Felles emitterkopling

mini|Fig. 1 Felles emitterkopling med NPN-transistor (vist utan forspenningsnettverk). Felles emitterkopling er ein forsterkarkrins bygd rundt ein bipolar transistor, med emitter som fellesterminal. Inngangssignalet er kopla til base-terminalen og utgangssignalet vert henta frå kollektorterminalen til transistoren, som vist i fig. 1. Krinsen i fig. 1 er bygd rundt ein NPN-transistor. Ein felles emitterkoplingskrins kan òg nytta ein PNP-transistor, men NPN er det vanlegaste, så alle krinsane i denne artikkelen nyttar NPN-transistorar.

Forsyningsspenninga er ei likespenning, som kan koma frå eit batteri, eller frå ein spenningsregulator. Etter som krinsen får tilført effekt via kan han forsterka både spenninga og straumen, og difor effekten.

Som oftast er inngangsignalet ei spenning, som ved hjelp av eit forspenningsnettverk (ikkje vist i fig. 1) vert omforma til ein straum , som aukar/minkar når inngangsspenninga aukar/minkar. Etter som kollektorstraumen er proporsjonal med basestraumen

der er straumforsterkinga, aukar kollektorstraumen når basestraumen aukar. Det fører til at spenningafallet over kollektormotstanden , slik at kollektorspenninga minkar. På same måte vil ei redusert inngangsspenning føra til redusert kollektorstraum og mindre speningsfall over kollektormotstanden, slik at kollektorspenninga aukar. Forsterkaren inverterer med andre ord signalet, som vist i fig. 1.

Kondensatoren blokkerer for likestraum, slik at signalkjelda på inngangen ikkje vert utsett for likespenning. På same måte blokkerer kondensatoren for likestraum på utgangen. slik at lasten ikkje vert påtrykt likespenning. Kondensatorane slepp gjennom tidsvarierande straum (vekselstraum), så dei vert kalla «koplingskondensatorar». På grunn av koplingskondensatorane kan ikkje forsterkaren forsterka likespenning. På grunn av millereffekta er heller ikkje bandbreidda så stor, så dette er ein lågfrekvensforsterkar.

Utgangssignalet (kollektorspenninga) er generelt større enn inngangssignalet, men går aldrig heilt ned til null eller heilt opp til , som vist i fig. 1. Dette er med andre ord ein klasse-A-forsterkar. Dei aller flestet småsignalforsterkarar er klasse-A-forsterkarar; dette på grunn av at dei forvrengninger signalet mindre enn andre typar.

Forspenningsnettverket mini|Fig. 2 Klipping av kollektorstraumen. mini|Fig. 3 Felles emitterkopling med spenningsdelarforspenningsnettverk og emittermotstand. mini|Fig. 4 Utgangskarakteristikk, lastlinje og arbeidspunkt. Forspenningsnettverket, òg kalla biasnettverket, har som oppgåve å syta for at kollektorstraumen har ein verdi slik at kollektorspenninga ligg om lag midt mellom null og forsyningsspenninga når inngangssignalet er null. Dette gjer at spenninga kan svinga over eit størst mogleg område utan at transistoren stenger heilt, slik at går til null (fig. 2), eller opnar heilt, slik at kollektorspenninga vert lik forsyningsspenninga. I begge tilfella seier ein at forsterkarer klipper signalet. For å unngå klipping lyt ein syta for at kollektorstramen har ein fornuftig verdi når inngangssignalet er null. Denne straumen vert kalla «tomgangstraumen».

Som vist i () vert kollektorstraumen kontrollert av basestraumen

der er basespenninga, er emitterspenninga og er motstanden sett inn i baseterminalen ved DC. I ein småsignaltransistor er spenninga mellom base og emitter ca. 0,6 V.

Sidan varierer med temperaturen, og delvis med kollektorspenninga (sjå utgangskarakteristikken i fig. 4) vil òg variera. Krinsen i fig. 1 er difor ikkje brukbar i praksis. For å stabilisera tomgangsstraumen vert basespenninga ofte helt konstant ved hjelp av spenningsdelaren , vist i fig. 3, og motstanden mellom emitter og jord. Om endrar seg og vert for stor vil emitterstraumen auka, slik at spenningsfallet over óg aukar. Vi ser frå () at då vert redusert. Om minkar vil òg minka slik at vert redusert, som i sin tur fører til at aukar. Forspenningsnettverket i fig. 2 fungerer med andre ord som ein regulator som held , og dermed og tilnærma konstant. Dette er eit døme på lokal attendekopling. Vi kan finna emitterstraumen som

der . Vi ser frå () at om er stor, slik at , kan vi tilnærma som

Emitterstraumen er no uavhengig av ; det er òg . Så når er stor er tomgangsstraumen konstant sjølv om verdien til varierer litt. For småsignaltransistorar er ofte stor nok til at tilnærminga i () er god nok.

Fig. 4 syner utgangskarakteristikken, der det går fram at kollektorstraumen er proporsjonal med basestraumen . Lastlinja (raud) syner tilhøvet mellom kollektorspenninga og kollektorstraumen . Punktet der er lik tomgangsstraumen vert kalla arbeidspunktet. Ved kryssarvariasjonen i kollektorspenninga null, så utgangsspenninga (etter koplingakondensatoren er null. Ved å variera tomgangsstraumen, merka i fig. 4, kan arbeidspunktet flyttast langs lastlinja, slik at variasjonen i kan verta storst mogleg utan å klippa. Utan lastmotstand er stigningskoeffisienten til lastlinja , men med lastmotstand er han . Om ein endrar verdien til lastmotstanden endrar ein samstundes stigningskoeffisienten til lastlinja, noko som kan føra til klipping. Om lastmotstanden er ukjent, eller variabel, lyt ein difor redusera inngangsspenninga noko for å unngå klipping.

