공통 방출 증폭기

태양 전지를 광도 기기로 사용하는 데 관심이 있다고 가정합니다. 우리는 미터 이동을 구동하기 위해 출력 전류를 사용하여 태양 전지로 입사광의 강도를 측정하려고 합니다. 이를 위해 미터 무브먼트를 태양 전지에 직접 연결할 수 있습니다. 사진 작업을 위한 가장 간단한 노출계는 이렇게 설계되었습니다.

고휘도 빛이 직접 조도계를 구동합니다.

이 접근 방식은 중간 정도의 광도 측정에 적합할 수 있지만 낮은 광도 측정에는 잘 작동하지 않습니다. 태양 전지는 미터 무브먼트의 전력 수요를 공급해야 하기 때문에 시스템은 필연적으로 감도가 제한됩니다. 여기에서 매우 낮은 수준의 광도를 측정하는 것이 필요하다고 가정하면 다른 솔루션을 찾아야 합니다.

증폭기로서의 트랜지스터

아마도 이 측정 문제에 대한 가장 직접적인 해결책은 트랜지스터를 사용하여 확대 더 적은 입사광에 대해 더 많은 미터 편향을 얻을 수 있도록 태양 전지의 전류.

낮은 강도의 빛에 대해 셀 전류를 증폭해야 합니다.

이 회로에서 미터 이동을 통한 전류는 태양 전지 전류의 β배가 됩니다. 트랜지스터 β가 100이면 측정 감도가 크게 증가합니다. 미터 바늘을 움직이는 추가 전력은 태양 전지 자체가 아니라 회로의 맨 오른쪽에 있는 배터리에서 나온다는 점을 지적하는 것이 현명합니다. 태양 전지의 모든 전류는 제어합니다. 태양 전지가 도움 없이 제공할 수 있는 것보다 더 큰 미터 판독값을 제공하기 위해 미터에 배터리 전류를 공급합니다.

트랜지스터는 전류 조절 장치이고 미터 이동 표시는 움직이는 코일을 통한 전류를 기반으로 하기 때문에 이 회로의 미터 표시는 태양 전지에서 제공되는 전압의 양이 아니라 태양 전지의 전류에만 의존해야 합니다. 배터리. 이것은 회로의 정확도가 배터리 상태와 무관하다는 것을 의미합니다. 이는 중요한 기능입니다! 배터리에 필요한 것은 미터를 전체 규모로 구동하기 위한 특정 최소 전압 및 전류 출력 기능뿐입니다.

부하 저항을 통한 전류로 인한 전압 출력

공통 이미 터 구성을 사용할 수 있는 또 다른 방법은 출력 전압 을 생성하는 것입니다. 특정 출력 전류가 아닌 입력 신호에서 파생됨 . 미터의 움직임을 일반 저항으로 교체하고 컬렉터와 에미터 사이의 전압을 측정해 보겠습니다.

공통 이미 터 증폭기는 부하 저항을 통과하는 전류로 인해 전압 출력을 발생시킵니다.

태양 전지가 어두워지면(전류 없음) 트랜지스터는 차단 모드에 있고 컬렉터와 에미터 사이의 개방 스위치로 작동합니다. 이것은 최대 V_출력을 위해 컬렉터와 이미터 사이에 최대 전압 강하를 생성합니다. , 배터리의 전체 전압과 동일합니다.

최대 전력(최대 빛 노출)에서 태양 전지는 트랜지스터를 포화 모드로 구동하여 컬렉터와 에미터 사이의 닫힌 스위치처럼 작동합니다. 그 결과 컬렉터와 이미터 사이의 최소 전압 강하 또는 거의 0에 가까운 출력 전압이 됩니다. 실제로 포화 트랜지스터는 컬렉터 전류가 통과해야 하는 두 개의 PN 접합 때문에 컬렉터와 에미터 사이의 전압 강하를 0으로 만들 수 없습니다. 그러나 이 "컬렉터-이미터 포화 전압"은 사용된 특정 트랜지스터에 따라 약 10분의 1볼트 정도로 상당히 낮습니다.

