Colector comun, Baza comuna si Cascoda

Colectorul comun

Sau repetor pe emitor, acesta indeplineste un alt rol indispensabil in amplificator ( amintiti-va castigul in tensiune ce nu se poate obtine fara emitorul comun ), aici se realizeaza castigul in curent. Schema simplificata este asta:


Vin este semnalul aplicat in baza, RL este sarcina, Vcc este alimentarea. Desi este un element foarte simplu, totusi sunt foarte multe de spus despre el, o sa incerc totusi sa nu fiu prea lung pentru a nu plictisi, asadar cativa parametrii.

Impedanta de intrare este rezistenta echivalenta vazuta de semnalul aplicat in baza, o voi nota cu Z_IN si este:


Adica impedanta de intrare este rezistenta sarcinii inmultita cu amplificarea in curent a tranzistorului ( cu hfe ), si este Z_B descris anterior.

Impedanta de iesire este rezistenta echivalenta a iesirii, un mod de a privi lucrurile ( cu scopul de a o intelege ) este sa va imaginati o sursa ideeala de tensiune care este acea sursa teoretica capabila de curent infinit ( tensiunea este perfect fixa indiferent de sarcina ), la care se inseriaza o rezistenta, cam asta este impedanta de iesire, pe care o notez cu Z_Out si este:


Unde Z_S este impedanta de iesire a stagiului anterior.

Amplificarea in tensiune de regula este subunitara ( nu poate fi mai mare de 1 ), este chiar asa cum suna, cum este afectat ca si amplitudine, semnalul din baza, in cazul ideeal pe sarcina se regaseste exact semnalul din baza insa la un curent mai mare, deci castig unitar in tensiune ( de aici si numele de "repetor in emitor" ) insa in realitate nu se intampla asa, o sa observati indata de ce. Asadar amplificarea in tensiune, A_V, este:


Unde R_L este rezistenta sarcinii, iar R_e' este rezistenta intrinseca din emitor descrisa anterior, si stim ca aceasta este dictata de curentul de colector, si cum acesta variaza in functie de semnal, rezulta in final si o variatie a amplificarii in tensiune cauzata de semnal, si implicit un important contributor la capitolul THD, problema foarte importanta la etajul final unde ne dorim un castig in tensiune cat mai constant si putin influentat de semnal, si asta nu se poate face decat cu o polarizare stricta, optima, intelegeti asadar importanta unui reglaj corect al curentului de mers in gol.

Amplificarea in curent este simplist spus, castigul in curent adaugat la semnalul de comanda din baza, il notez cu A_I si este:


Unde Is este curentul de care dispune semnalul aplicat in baza, spre exemplu avem un semnal limitat de 1mA si o amplificare in curent de 50hfe a tranzistorului, curentul disponibil pentru sarcina devine deci 50mA, ( dependenta directa a Ic de Ib este folosita la limitare spre exemplu ).


Neajunsuri

Una dintre principalele probleme derivate din descrierea de mai sus este amplificarea in tensiune care nu este una constanta ci puternic influentata de semnal, sa luam un exemplu cu schema initiala la care vom ignora pentru moment necesitatile Vbe pentru a fi mai usor de inteles. Sa presupunem R_L la 4 Ohm si un semnal pe sarcina de 1Vv, ( amplitudine varf ):


Presupunand ca semnalul creste la 2Vv:


Dar daca semnalul scade la 0,5Vv:


Imaginati-va acum variatii mari de multi volti, ale semnalului de pe sarcina, si veti obtine evident variatii importante ale castigului in tensiune, implicit contributie substantiala la THD. Aici intervine rezistenta de putere inseriata cu emitorul, scopul ei nu este doar de a egaliza curentii prin 2 sau mai multe perechi de tranzistori in paralel, ci si o importanta liniarizare a castigului in tensiune, pe ea se stabileste polarizarea optima ( biasul ) in asa fel incat influenta variatiilor Re' asupra castigului in tensiune a etajului final sa fie cat mai redusa. Dar mai multe detalii intr-o alta postare ce va trata detaliat etajul final.


