Felles emitter

Et felles emitter-trinn er en grunnleggende kobling i elektronikken. Det består av en transistor, formotstander, signalkondensatorer og driftspenning. Navnet på koblingen kommer av at emitteren er felles både for inngangen og utgangen av trinnet, som oftest jord. Trinnet brukes for signalspenninger og er en spenningsforsterker. Signalet kommer inn mellom basis og emitter. Det forsterkede signalet kommer ut mellom kollektor og emitter. Trinnet snur fasen på signalet; en bølgedal på inngangen blir til en bølgetopp på utgangen. Av de tre felles-konfigurasjonene (felles emitter, felles base, felles kollektor) har felles emitter-koblingen den høyeste energetiske forsterkningen. Både strøm og spenning forsterkes idet transistorstrømmen er sterkere enn inngangsstrømmen.

Felles emitter-kopling, til venstre i prinsipp. Til høyre en praktisk kobling med emitter-degenerasjon

Prinsippskjemaet oppviser en enorm spenningsforsterkning fordi bare små variasjoner i inngangsspenningen fører til store variasjoner i strømmen gjennom B-E-dioden, som må være forspent til ca. 0.55 V av inn-signalet. Denne strømvariasjonen ganges med transistorens strømforsterkningsfaktor hfe og kollektormotstandens verdi for å gi utgangsspenningen. Den prinsipielle koplingen er helt ubrukelig i praksis; inngangsspenningens DC-andel må passe nøyaktig til B-E diodens spenning, som i tillegg er ekstremt temperaturavhengig.

For å bote på dette innføres en såkalt emitter-degenerasjon i form av R4 i diagrammet til høyre. Denne reduserer spenningsforsterkningen til trinnet vesentlig og sørger også, med passe dimensjonering av R2 og R3 og forsyningsspenningen, for et noenlunde stabilt arbeispunkt for transistoren. Temperaturens innflytelse blir liten.

C3 og R7 kan innføres for å øke forsterkningen og samtidig beholde stabiliseringen. Stabiliseringen gjelder for arbeidspunktet, altså for DC og er gitt av R4's verdi. Forsterkningen gjelder over en gitt nedre signalfrekvens. R4 reduseres i verdi av R7 over en frekvens gitt av C3's verdi.

Felles emitter-kopling, til venstre i prinsipp. Til høyre en praktisk kobling med emitter-degenerasjon

Dette illustreres godt i responsfiguren fra en simulering. For de høyeste frekvensene henger transistoren ikke med; det er ingen diskrete komponenter som tar ned responsen ved høye frekvenser. Ved platået for maksimal forsterkning er C3 fullt ledende og R4||R7 omtrent 9 Ohm. Ved platået rundt 100 Hz leder ikke C3 og emitteren er degenerert kun med R4 på 100 Ohm. Mot enda lavere frekvenser sperrer C2.

C1 og C2 gjør at inn- og utganger svinger om jord og R5 og R6 lader kondensatorene slik at det ligger 0 V DC på inn- og utganger.

Forsterkningen for trinnet kan estimeres ganske bra som Rk/Re for den gjeldende frekvensen. Fordi transistoren har en egen Re blir estimatet alltid noe for stort. I eksemplet ses litt under 20 dB forsterkning ved 100 Hz, passende til 1k/100 = 10x = 20 dB. Ved høyere frekvenser er forsterkningen 36 dB passende til 1k/9.1 Ohm = 110 x = 40.8 dB. I siste tilfelle får transistorens egen Re mere innflytelse siden den jobber mot bare 9.1 Ohm, og estimatet blir derfor dårligere.

En vanlig variant av den viste koplingen er å ta spenningen til basis-spenningsdeleren fra kollektor istedenfor fra forsyningsspenningen. R2 må da splittes i to motstander og splittpunktet må avkoples slik at det ikke kobles signalfrekvenser mellom kollektor og base. Dette øker stabiliteten vesentlig, både for variasjon av driftsspenning og av temperatur. Det blir derigjennom brukt en negativ tilbakekopling for stabilisering av arbeidspunktet.

De følgende overveiinger gjelder der temperaturen har en stor innflytelse fordi emitterdegenerasjon er umulig eller uønsket. Dette gjelder særlig for effekttrinn hvor emitterstrømmen blir høy. Ustabilisert kalles den viste konfigurasjonen over, varianten kalles parallellmotkopling nedenfor.

Trinnet er vanlig å kobles på fire forskjellige måter:
• Ustabilisert FE-trinn
• Parallellmotkoblet FE-trinn
• Seriemotkoblet FE-trinn
• Avkoblet FE-trinn

Ustabilisert FE-trinn

Dette forsterkertrinnet er ikke ideelt. Transistoren har negativ temperatur-koeffisient. Det vil si at når transistoren blir varm, leder den bedre, slik at IK øker. Når IK øker, vil:
• Kurvene i transistorkarakteristikkene skyve seg oppover
• URK øker og UKE minker, slik at UKE ikke lenger har halv Ub i midtstilling.
Dette medfører da en uønskelig forskyving i arbeidspunktet.

Parallellmotkoblet FE-trinn

Denne forsterkerkoblingen hindrer en forskyvning av arbeidspunktet. Så lenge IK har en tendens til å øke, øker også URK, og da må UKE minke. Det gjør at URB minker. Det at URB minker, vil også gjøre at IB minker, slik at IK minker. På denne måten vil denne koblingen redusere virkningen av temperaturøkningen, og vi har altså klart å stabilisere arbeidspunktet. Likevel er det ofte slik at når man vinner på en ting, vil man ofte tape på en annen ting. I dette trinnet blir RB parallellkoblet mellom basis og kollektor. Da vil noe av det forsterkede signalet ut på kollektoren, føres tilbake igjen på basisen. Vi får en motkobling som minsker noe av signalforsterkningen.

Seriemotkoblet FE-trinn

Seriemotkoblet forsterkertrinn er en annen måte å minske temperaturdriften og spredningen i hFE. Vi lar det gå noe mer strøm enn IB gjennom RB2. Det er vanlig å la IRB2 være 5-10 ganger høyere enn IB. Når IK øker fordi transistoren blir varm, vil spenningsfaller over RE øke. Dersom URB2 er konstant når URE øker, må UBE minke for at likningen ”URB2 = UBE + URE” skal være sant. Når UBE minker, vil automatisk også IB og IK minke. Vi har dermed kompensert for at IK hadde en tendens til å øke. IK holder seg konstant på tross av om temperaturen endrer seg.

Vi vil også tape noe på denne måten å temperaturstabilisere på. RE er koblet i serie med RK og lager en motkobling for signalet fra emitter til jord. Spenningsforsterkningen blir: FU = RK /RE. Det vil si at jo større vi velger RE, desto mindre blir signalforsterkningen.

Avkoblet FE-trinn

Dersom vi avkopler forsterkertrinnet, kan vi kompensere for den negative temperaturkoeffisienten og samtidig slippe motkobling og forminsket forsterkning. Kondensator CE fungerer på akkurat samme måte som C1 og C2. Den skal sperre for likestrøm og slippe igjennom signalet (vekselstrøm). Signalet vil da aldri møte noen hindring i RE, fordi den tar snarveien gjennom CE.