0과 최대 태양 전지 출력 사이의 빛 노출 수준에 대해 트랜지스터는 활성 모드에 있고 출력 전압은 0과 전체 배터리 전압 사이에 있습니다. 공통 이미 터 구성에 대해 여기에서 주목해야 할 중요한 품질은 출력 전압이 반전된다는 것입니다. 입력 신호에 대해. 즉, 입력 신호가 증가함에 따라 출력 전압이 감소합니다. 이러한 이유로 공통 이미 터 증폭기 구성을 반전 이라고 합니다. 증폭기.

아래 그림의 회로에 대한 빠른 SPICE 시뮬레이션(아래 그림)을 통해 이 증폭기 회로에 대한 정성적 결론을 확인할 수 있습니다.

 *공통 이미 터 증폭기 i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end 

노드 번호 및 해당 SPICE 넷리스트가 있는 공통 이미터 회로도.

공통 이미 터:컬렉터 전압 출력 대 기본 전류 입력.

전류 소스(태양 전지)가 0 전류를 출력하는 위 그림의 시뮬레이션 시작 시, 트랜지스터는 차단 모드에 있고 배터리의 전체 15볼트가 증폭기 출력(노드 2와 0 사이)에 표시됩니다. . 태양 전지의 전류가 증가하기 시작하면 트랜지스터가 30μA의 기본 전류(3mA의 컬렉터 전류)에서 포화에 도달할 때까지 출력 전압이 비례적으로 감소합니다. 그래프의 출력 전압 트레이스가 0에 도달하지 않는 포화 지점까지 어떻게 완벽하게 선형인지(15볼트에서 1볼트까지) 확인하십시오. 이것은 포화 트랜지스터가 내부 접합 효과로 인해 컬렉터와 에미터 사이의 전압 강하를 정확히 0으로 만들 수 없는 앞에서 언급한 효과입니다. 입력 전류가 28μA에서 30μA로 증가함에 따라 출력 전압이 1볼트에서 0.2261볼트로 급격히 감소한 다음 그 이후로 출력 전압이 계속해서 감소하는 것을 볼 수 있습니다(점진적으로 더 작은 단계이지만). 이 시뮬레이션에서 얻을 수 있는 가장 낮은 출력 전압은 0.1299볼트이며 점근적으로 0에 접근합니다.

AC 증폭기로서의 트랜지스터

지금까지 우리는 트랜지스터가 DC 신호용 증폭기로 사용되는 것을 보았습니다. 태양 전지 조도 측정기의 예에서 우리는 태양 전지의 DC 출력을 증폭하여 DC 미터 이동을 구동하거나 DC 출력 전압을 생성하는 데 관심이 있었습니다. 그러나 이것이 트랜지스터를 증폭기로 사용할 수 있는 유일한 방법은 아닙니다. 종종 AC 교대 증폭용 증폭기 전류 및 전압 신호가 필요합니다. 이것의 일반적인 적용 중 하나는 오디오 전자 제품(라디오, 텔레비전 및 전관 방송 시스템)입니다. 앞서 우리는 트랜지스터 스위치를 활성화하는 소리굽쇠의 오디오 출력의 예를 보았습니다. 아래 그림의 램프가 아닌 스피커에 전원을 공급하도록 해당 회로를 수정할 수 있는지 봅시다.

오디오에 의해 활성화된 트랜지스터 스위치.

원래 회로에서는 전파 브리지 정류기를 사용하여 마이크의 AC 출력 신호를 트랜지스터의 입력을 구동하는 DC 전압으로 변환했습니다. 여기서 우리가 신경을 쓴 것은 마이크에서 나오는 소리 신호로 램프를 켜는 것뿐이었고 이 배열은 그 목적에 충분했습니다. 그러나 이제 우리는 AC 신호를 재생하고 스피커를 구동하려고 합니다. 즉, 트랜지스터를 구동하고 브리지 정류기를 제거하고 램프를 스피커로 교체하려면 왜곡되지 않은 AC 신호가 필요하기 때문에 마이크의 출력을 더 이상 수정할 수 없습니다.

