BJT Puzzler: émetteur commun ou suiveur d'émetteur?


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Quelques membres de grande réputation ne sont pas d'accord sur ce point dans le contexte d'autres questions, j'ai donc pensé le publier comme une question distincte.

Question: Le NPN BJT dans ce circuit est-il configuré comme émetteur commun ou collecteur commun?

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Notez que, peut-être exceptionnellement, le nœud S + est mis à la terre et le nœud S- est la sortie. «S» signifie ici sens, mais aux fins actuelles, il peut être interprété comme .Vout

Cela fait partie d'un circuit d'alimentation de banc DC, et ressemble à ceci au niveau du bloc. Notez que le symbole à la recherche de l'ampli op représente l'ensemble de l'amplificateur, pas spécifiquement l'ampli op LF411:

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Résumé de l'ampli op à une source de tension de signal, je crois que ces deux sont chacun des dispositions alternatives pour visualiser le circuit. Je les ai délibérément disposés sous des formes rappelant respectivement l'émetteur commun classique et le collecteur commun (émetteur suiveur).

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Je ne veux gâcher le plaisir pour personne, donc ma propre conclusion est dans la barre de spoiler ci-dessous. Faites rouler votre souris pour voir si vous aimez. Cela représente ma meilleure conclusion de travail. J'ai encore une once de doute dans mon esprit :)

Émetteur commun, plus précisément, émetteur mis à la terre. Le BJT ajoute un gain au circuit, proportionnel à la résistance de charge.

Les réponses doivent indiquer la justification de leur conclusion. Je pense que l'une des caractéristiques intéressantes des énigmes comme celle-ci est qu'elle oblige à creuser pour ce qui est essentiel dans la forme, pas seulement à la reconnaître sous une forme classique :)


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ooh, une question piège!
gsills

J'essaie de comprendre qui pensait que c'était un bon circuit pour une alimentation ... vraiment, aucune des extrémités de votre source 45V n'est liée à une tension fixe? Cela ressemble à une recette pour des problèmes.
alex.forencich

@ alex.forencich - Il s'agit essentiellement du circuit exact (composants de compensation moins) pour l'Agilent E3610A que j'ai. Ils utilisent un darlington et il y a un transistor de commande PNP là-dedans, mais le profil de gain est essentiellement le même, juste augmenté de quelques dB à cause du darlington (2N6056). Il est assez courant dans mon expérience d'avoir une sortie flottante sur une alimentation CC de banc, et V.unreg est référencé à S-. C'est à cela que vous vouliez en venir?
scanny

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C'est une bonne question. Et, la façon dont les choses se passent ressemble à l'une des meilleures questions ici depuis longtemps.
gsills

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@scanny à ce jour a les meilleures questions formatées. Bien joué.
efox29

Réponses:


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Je n'allais pas répondre à cette question, car je l'avais déjà traversé avec une question précédente de l'OP (scanny). Mais, c'est devenu un tel gâchis, je ne peux pas m'en empêcher. Je veux dire, 1 bonne réponse sur 3 jusqu'à présent? Comment ce circuit est-il si déroutant? Nous y reviendrons, mais d'abord un peu d'histoire.

Quand j'ai vu ce circuit pour la première fois, j'en ai écrit une analyse en tant qu'émetteur adepte. Je n'ai pas vu le sol au début, car il était intelligemment dissimulé à la vue entre la référence d'entrée inverseuse U1 etRload. Puis, dans un commentaire, Scanny a suggéré qu'il pensait que le circuit était un émetteur commun. De quoi parle-t-il? J'ai regardé à nouveau le circuit et j'ai fait une expérience mentale en faisant varier les tensions des nœuds et en réfléchissant à ce que cela devait signifier, et tout semblait encore agir comme un émetteur adepte, alors non. Mais scanny avait des observations supplémentaires sur le comportement qui n'avaient aucun sens pour un émetteur suiveur, mais qui avaient beaucoup de sens pour un émetteur commun. J'ai donc redessiné le circuit à partir de zéro pour approfondir les choses. Après avoir redessiné le circuit, j'ai réalisé que j'avais affaire à un idiot: moi à 1h du matin.

