Gemeenschappelijke-emitter versterker

Figuur 1: Gemeenschappelijke-emitter versterker

De gemeenschappelijke-emitter is de meest gebruikte van de 3 basis configuraties voor enkelvoudige-stage bipolaire transistor (BJT) versterkers, de drie configuraties zijn de gemeenschappelijke-emitter, de gemeenschappelijke-base en de gemeenschappelijke-collector configuratie. De gemeenschappelijke-emitter (GE) configuratie heeft de emitter als gemeenschappelijke klem, of aarding, voor een AC-signaal. GE versterkers hebben een hoge spannings- en stroomversterking.

De figuur toont een gemeenschappelijke-emitter versterker met een spanningsdeler bias en koppelende condensators C₁ en C₃ op de ingang en uitgang en een bypass condensator, C₂, van emitter naar de aarding. Het ingangssignaal, afkomstig van wisselspanningsbron S1, is capacitief gekoppeld naar de base-klem, het uitgangssignaal, dat over R_C staat, is capacitief gekoppeld van de collector naar de belasting, R_L. Door deze capacitieve koppelingen aan de ingang en uitgang van de schakeling wordt het AC-signaal gescheiden van de DC bias-spanning. Dit verzekert dat de bias-condities die ingesteld zijn om de schakeling correct te doen werken niet worden beïnvloedt door andere versterking-stages doordat de condensators enkel AC-signalen doorlaten en alle DC-componenten blokkeren.

De versterkte uitvoer heeft een faseverschil van 180° met de invoer. Omdat het AC-signaal op de base-klem wordt gezet als invoer en gepakt van de collector als uitvoer, is de emitter gemeenschappelijk met zowel het ingangs- als het uitgangssignaal. Er is geen signaal op de emitter omdat de bypass condensator de emitter effectief kortsluit naar de aarding bij de signaalfrequentie. Alle versterkers hebben een combinatie van beide AC- en DC-werking maar de benaming gemeenschappelijke-emitter verwijst naar de AC-werking.

Fase inversie

Het uitgangssignaal is 180° uit fase met het ingangssignaal. Als de spanning van het ingangssignaal veranderd, zorgt dit voor een verandering in de AC base-stroom, wat resulteert in een verandering van de collector- stroom ten opzichte van zijn waarde op het rustpunt. Als de base- stroom toeneemt, zal de collector- stroom toenemen tot boven zijn waarde op het rustpunt, wat een toename in de spanningsval over R_C veroorzaakt. Deze toename van spanning die over R_C staat betekent dat de spanning van de collector verminderd vanaf het rustpunt. Dus elke verandering in de spanning van het ingangssignaal heeft als gevolg een tegenovergestelde verandering in de spanning van het collector-signaal, vandaar de fase inversie.

DC Analyse

Figuur 2: DC equivalente schakeling van de gemeenschappelijke-emitter versterker

Om de versterker in de bovenstaande figuur te kunnen analyseren, moeten we eerste de DC bias-waarden bepalen. Om dit te doen maken we de equivalente DC schakeling door het verwijderen van de koppelende en bypass condensators omdat deze als openingen lijken voor zover de DC bias bewust is. Door dit te doen worden ook de belastingsweerstand en de signaalbron, S1, verwijderd. De equivalente DC schakeling wordt in de figuur hiernaast getoond.

De DC ingangsweerstand aan de base wordt als volgt bepaald:

$R_{IN(BASE)} = \beta_{DC} . R_{E} \!$

Doordat R_IN(BASE) typisch meer dan tien keer zo groot is als R₂, hebben we te maken met een stijve spanningsdeler en kan de DC base-spanning als volgt berekent worden:

$V_B \approx\ \left (\frac{R_2}{R_1 + R_2} \right) . V_{CC}$

en

$V_E = V_B - V_{BE} \!$

Waardoor,

$I_E = \frac{V_E}{R_E}$

Aangezien $\scriptstyle I_C \approx\ I_E$,

$V_C = V_{CC} - I_C . R_C \!$

Tot slot,

$V_{CE} = V_C - V_E \!$

AC Analyse

Figuur 3: AC equivalente schakeling van de gemeenschappelijke-emitter versterker

Om de AC-werking van de verterker te kunnen analyseren moeten de equivalente AC schakeling gemaakt worden, dit gebeurt als volgt:

1. De condensators C₁, C₂ en C₃ worden vervangen door effectieve kortsluitingen omdat hun waarde zo geselecteerd is dat hun impedantie bij de signaalfrequentie verwaarloosbaar is en gelijkgesteld mag worden aan 0 Ω.
2. De gelijkspanningsbron wordt vervangen door een aarding.