공통 이미 터 증폭기는 오디오 주파수 신호로 스피커를 구동합니다.

마이크는 베이스-이미터 PN(다이오드) 접합의 순방향 전압 강하를 초과하는 전압을 생성할 수 있으므로 저항을 마이크와 직렬로 배치해야 합니다. SPICE로 회로를 시뮬레이션합니다. 넷리스트는 (아래 그림)에 포함되어 있습니다.

공통 이미 터 오디오 증폭기의 SPICE 버전입니다.

공통 이미 터 증폭기 vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m.plot (1,0) i(v1) .end 

DC 베이스 바이어스 부족으로 신호가 컬렉터에서 잘립니다.

시뮬레이션은 입력 전압(1.5볼트 피크 진폭 및 2000Hz 주파수의 AC 신호)과 스피커를 통과하는 전류와 동일한 15볼트 배터리를 통과하는 전류를 모두 표시합니다. 여기에서 볼 수 있는 것은 양의 방향과 음의 방향 모두에서 교번하는 전체 AC 사인파와 한 방향으로만 펄스하는 반파 출력 전류 파형입니다. 이 파형으로 스피커를 구동하면 소리가 왜곡됩니다.

회로에 어떤 문제가 있습니까? 마이크에서 전체 AC 파형을 충실하게 재생하지 못하는 이유는 무엇입니까? 이 질문에 대한 답은 아래 그림의 트랜지스터 다이오드 전류원 모델을 자세히 살펴보면 알 수 있습니다.

이 모델은 베이스 전류가 한 방향으로 흐르는 것을 보여줍니다.

컬렉터 전류는 베이스 에미터 다이오드를 통과하는 전류에 의해 설정된 속도에 따라 정전류 메커니즘을 통해 제어 또는 조절됩니다. 트랜지스터를 통과하는 두 전류 경로는 모두 단방향입니다. 단방향만! AC를 증폭하기 위해 트랜지스터를 사용하려는 의도에도 불구하고 신호, 본질적으로 DC 전류를 한 방향으로 처리할 수 있는 장치. 베이스와 이미 터 사이에 AC 전압 입력 신호를 적용할 수 있지만 베이스-이미터 다이오드 접합을 역 바이어스하는 사이클 부분 동안 해당 회로에 전류가 흐를 수 없습니다. 따라서 트랜지스터는 사이클의 해당 부분에서 차단 모드로 유지됩니다. 입력 전압이 베이스 에미터 다이오드를 순방향 바이어스하는 올바른 극성일 때와 해당 전압이 다이오드의 순방향 전압 강하를 극복하기에 충분히 높을 때만 활성 모드에서 "켜짐"이 됩니다. 바이폴라 트랜지스터는 전류 제어 장치라는 점을 기억하세요. :베이스-이미터 전류의 존재를 기반으로 컬렉터 전류를 조절합니다. , 베이스-에미터 전압이 아님 .

스피커를 통해 흐르는 전류로 트랜지스터가 전체 파형을 재생하도록 할 수 있는 유일한 방법은 트랜지스터를 항상 활성 모드로 유지하는 것입니다. 이는 전체 입력 파형 주기 동안 베이스를 통해 전류를 유지해야 함을 의미합니다. 결과적으로 베이스-이미터 다이오드 접합은 항상 순방향 바이어스를 유지해야 합니다. 다행히도 이것은 DC 바이어스 전압으로 수행할 수 있습니다. 입력 신호에 추가됩니다. AC 신호 소스와 직렬로 충분한 DC 전압을 연결함으로써, 순방향 바이어스는 파동 주기의 모든 지점에서 유지될 수 있습니다. (아래 그림)

Vbias는 트랜지스터를 활성 영역에 유지합니다.