Voici une version annotée du circuit que j'ai eu à redessiner:

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Redessiner le circuit comme un modèle CA à petit signal m'a fait tout réorienter, et vraiment penser à V.unreg, V.ref, et où étaient tous les terrains. Le circuit résultant est clairement un émetteur commun.

Important à réaliser dans le circuit:

  • La vraie référence est S + ou sol.
  • V.unreg est différentiellement 45V, mais le mode commun flotte avec Q1-c.
  • V.unreg et V.ref agissent comme des tensions de décalage.

Si vous comparez le changement de tension aux bornes de vu lorsque la sortie U1 est modulée dans ce circuit, au circuit d'origine, vous verrez que les deux circuits font la même chose.Rload


Mais pourquoi ce circuit a-t-il été si déroutant?

Bien que le schéma d'origine soit bien dessiné, l'orientation de Q1 et le placement relatif de V.unreg et sont très similaires à ceux que l'on pourrait attendre d'un étage de puissance émetteur suiveur. Une topologie d'émetteur suiveur est également attendue dans une application comme celle-ci (généralement, car l'émetteur commun a beaucoup plus de problèmes de stabilité).Rload

C'est une sorte de cadrage. Les gens, par accoutumance, se mettent au printemps pour voir d'abord un émetteur adepte. Une fois vu de cette façon, il y a déni d'autres points de vue.

Ici, redessinons le circuit, d'une autre manière différente mais équivalente.

schématique

simuler ce circuit

Il est assez clair que tout est référencé à S +, V.unreg flotte et la tension à S- est modulée par Q1-c en changeant la tension de mode commun de V.unreg.


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Je viens de supprimer ma réponse. C'était tout "un collectionneur commun / émetteur adepte" pour exactement les mêmes raisons que vous mentionnez dans votre deuxième paragraphe (sauf que je n'étais pas un idiot à 1 heure du matin, mais en idiot précipitant une réponse trop simple (?!) Dans le café -break après une réunion ennuyeuse. Cependant, si j'avais fait mon analyse des petits signaux comme j'aurais dû, j'aurais fini par exactement la solution que vous mentionnez. Merci d'avoir pris le temps de redessiner les schémas et de souligner l'insignifiance de la Source 45 V dans le modèle AC (petit signal)
zebonaut

Je pense à ce que tu dis et je reviens !!!
Andy aka

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@zebonaut, je pense que la plupart sont au moins quelque peu biaisés pour voir des circuits qui ressemblent à cela en tant qu'émetteurs adeptes, faciles à tromper par vous-même. Flotter la source 45V était très subtil. Un circuit intéressant.
gsills

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L'alimentation opamp est-elle référencée à S +? Si c'est le cas, le BJT est comme vous le dites dans la configuration d'émetteur commune et vous aurez des problèmes pour stabiliser la boucle de rétroaction.


Oui, l'alimentation de l'ampli op (12+ et 12- dans le schéma) est référencée à S +. J'ai supprimé tous les composants de compensation juste pour me concentrer sur la configuration de l'ampli BJT, mais oui, c'est un défi de compenser. Me fait me demander pourquoi les concepteurs professionnels d'alimentation DC choisissent ce circuit :)
scanny

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Ils ont "fait flotter" l'alimentation de l'ampli-op afin que la plage de tension de la sortie du circuit dans son ensemble puisse être beaucoup plus grande que ce que l'opamp serait capable de gérer directement.
Dave Tweed

Dites Kevin, pourriez-vous développer un peu votre raisonnement? Il semble que nous ne le voyons toujours pas tous de cette façon, alors j'espère que vous pourrez nous aider à suivre votre conclusion :)
scanny

4

Voici la partie pertinente du circuit redessiné: -

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Il y a 45V sur le collecteur par rapport à S-.

La tension de l'émetteur fait ce que fait la sortie de l'ampli op (-0,7 volts plus bas), c'est-à-dire que c'est l'élément de contrôle et c'est un émetteur suiveur.

