Quel est le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun?

Dans le domaine des circuits électroniques, l'amplificateur de collecteur commun, également connu sous le nom de l'émetteur-suiveur, est un bloc de construction fondamental avec des caractéristiques uniques. En tant que fournisseur de transistor de confiance, on me pose souvent des questions sur le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun. Dans ce blog, nous approfondirons ce sujet, explorant ce qu'est le gain de tension, comment il est calculé pour un amplificateur de collecteur commun et sa signification dans les applications pratiques.

Comprendre le gain de tension

Avant de discuter spécifiquement du gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun, comprenons d'abord ce que le gain de tension signifie en général. Le gain de tension est une mesure de la quantité d'un amplificateur peut augmenter l'amplitude d'un signal de tension d'entrée. Il est défini comme le rapport de la tension de sortie ($ v_ {out} $) à la tension d'entrée ($ v_ {in} $), et est généralement indiqué par le symbole $ a_v $. Mathématiquement, il peut être exprimé comme:

[A_v = \ frac {v_ {out}} {v_ {in}}]

Un gain de tension supérieur à 1 indique que l'amplificateur augmente l'amplitude de tension du signal d'entrée, tandis qu'un gain inférieur à 1 signifie que la tension de sortie est plus petite que la tension d'entrée. Un gain de 1 implique que la tension de sortie est égale à la tension d'entrée.

La configuration commune de l'amplificateur collecteur

Un amplificateur de collecteur commun est un type de circuit d'amplificateur de transistor de jonction bipolaire (BJT). Dans cette configuration, le terminal collecteur du transistor est connecté à un point de référence commun, généralement la masse ou une tension d'alimentation fixe. Le signal d'entrée est appliqué à la borne de base et la sortie est tirée de la borne émetteur.

Le principal avantage de l'amplificateur de collecteur commun est son impédance d'entrée élevée et son faible impédance de sortie. Cela le rend utile pour la correspondance d'impédance entre les différentes étapes d'un circuit électronique, ainsi que pour les applications tampones où une source à haute impédance doit entraîner une charge à faible impédance.

Calcul du gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun

Pour calculer le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun, nous devons analyser le circuit en utilisant les principes de base du transistor. Prenons un simple circuit d'amplificateur commun - collecteur avec un BJT. Le circuit équivalent à petit signal de l'amplificateur de collecteur commun peut être utilisé pour cette analyse.

La tension d'entrée $ v_ {in} $ est liée à la tension de base - émetteur $ v_ {be} $ et la tension de sortie $ v_ {out} $ (qui est la tension de l'émetteur) par les relations suivantes. La base actuelle $ i_b $ et l'émetteur actuel $ i_e $ sont liés par $ i_e = (1 + \ beta) i_b $, où $ \ beta $ est le gain actuel du transistor.

La tension de sortie $ v_ {out} = i_er_e $, où $ r_e $ est la résistance d'émetteur. La tension d'entrée $ v_ {in} = v_ {be} + v_ {out} $.

Pour une petite analyse de signal, nous supposons que la tension de base - émetteur $ v_ {be} $ est approximativement constante (environ 0,7 V pour un BJT de silicium dans la région active). Le petit gain de tension de signal $ a_v $ peut être dérivé comme suit:

Nous savons que $ v_ {in} = v_ {be} + v_ {out} $, et puisque $ v_ {be} $ est relativement petit par rapport à $ v_ {out} $ dans le régime de petit signal, nous pouvons approximer le gain de tension comme:

[A_v = \ frac {v_ {out}} {v_ {in}} \ approx \ frac {v_ {out}} {v_ {out} + v_ {be}} \ approx 1]

Dans une analyse plus détaillée, compte tenu du petit circuit équivalent de signal avec la résistance d'entrée du transistor $ r _ {\ pi} = \ frac {\ beta v_t} {i_c} $, où $ v_t = kt / q \ approx26 \ mv $ à la température ambiante et $ i_c $ est le courant collecteur.

Le petit gain de tension de signal $ a_v $ est donné par:

[A_v = \ frac {(1 + \ beta) r_e} {r _ {\ pi} + (1 + \ beta) r_e}]

Puisque $ \ bêta $ est généralement important (par exemple, 100 - 300 pour un BJT commun), et $ (1+ \ beta) r_e \ gg r _ {\ pi} $, le gain de tension $ a_v $ est très proche de 1. En fait, à des fins les plus pratiques, nous pouvons dire que le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun est approximativement 1.

Signification du gain de tension dans des applications pratiques

Le fait que le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun est environ 1 peut sembler peu impressionnant à première vue. Cependant, sa valeur réside dans d'autres aspects.

Correspondance d'impédance

Comme mentionné précédemment, l'amplificateur collecteur commun a une impédance d'entrée élevée et une faible impédance de sortie. Cela le rend idéal pour la correspondance d'impédance. Par exemple, dans un récepteur radio, l'antenne a une impédance élevée et les étapes suivantes du récepteur peuvent avoir une faible impédance. En utilisant un amplificateur de collecteur commun comme tampon entre l'antenne et les étapes du récepteur, nous pouvons transférer efficacement le signal sans perte significative en raison d'un décalage d'impédance.

Tampon

Dans un système d'amplificateurs multiples, un amplificateur de collecteur commun peut être utilisé comme stade de tampon. Une étape de tampon isole une étape d'une autre, empêchant l'effet de chargement de l'étape suivante sur la précédente. Étant donné que le gain de tension est proche de 1, l'amplitude du signal reste presque la même, mais les caractéristiques d'impédance sont ajustées pour assurer un bon transfert de signal.

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Conclusion

En conclusion, le gain de tension d'un amplificateur de collecteur commun est d'environ 1, ce qui peut sembler une petite valeur en termes d'amplification de tension. Cependant, sa valeur réelle réside dans son impédance d'entrée élevée et son faible impédance de sortie, ce qui le rend extrêmement utile pour les applications de correspondance et tampon d'impédance.

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Références

1. Sedra, Adel S. et Kenneth C. Smith. "Circuits microélectroniques." Oxford University Press, 2015.
2. Boylestad, Robert L. et Louis Nashelsky. "Dispositifs électroniques et théorie des circuits." Pearson, 2018.