Småsignalanalyse mini|Fig. 5 Småsignalmodell for bipolar transistor. mini|Fig. 6 Felles emitterkopling med splitta emittermotstand. Transistoren har ein ulieær overføringskarakteristikk, så for å finna spennings- og straumforsterkninga til forsterkartrinnet lineariserer vi overføringskarakteristiken ved at vi nyttar ein såkalla lineær småsignalmodell. Dette forenklar analysen og for små variasjonar av spenningar og straumar fører dette ikkje til så alt for store feil.

Spenningsforsterkning Ut frå småsignalmodellen i fig. 5 kan vi finna spenningsforsterkninga til forsterkartrinnet

der er lastmotstanden, er den interne motstanden mellom kollektor og emitter og er den indre motstanden mellom base og emitter. Symbol med småbokstavar syner til tidsvarierande signal, dvs. variasjon rundt dei statiske verdiane (skrive med store bokstavar) bestemt av forspenningsnettverket. Det kan visast at

så er invers proporsjonal med .

Ein stor emittermotsatnd stabiliserer tomgangsstraumen , men vi ser frå () at dette òg fører til redusert spenningsforsterkning. Ved å splitta i dei to motstandane og og plassera bypasskondensatoren i parallel med , som vist i fig. 6, vert kortslutta over ein viss frekvens, slik at i (). Alternativt kan ein fjerna , men denne motstanden fungerer som lokal attendekopling som reduserer forvrengninga og er med på å halda forsterkninga stabil. Ved å variera tilhøver mellom og kan ein oppnå eit høveleg kompromiss mellom forserkning og forvrengningsreduksjon.

Småsignaltransistorar har som oftast så stor at som betyr at () kan forenklast til

og på grunn av at kan () forenklast til

i () og () er spenningsforsterkninga frå base til kollektor. Ofte er , så () kan forenklast til

I praksis har signalgeneratoren ein endeleg kjeldemotstand , vist i fig. 3, så spenningsforsterkninga er litt mindre enn det går fram av ttrykka i () og ().

Straumforsterkning Straumforsterkninga er definert som

der er signalstraumen frå generatoren på inngangen og er straumen gjennom lastmotstanden . Straumforsterkninga frå base til kollektor er

Noko av straumen frå generatoren forsvinn via og , så vi nyttar straumdeling mellom og for å finna

der er motstanden sett inn i baseterminalen for vekselspenning.

På utgangen får vi straumdeling mellom og , så

Når vi sett (), () og () inn i () finn vi straumforsterkninga

der inngangsmotstanden til basen

Inn- og utgangsimpedansar Inngangsmotstanden

Utgangsmotstanden

men for bipolare transistorar er , så .

Frekvensrespons Frekvensresponsen til ei felles emitterkopling er i lågfrekvensområdet avhengig av koplingskondensatorane og dei eksterne motstandane, medan han i høgfrekvensområdet vert bestemt av interne kapasitans i transistoren saman med dei eksterne motstandane.

Lågfrekvensresponsen Kvar av dei tre kondensatorane gjev opphav til eit HP-filter, som generelt har litt ulike knekkfrekensar. Knekkfrekensen til filteret rundt blir

der er gitt ved (). Knekkfrekvensen på grunn av blir

Knekkfrekvensen på grunn av bypasskondensatoren blir

der

Høgfrekvensresponsen mini|Fig. 7 Småsignalekvivalent for felles emitterkopling med Miller-kapasitans. Bandbreidda til forsterkaren vert betemt av LP-filtere, danna på grunnn av eksterne motstandar og interne kapasitansar, kalla parasittiske kapasitansar. Desse er kapasitansen mellom basen, fig. 7 a), og emitteren og mellom kollektor og base. Det er òg ein liten kapasitans mellom kollektoren og emitteren, men han påverkar ikkje frekvensresponsen, så vi kan sjå bort frå han.

Den viktigaste, og mest plagsame, av dei parasittiske kapasitansane er , som slepp gjennom høgfrekvente komponentar frå kollektoren til basen. Etter som trinnet inverterer signalet har spenninga over kollektoren motsett fase av spenninga over basen, slik at basespenninga vert redusert. Vi endar med abdre ord opp med negativ attendekopling i høgfrekvensområdet.

For å forenkla analysen gjer vi bruk av Millers teorem, som splittar i mellom base og emitter, og mellom kollektor og emitter, som vist i fig. 7 b), der.

og

Etter som trinnet er inverterande er spenningsforsterninga negativ og verdien til . Til større spenningsforsterninga er til større vert verdien til . Men verdien til blir om lag den same som , så sjølv om han havnar i parallell med havnar knekkfrekvensen som oftast lagt over knekkfrekensen til base-emitter-krinsen. Denne er

der og . Millereffekten fører til at felles emittertrinnet har moderat bandbreidd. Om ein treng større bandbeidd kan ein nytta ei cascodekopling.

Referansar T.L. Floyd, Electronic devices, 9. utg., Prentice Hall, 2012. J. Millman og C.C. Halkias, Integrated electonics: Analog and digital circuits and systems, McGraw-Hill, 1972.

Kategori:Analog elektronikk Kategori:Instrumentering Kategori:Reguleringsteknikk Kategori:Analog audio