giriş taban empedansı, ZIN(taban), paralel bağlı oldukları için ya emitör bacak direncinin (RE) ya da yük direncinin RL değeri ile kontrol edilebilmesidir.

Yukarıdaki denklem bize transistörün tabanına bakarak giriş empedansını verirken, kaynak sinyalinin tüm amplifikatör devresine baktığında göreceği gerçek giriş empedansını vermez. Bunun için voltaj bölücü önyargı ağını oluşturan iki direnci dikkate almamız gerekiyor. Böylece:

Ortak Kollektör Amplifikatör Giriş Empedansı

ortak toplayıcı

Ortak Toplayıcı Örneği

Yukarıdaki önceki ortak toplayıcı yükseltici devresini kullanarak, yük direnci, RL 10kΩ ve NPN transistörlerin akım kazancı 100 ise, transistör tabanının ve yükseltici kademesinin giriş empedanslarını hesaplayın.

1. AC Verici Direnci, r’e

ortak toplayıcı

2. Eşdeğer Yük Direnci, Re

ortak toplayıcı

3. Transistörler Baz Empedansı, ZBASE

ortak toplayıcı

4. Amplifikatör Giriş Empedansı, ZIN(Stage)

ortak toplayıcı

322 kΩ’luk transistör temel empedansı, yalnızca 2,8 kΩ’luk yükselteç giriş empedansından çok daha yüksek olduğundan, ortak toplayıcı yükseltecinin giriş empedansı, iki ön polarlama direncinin, R1 ve R2’nin oranı ile belirlenir.

Ortak Kollektör Çıkış Empedansı

Yükten yükselticinin emiter terminaline geri bakarak CC yükselteçlerinin çıkış empedansını ZOUT belirlemek için, yükü tahrik eden yükselticinin etkin direncini görmek istediğimizden önce yükü kaldırmalıyız. Böylece yükselteç çıkışına bakan AC eşdeğer devresi şu şekilde verilir:

ortak toplayıcı

Yukarıdan, temel devrenin giriş empedansı şu şekilde verilir:RB = R1||R2. Transistörün mevcut kazancı şu şekilde verilir: β. Böylece çıktı denklemi şu şekilde verilir:

ortak toplayıcı

O zaman, yayıcı direncinin RE’nin, yayıcı terminaline geri bakan transistörün tüm empedansı ile etkili bir şekilde paralel olduğunu görebiliriz.

Yukarıdaki bileşen değerlerini kullanarak ortak emitör yükselteç devremizin çıkış empedansını hesaplarsak, daha önce hesaplanan ZIN(BASE) yüksek giriş empedansından çok daha küçük olan 50Ω (49.5Ω) değerinden daha düşük bir çıkış empedansı ZOUT verir.

Böylece, Ortak Kollektör yükselteç konfigürasyonunun, hesaplamadan, çok yüksek bir giriş empedansına ve çok düşük bir çıkış empedansına sahip olduğunu ve bunun düşük bir empedans yükü sürmesine izin verdiğini görebiliriz. Aslında, CC yükselteçleri nedeniyle nispeten yüksek giriş empedansı ve çok düşük çıkış empedansı nedeniyle, yaygın olarak kazançlı tampon yükseltici olarak kullanılır.

Yukarıdaki örnek yükselteçin çıkış empedansının, ZOUT’unun hesaplama ile yaklaşık 50Ω olduğunu belirledikten sonra, şimdi 10kΩ yük direncini tekrar devreye bağlarsak, ortaya çıkan çıkış empedansı şöyle olacaktır:

ortak toplayıcı

Yük direnci 10kΩ olmasına rağmen, eşdeğer çıkış direnci 49.3Ω’da hala düşüktür. Bunun nedeni, RL’nin ZOUT’a kıyasla büyük olmasıdır, bu nedenle maksimum güç aktarımı için RL, ZOUT’a eşit olmalıdır. Ortak toplayıcı yükselticinin voltaj kazancı birlik (1) olarak kabul edildiğinden, yükselticinin güç kazancı, P = V*I olarak mevcut kazancına eşit olmalıdır.

Ortak kollektör akım kazancı, emitör akımının taban akımına oranı olarak tanımlandığından, γ = IE/IB = β + 1, bu nedenle, amplifikatörün akım kazancının yaklaşık olarak Beta (β)’ya eşit olması gerektiği sonucu çıkar. 1, Beta ile hemen hemen aynıdır.

Özetle

Bu eğitimde Ortak Kollektör yükseltci hakkında bilgiler gördük, BJT’nin kollektör terminali hem giriş hem de çıkış devrelerinde ortaktır, çünkü kollektör direnci, RC yoktur.

Ortak toplayıcı yükselticinin voltaj kazancı yaklaşık olarak birliğe eşittir (Av ≅ 1) ve akım kazancı Ai yaklaşık olarak Beta’ya eşittir, (Ai≅β), belirli transistörlerin değerine bağlıdır.

Ayrıca, giriş empedansının, ZIN’in çıkış empedansı yüksek iken, ZOUT’un düşük olduğunu ve empedans eşleştirme (veya direnç eşleştirme) amaçları için veya bir voltaj kaynağı ile düşük empedanslı bir yük arasında bir tampon devresi olarak yararlı olduğunu hesaplama yoluyla gördük.