Colecionador comum - Common collector

Figura 1: Circuito coletor comum NPN básico (desprezando os detalhes de polarização ).

Na eletrônica , um amplificador coletor comum (também conhecido como seguidor de emissor ) é uma das três topologias básicas de amplificador de transistor de junção bipolar (BJT) de estágio único , normalmente usado como um buffer de tensão .

Neste circuito, o terminal base do transistor serve como entrada, o emissor é a saída e o coletor é comum a ambos (por exemplo, pode estar ligado a uma referência de aterramento ou a um trilho de fonte de alimentação ), daí seu nome. O circuito de transistor de efeito de campo análogo é o amplificador de dreno comum e o circuito de válvula análogo é o seguidor de cátodo .

Circuito básico

Figura 2: Um amplificador de feedback negativo

O circuito pode ser explicado vendo o transistor como estando sob o controle de feedback negativo. Deste ponto de vista, um estágio de coletor comum (Fig. 1) é um amplificador com feedback negativo de série completa . Nesta configuração (Fig. 2 com β = 1), toda a tensão de saída V _out é colocada ao contrário e em série com a tensão de entrada V _in . Assim, as duas tensões são subtraídas de acordo com a lei de tensão de Kirchhoff (KVL) (o subtrator do diagrama de bloco de função é implementado apenas pelo loop de entrada), e sua diferença extraordinária V _diff = V _in - V _out é aplicada ao emissor de base junção. O transistor monitora continuamente V _diff e ajusta a tensão de emissor quase igual (menor V _BEO ) para a tensão de entrada, passando a corrente de colector de acordo através da resistência de emissor R _E . Como resultado, a tensão de saída segue as variações da tensão de entrada de V _BEO até V ₊ ; daí o nome "seguidor de emissor".

Intuitivamente, esse comportamento também pode ser compreendido ao perceber que a tensão base-emissor no transistor bipolar é muito insensível às mudanças de polarização, portanto, qualquer mudança na tensão base é transmitida (com boa aproximação) diretamente para o emissor. Depende ligeiramente de vários distúrbios (tolerâncias do transistor, variações de temperatura, resistência de carga, um resistor coletor se for adicionado, etc.), uma vez que o transistor reage a esses distúrbios e restaura o equilíbrio. Nunca satura, mesmo se a tensão de entrada atingir o trilho positivo.

O circuito coletor comum pode ser mostrado matematicamente como tendo um ganho de voltagem de quase unidade:

{\ displaystyle A_ {v} = {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} \ aprox 1.}

Figura 3: Versão PNP do circuito emissor-seguidor, todas as polaridades estão invertidas.

Uma pequena mudança de tensão no terminal de entrada será replicada na saída (dependendo ligeiramente do ganho do transistor e do valor da resistência de carga ; consulte a fórmula de ganho abaixo). Este circuito é útil porque tem uma grande impedância de entrada

{\ displaystyle r _ {\ text {in}} \ approx \ beta _ {0} R _ {\ text {E}},}

então ele não carregará o circuito anterior, e uma pequena impedância de saída

{\ displaystyle r _ {\ text {out}} \ approx {\ frac {R _ {\ text {E}} \ parallel R _ {\ text {fonte}}} {\ beta _ {0}}},}

para que possa conduzir cargas de baixa resistência.

Normalmente, o resistor do emissor é significativamente maior e pode ser removido da equação:

{\ displaystyle r _ {\ text {out}} \ approx {\ frac {R _ {\ text {source}}} {\ beta _ {0}}}.}

Formulários

Figura 4: Seguidor de tensão NPN com polarização da fonte de corrente adequada para circuitos integrados

A baixa impedância de saída permite que uma fonte com uma grande impedância de saída conduza uma pequena impedância de carga ; ele funciona como um buffer de tensão . Em outras palavras, o circuito tem ganho de corrente (que depende muito do h _FE do transistor) ao invés de ganho de tensão, por causa de suas características ele é preferido em muitos dispositivos eletrônicos. Uma pequena mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança muito maior na corrente de saída fornecida para a carga de saída.