Een DC-spanningsbron heeft een interne weerstand van ongeveer 0 Ω omdat het onafhankelijk van de lading (binnen limieten) een constante spanning behoudt. Er kan geen AC-spanning overstaan dus wordt het bezien als een AC-kortsluiting. Dit is waarom een DC-spanningsbron een AC-aarding wordt genoemd. De equivalente AC schakeling is te bekijken in nevenstaande figuur. Merk op dat zowel R_C als R₁ met 1 einde verbonden zijn naar de AC-aarding. Dit komt doordat ze in de werkelijke schakeling verbonden waren met de gelijkspanningsbron, VCC.

In de AC-analyse wordt er geen onderscheid gemaakt tussen een werkelijke aarding en een AC-aarding. De versterker in de eerste figuur wordt een gemeenschappelijke-emitter genoemd omdat de bypass condensators C₂ de emitter op de AC-aarding houdt. En de aarding is een gemeenschappelijk punt in de schakeling.

Signaalspanning aan de base

Figuur 4: AC equivalente van de base-schakeling.

In de nevenstaande figuur wordt een wisselspanningsbron getoond die is verbonden aan de ingang van de schakeling, deze keer wordt de interne weerstand van de bron apart weergegeven als R_s. Als de interne weerstand van de wisselspanningsbron gelijk is aan 0 Ω, zal alle spanning van de bron op de base-klem komen te staan. Maar als de interne weerstand niet nul is, moeten er rekening gehouden worden met drie factoren om de signaalspanning aan de base-klem te bepalen. Deze zijn de bron weerstand (R_s), de bias weerstand (R₁ || R₂) en de AC-ingangsweerstand aan de base van de transistor (R_in(base)). Als we deze drie weerstanden parallel combineren, krijgen we de totale ingangsweerstand (R_in(tot)), dit is de weerstand die gezien wordt door een wisselspanningsbron die verbonden is met de ingang van de schakeling.

Een hoge waarde voor deze ingangsweerstand is wenselijk zodat de versterker de signaalbron niet overdadig zou belasten. Dit is wel de tegenovergestelde vereiste voor een stabiel rustpunt, hiervoor zijn kleine weerstanden nodig. De botsende vereisten voor een hoge ingangsweerstand en een stabiel rustpunt is 1 van de afwegingen die gemaakt moet worden wanneer men de componenten voor een schakeling kiest.

De totale ingangsweerstand wordt uitgedrukt met volgende formule:

$R_{in(tot)} = R_1 || R_2 || R_{in(base)} \!$

In figuur 4 kunnen we dus zien dat de signaalspanning (V_s) van S1 wordt gedeeld door R_s en R_in(tot) zodat de signaalspanning aan de base van de transistor (V_b) kan gevonden worden met formule van de spanningsdeler, deze gaat als volgt:

$V_b = \left (\frac{R_{int(tot)}}{R_s + R_{int(tot)}} \right) . V_s \!$

Dus als R_s << R_in(tot), dan V_b $\scriptstyle \approx$ V_s waar V_b de ingangsspanning naar de versterker is.

Ingangsweerstand aan de base

Figuur 5: Het r-parameter transistormodel

Om een uitdrukking te ontwikkelen die de AC ingangsweerstand beschrijft, bekeken vanaf de base gebruikt me, het vereenvoudigde r-parameter model van de transistor. Figuur 5 toont het transistor model verbonden met een externe collector resistor (R_C). De ingangsweerstand bekeken vanaf de base wordt gegeven door volgende formule:

$R_{in(base)} = \left (\frac{V_{in}}{I_{in}} \right) = \left (\frac{V_{b}}{I_{b}} \right) \!$

De base-spanning is

$V_b = I_e . r'_e \!$

En omdat $\scriptstyle I_e \approx I_c$,

$I_b \approx \frac{I_e}{\beta_{ac}} \!$

Het vervangen van V_b en I_b,

$R_{in(base)} = \left (\frac{V_{b}}{I_{b}} \right) = \left (\frac{I_{e} . r'_e}{I_{e} / \beta_{ac}} \right) \!$

Als we hier I_e uit weghalen, krijgen we:

$R_{in(base)} = \beta_{ac} . r'_e \!$

Uitgangsweerstand

De uitgangsweerstand van de gemeenschappelijke-emitter versterker is de weerstand die gezien wordt wanner men binnenkijkt vanaf de collector en is ongeveer gelijk aan de collector-weerstand (R_C).

$R_{out} \approx R_C$

Eigenlijk is R_out = R_C || r'_c maar omdat de interne AC collector-weerstand (r'_c) typisch zoveel groter is dan R_C, is bovenstaande formule gewoonlijk geldig.

Referenties

• Floyd, Thomas L. (2007), 'Electronic Devices (Conventional Current Version): Eight Edition'