공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model.tran 0.7 8.model.tran 0.np m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Vbias로 인한 왜곡되지 않은 출력 전류 I(v(1)

2.3볼트의 바이어스 전압 소스가 있는 상태에서 트랜지스터는 파형의 전체 주기 동안 활성 모드를 유지하여 스피커에서 파형을 충실하게 재생합니다. 입력 전압(노드 1과 0 사이에서 측정)이 약 0.8볼트와 3.8볼트 사이에서 변동한다는 점에 유의하십시오. 피크 대 피크 전압은 예상대로 3볼트입니다(소스 전압 =피크 1.5볼트). 출력(스피커) 전류는 입력(마이크) 신호와 180° 위상이 0에서 거의 300mA 사이에서 다양합니다.

아래 그림의 그림은 모든 관련 신호를 표시하기 위해 중요한 지점에 연결된 몇 개의 오실로스코프("스코프미터")가 있는 동일한 회로의 또 다른 보기입니다.

입력은 베이스에서 위쪽으로 바이어스됩니다. 출력이 반전됩니다.

편향

전파형 재생을 얻기 위해 트랜지스터 증폭기 회로를 바이어스해야 하는 필요성은 중요한 고려 사항입니다. . 이 장의 별도 섹션에서는 전적으로 편향 및 편향 기술의 주제에 전념할 것입니다. 현재로서는 증폭기에서 적절한 전압 및 전류 출력을 위해 바이어싱이 필요할 수 있다는 점을 이해하는 것으로 충분합니다.

이제 작동하는 증폭기 회로가 있으므로 전압, 전류 및 전력 이득을 조사할 수 있습니다. 이 SPICE 분석에 사용된 일반 트랜지스터는 아래 표의 텍스트 출력에 포함된 짧은 트랜지스터 통계 인쇄물에 표시된 대로 100의 β를 갖습니다(이 통계는 간결함을 위해 마지막 두 분석에서 잘라낸 것입니다).

BJT SPICE 모델 매개변수.

 유형 npn은 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000입니다.

β는 실제로 "베타, 앞으로"를 의미하는 약어 "bf" 아래에 나열됩니다. . 분석을 위해 자체 β 비율을 삽입하고 싶다면 SPICE 넷리스트의 .model 라인에서 그렇게 할 수 있습니다.

β는 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비율이고 트랜지스터의 컬렉터 단자와 직렬로 연결된 부하와 베이스와 직렬로 연결된 소스가 있기 때문에 출력 전류 대 입력 전류의 비율은 베타와 같습니다. 따라서 이 예제 증폭기의 현재 이득은 100 또는 40dB입니다.

전압 이득

전압 이득은 이 회로의 전류 이득보다 계산하기가 조금 더 복잡합니다. 항상 그렇듯이 전압 이득은 출력 전압을 입력 전압으로 나눈 비율로 정의됩니다. 이를 실험적으로 결정하기 위해 마지막 SPICE 분석을 수정하여 출력 전류가 아닌 출력 전압을 플롯하여 아래 그림에서 비교할 두 개의 전압 플롯을 갖게 되었습니다.

공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model.tran 0.7 8.model.tran 0.np m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

V(3), r 양단의 출력 전압 spkr , 입력과 비교.

동일한 스케일(0 ~ 4V)로 플롯하면 위 그림의 출력 파형이 입력 파형보다 더 작은 피크 대 피크 진폭을 가지며 더 낮은 바이어스 전압에 있을 뿐만 아니라 입력과 같은 0볼트. AC 증폭기의 전압 이득은 AC 진폭의 비율로 정의되므로 두 파형을 분리하는 DC 바이어스를 무시할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 입력 파형은 여전히 ​​출력보다 크며, 이는 전압 이득이 1(음의 dB 수치) 미만임을 알려줍니다.

낮은 전압 이득은 모든의 특징이 아닙니다. 공통 이미 터 증폭기. 이는 입력 저항과 부하 저항 사이의 큰 불균형의 결과입니다. 여기서 입력 저항(R1)은 1000Ω이고 부하(스피커)는 8Ω에 불과합니다. 이 증폭기의 전류 이득은 트랜지스터의 β에 의해서만 결정되고 β 수치는 고정되어 있기 때문에 이 증폭기의 전류 이득은 이러한 저항의 변화에 ​​따라 변하지 않습니다. 그러나 전압 이득은 입니다 이러한 저항에 의존합니다. 부하 저항을 변경하여 더 큰 값으로 만들면 부하 전류 범위에 대해 비례하여 더 큰 전압을 떨어뜨리므로 더 큰 출력 파형이 생성됩니다. 이번에는 8Ω 부하 대신 아래 그림에서 30Ω 부하로 다른 시뮬레이션을 시도하십시오.