Um aspecto da ação do buffer é a transformação das impedâncias. Por exemplo, a resistência Thévenin de uma combinação de um seguidor de tensão acionado por uma fonte de tensão com alta resistência Thévenin é reduzida apenas para a resistência de saída do seguidor de tensão (uma pequena resistência). Essa redução de resistência torna a combinação uma fonte de tensão mais ideal. Por outro lado, um seguidor de tensão inserido entre uma pequena resistência de carga e um estágio de condução apresenta uma grande carga para o estágio de condução - uma vantagem em acoplar um sinal de tensão a uma pequena carga.

Essa configuração é comumente usada nos estágios de saída de amplificadores classe B e classe AB . O circuito base é modificado para operar o transistor no modo classe B ou AB. No modo classe A , às vezes uma fonte de corrente ativa é usada em vez de R _E (Fig. 4) para melhorar a linearidade e / ou eficiência.

Características

Em baixas frequências e usando um modelo híbrido-pi simplificado , as seguintes características de sinal pequeno podem ser derivadas. (O parâmetro e as linhas paralelas indicam componentes em paralelo .) ${\ displaystyle \ beta = g_ {m} r _ {\ pi}}$

	Definição	Expressão	Expressão aproximada	Condições
Ganho atual	${\ displaystyle {A _ {\ mathrm {i}}} = {i _ {\ mathrm {out}} \ over i _ {\ mathrm {in}}}}$	${\ displaystyle \ beta _ {0} +1 \}$	${\ displaystyle \ approx \ beta _ {0}}$	${\ displaystyle \ beta _ {0} \ gg 1}$
Ganho de tensão	${\ displaystyle {A _ {\ mathrm {v}}} = {v _ {\ mathrm {out}} \ over v _ {\ mathrm {in}}}}$	${\ displaystyle {g_ {m} R _ {\ mathrm {E}} \ over g_ {m} R _ {\ mathrm {E}} +1}}$	${\ displaystyle \ aprox. 1}$	${\ displaystyle g_ {m} R _ {\ mathrm {E}} \ gg 1}$
Resistência de entrada	${\ displaystyle r _ {\ mathrm {in}} = {\ frac {v _ {\ mathrm {in}}} {i _ {\ mathrm {in}}}}}$	${\ displaystyle r _ {\ pi} + (\ beta _ {0} +1) R _ {\ mathrm {E}} \}$	${\ displaystyle \ approx \ beta _ {0} R _ {\ mathrm {E}}}$	${\ displaystyle (g_ {m} R _ {\ mathrm {E}} \ gg 1) \ wedge (\ beta _ {0} \ gg 1)}$
Resistência de saída	${\ displaystyle r _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {v _ {\ mathrm {out}}} {i _ {\ mathrm {out}}}}}$	${\ displaystyle R _ {\ mathrm {E}} \ parallel \ left ({r _ {\ pi} + R _ {\ mathrm {fonte}} \ over \ beta _ {0} +1} \ right)}$	${\ displaystyle \ approx {1 \ over g_ {m}} + {R _ {\ mathrm {source}} \ over \ beta _ {0}}}$	${\ displaystyle (\ beta _ {0} \ gg 1) \ wedge (r _ {\ mathrm {in}} \ gg R _ {\ mathrm {fonte}})}$

Onde está a resistência de fonte equivalente de Thévenin . ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {fonte}} \}$

Derivações

Figura 5: Circuito de pequeno sinal correspondente à Figura 3 usando o modelo híbrido-pi para o transistor bipolar em frequências baixas o suficiente para ignorar as capacitâncias do dispositivo bipolar

Figura 6: Circuito de pequenos sinais de baixa frequência para seguidor de tensão bipolar com corrente de teste na saída para encontrar a resistência de saída. Resistor .