Baza comuna

Pentru ca au existat ceva controverse in trecut, voi folosi expresia "cascoda" numai referindu-ma la combinatia dintre baza comuna si una dintre celelalte 2 configuratii ale bipolarului. Deci "Baza Comuna" este cea de a 3-a configuratie in care tranzistorul bipolar se poate folosi, schema de principiu cam asta ar fi:


Se numeste asa deoarece baza este mentinuta la un potential fix, fie direct la masa fie la o tensiune de polarizare cat mai stabila. Este asa cum pare, adica un tranzistor daca vreti, "ajutator" inseriat cu unul principal, se poate folosi in combinatie de tip "cascoda" cu ambele configuratii anterioare, adica atat colector comun cat si emitor comun:


In ambele situatii beneficiile folosirii cascodei sunt destul de importante, si o sa le luam pe rand pentru a intelege ce si cum, intai emitorul comun:


Q1 este tranzistorul emitor comun ( deci cel principal ) iar Q2 este baza comuna, la Q1 am adaugat si Ro' care este efectul early despre care am vorbit anterior, ne amintim ca acesta este simplist spus o rezistenta intre colector si emitor, sa ne reamintim formula ei:


Unde V_E este acel "early voltage" caracteristic tranzistorului respectiv. La numarator exista si Vce si aici este buba la emitorul comun, deoarece nu doar ca avem o rezistenta Ro' ( intre colector si emitor ) finita care poate fi destul de mica si deci impedanta de colector destul de redusa, insa valoarea Ro' variaza in ritm cu semnalul audio, deci in concluzie, castigul in bucla deschisa al emitorului comun variaza in functie de semnal datorita variatiei tensiunii de colector. Ceea ce face cascoda din schema este sa mentina colectorul Q1 la un potential fix, ceea ce elimina automat variatiile Ro' cu semnalul, ea inca exista insa cascoda reduce foarte mult efectele ei prin introducerea unui alt Ro' ( al bazei comune ) in serie cu aceasta dar la o valoare mult mai mare, caracterizata de produsul dintre Ro' calculat al cascodei si amplificarea in curent a acestuia.

Asadar concluzionand, baza comuna folosita in combinatie cascoda cu emitorul comun, atenueaza mult ( nu elimina complet ) efectul early, si faciliteaza obtinerea unui castig in bucla deschisa mult mai mare si mai putin dependent de semnal.

Analizam in continuare combinatia baza comuna+colector comun:


Q1 este tranzistorul principal, Q2 baza comuna, RE este rezistenta externa inseriata in emitor, RL este sarcina. Beneficiul? Pai sa presupunem ca avem Vcc la 100V si polarizam baza comuna la 50Vcc, care este tensiunea colector-emitor vazuta de fiecare din cei 2 tranzistori? Ati ghicit, 50V, adica ne putem folosi de cascoda pentru a limita tensiunea colector-emitor maxim vazuta de tranzistori, putand astfel folosi tranzistori de tensiune mai mica, totodata reducand si disipatia totala pe fiecare in parte, in amplificatoarele de mare sau foarte mare putere, unde alimentarile sunt foarte mari, artificiul asta poate fi foarte util pentru ca acolo limitari vin atat de la SOA maxim suportat de finali dar si de la Vce maxim al lor.

Asadar combinatia colector comun+baza comuna ajuta sa limitam tensiunea vazuta de fiecare tranzistor in parte, polarizand baza comuna la o tensiune atent aleasa care va reprezenta tocmai tensiunea maxim vazuta de tranzistorul ajutat ( principal ).

In articole viitoare vom putea analiza aplicatii concrete ale acestor configuratii elementare ale tranzistorilor, vom intelege astfel mai bine elementele bloc ale unui amplificator, si vom putea analiza mai eficient o schema oarecare.

Zi buna.
Marian.