공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .n0 modtran 0.p. m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

r_spkr 증가 30Ω까지 출력 전압 증가

이번에는 위 그림의 출력 전압 파형이 입력 파형보다 진폭이 훨씬 큽니다. 자세히 살펴보면 출력 파형이 0볼트에서 약 9볼트 사이에 있음을 알 수 있습니다. 이는 입력 전압 진폭의 약 3배입니다.

이 회로에 대한 또 다른 컴퓨터 분석을 수행할 수 있습니다. 이번에는 SPICE에 AC 관점에서 분석하도록 지시하여 파형의 시간 기반 플롯 대신 입력 및 출력에 대한 피크 전압 수치를 제공합니다. (아래 표)

AC 입력 및 출력 전압 인쇄를 위한 SPICE 넷리스트.

 공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin .print20 ac v00 1,0) v(4,3) .end 주파수 v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

입력 및 출력의 피크 전압 측정은 1.5볼트의 입력과 4.418볼트의 출력을 보여줍니다. 이것은 우리에게 2.9453(4.418V / 1.5V) 또는 9.3827dB의 전압 이득 비율을 제공합니다.

전압 이득 해결:

공통 이미 터 증폭기의 전류 이득은 β로 고정되어 있고 입력 및 출력 전압은 입력 및 출력 전류에 해당 저항을 곱한 값과 같으므로 대략적인 전압 이득에 대한 방정식을 도출할 수 있습니다.

보시다시피 전압 이득에 대한 예측 결과는 시뮬레이션 결과에 매우 가깝습니다. 완벽하게 선형적인 트랜지스터 동작을 사용하면 두 세트의 수치가 정확히 일치합니다. SPICE는 분석에서 바이폴라 트랜지스터 기능의 많은 "특이점"을 설명하는 합리적인 작업을 수행하므로 SPICE의 출력을 기반으로 한 전압 이득의 약간의 불일치가 있습니다.

이러한 전압 이득은 회로에서 출력 전압을 측정하는 위치에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 컬렉터와 에미터 또는 마지막 분석에서 했던 직렬 부하 저항. 출력 전압 변경의 양 주어진 양의 입력 전압에 대해 동일하게 유지됩니다. 이에 대한 증거로 다음 두 가지 SPICE 분석을 고려하십시오. 아래 그림의 첫 번째 시뮬레이션은 입력 및 출력 전압의 플롯을 제공하기 위해 시간 기반입니다. 두 신호가 서로 180o 위상이 다르다는 것을 알 수 있습니다. 아래 표의 두 번째 시뮬레이션은 입력 및 출력에 대한 간단한 피크 전압 판독값을 제공하기 위한 AC 분석입니다.

공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .n0 mod1 n0p m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end 

공통 이미터 증폭기는 R_spkr로 전압 이득을 보여줍니다. =30Ω AC 분석을 위한 SPICE 넷리스트

 공통 이미 터 증폭기 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin .print20 ac v00 1,0) v(3,0) .end 주파수 v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

우리는 여전히 1.5볼트의 피크 입력 전압과 함께 4.418볼트의 피크 출력 전압을 가지고 있습니다.

지금까지 이 섹션에 표시된 예제 회로는 모두 NPN 트랜지스터를 사용했습니다. PNP 트랜지스터는 모든에서 NPN만큼 사용하기에 유효합니다. 적절한 극성과 전류 방향이 유지되고 공통 이미 터 증폭기도 예외는 아닙니다. PNP 트랜지스터 증폭기의 출력 반전 및 이득은 NPN 대응 증폭기와 동일하며 배터리 극성만 다릅니다.

공통 이미 터 증폭기의 PNP 버전입니다.

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