{\ displaystyle R _ {\ text {E}} = R _ {\ text {L}} \ parallel r _ {\ text {O}}}

A Figura 5 mostra um modelo híbrido-pi de baixa frequência para o circuito da Figura 3. Usando a lei de Ohm , várias correntes foram determinadas e esses resultados são mostrados no diagrama. Aplicando a lei atual de Kirchhoff no emissor, encontramos:

{\ displaystyle (\ beta +1) {\ frac {v _ {\ text {in}} - v _ {\ text {out}}} {R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi}}} = v_ {\ text {out}} \ left ({\ frac {1} {R _ {\ text {L}}}} + {\ frac {1} {r _ {\ text {O}}}} \ right).}

Defina os seguintes valores de resistência:

{\ displaystyle {\ frac {1} {R _ {\ text {E}}}} = {\ frac {1} {R _ {\ text {L}}}} + {\ frac {1} {r _ {\ text {O}}}},}

{\ displaystyle R = {\ frac {R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi}} {\ beta +1}}.}

Em seguida, coletando os termos, o ganho de tensão é encontrado:

{\ displaystyle A _ {\ text {v}} = {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v _ {\ text {in}}}} = {\ frac {1} {1 + {\ frac { R} {R _ {\ text {E}}}}}}.}

A partir desse resultado, o ganho se aproxima da unidade (como esperado para um amplificador de buffer ) se a relação de resistência no denominador for pequena. Essa relação diminui com valores maiores de ganho de corrente β e com valores maiores de . A resistência de entrada é encontrada como ${\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$

{\ displaystyle R _ {\ text {in}} = {\ frac {v _ {\ text {in}}} {i _ {\ text {b}}}} = {\ frac {R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi}} {1-A _ {\ text {v}}}}}

{\ displaystyle = \ left (R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi} \ right) \ left (1 + {\ frac {R _ {\ text {E}}} {R}} \ right)}

{\ displaystyle = R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi} + (\ beta +1) R _ {\ text {E}}.}

A resistência de saída do transistor normalmente é grande em comparação com a carga e, portanto, domina . A partir desse resultado, a resistência de entrada do amplificador é muito maior do que a resistência de carga de saída para um grande ganho de corrente . Ou seja, colocar o amplificador entre a carga e a fonte apresenta uma carga maior (alta-resistiva) para a fonte do que o acoplamento direto , o que resulta em menor atenuação do sinal na impedância da fonte como consequência da divisão de tensão . ${\ displaystyle r _ {\ text {O}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {S}}}$

A Figura 6 mostra o circuito de sinal fraco da Figura 5 com a entrada em curto e uma corrente de teste colocada em sua saída. A resistência de saída é encontrada usando este circuito como

{\ displaystyle R _ {\ text {out}} = {\ frac {v _ {\ text {x}}} {i _ {\ text {x}}}}.}

Usando a lei de Ohm, várias correntes foram encontradas, conforme indicado no diagrama. Coletando os termos para a corrente de base, a corrente de base é encontrada como

{\ displaystyle (\ beta +1) i _ {\ text {b}} = i _ {\ text {x}} - {\ frac {v _ {\ text {x}}} {R _ {\ text {E}}} },}

onde é definido acima. Usando este valor para a corrente de base, a lei de Ohm fornece ${\ displaystyle R _ {\ text {E}}}$

{\ displaystyle v _ {\ text {x}} = i _ {\ text {b}} \ left (R _ {\ text {S}} + r _ {\ pi} \ right).}

Substituindo a corrente de base e os termos de coleta,

{\ displaystyle R _ {\ text {out}} = {\ frac {v _ {\ text {x}}} {i _ {\ text {x}}}} = R \ parallel R _ {\ text {E}},}

onde || denota uma conexão paralela e é definido acima. Porque geralmente é uma resistência pequena quando o ganho de corrente é grande, domina a impedância de saída, que portanto também é pequena. Uma pequena impedância de saída significa que a combinação em série da fonte de tensão original e do seguidor de tensão apresenta uma fonte de tensão Thévenin com uma resistência Thévenin mais baixa em seu nó de saída; ou seja, a combinação da fonte de tensão com o seguidor de tensão torna uma fonte de tensão mais ideal do que a original. ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle R}$

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