Si je dessinais le circuit avec S + comme sortie et S- étant appelé "masse", quelqu'un serait-il en désaccord sur le fait qu'il s'agit d'un collecteur commun: -

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Ai-je fait une erreur dans cette conversion? Ma simulation (en utilisant V4) comme stimulus me donne les résultats que j'attendrais pour un collecteur commun mais malheureusement mon simulateur donne des résultats stupides si je permute UNIQUEMENT le sol et les étiquettes Vout donc c'est ennuyeux.

Voici les résultats selon le circuit ci-dessus: -

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Le gain est de 12,146 dB de DC à bien au-dessus de 100 kHz, le point 3dB est de 1,246 MHz et l'angle de phase est de -71 degrés à cette fréquence. Est-ce que j'ai râté quelque chose? Suis-je aussi stupide (pas inconnu)?

Si j'ai câblé deux 7805 comme ceci: -

entrez la description de l'image ici

Est-ce que cela rend le 7805 inférieur instable? Il s'agit d'une connexion de circuit parfaitement valide et sur la figure 17 de la fiche technique de Fairchild, elle montre un exemple similaire: -

entrez la description de l'image ici

Il y a beaucoup de bon travail suggérant qu'il s'agit d'un émetteur commun, donc je commence à penser que j'ai peut-être raté quelque chose ici?


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Mais comme l'alimentation de l'ampli op est référencée à S +, sa tension de sortie varie de quelques mV de 0,7 V dans les deux sens, juste assez pour fournir le courant demandé par le point de sommation d'échantillonnage (entrée non inverseuse); (qui planerait très près de 0V pour tout ce qui pourrait avoir de l'importance). Et comme la sortie est S-, vous obtiendrez grosso modo -30 V pour un changement de 0,3 V pour un gain de l'ordre de 100. Suis-je en train de manquer quelque chose?
scanny

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@Andy, votre erreur semble être de regarder que le U1 est référencé à S + dans tous les sens. Par conséquent, il entraîne Q1-b par rapport à Q1-e. L'émetteur ne suit nulle part.
gsills

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Je veux dire que puisque l'OpAmp est référencé à la terre, et aussi à l'émetteur, il entraînera la base par rapport à l'émetteur. Après avoir atteint la région active, de très petits changementsVb peut provoquer de grands changements dans Vc, mais Vene changera pas. L'émetteur ne suit pas vraiment la base.
gsills

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@Andy, il y a 2 concepts clés et subtils qui font du circuit original (OC) en question un émetteur commun (CE): V.unreg flotte librement et Q1-b est piloté par rapport à Q1-e par U1 depuis U1-inv utilise Q1-e et S + comme référence. Tout circuit tracé où V.unreg est directement lié à la terre ou à la référence ne sera pas équivalent à l'OC, et donc pas pertinent pour la question. Un émetteur suiveur (EF) pourrait-il être utilisé dans un régulateur au lieu de l'OC? Bien sûr, mais ce serait un circuit différent.
gsills

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Le circuit que vous avez ajouté avec S + comme sortie et S- comme masse, a un émetteur suiveur comme étage de puissance. Mais n'est pas équivalent à l'OC. Ici, les commentaires pour OpAmp vont de Q1-e à X1-inv, comme vous vous en doutez pour EF. Mais la référence en X1-noninv est en conflit, liée à la fois au sol et à Vout. Ainsi, le régulateur est auto-modulant et la référence n'est pas stable. Les résultats de simulation de ce circuit ne doivent pas être approuvés.
gsills

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Si vous dessinez les équivalents CA à droite et omettez la plupart des polarisations, les amplificateurs CC et CE semblent presque identiques. (N'oubliez pas, idéalement, aucun courant ne circule dans la source de signal!)

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

schématique

simuler ce circuit

Mais bien sûr, ils ne sont pas identiques. Le biais DC importe aussi! N'oubliez pas que dans la région linéaire,VC>VE. Le modèle AC seul ne garantit pas cela. En regardant la direction du flux de courant DC + AC, la différence est claire:

schématique

simuler ce circuit

schématique

simuler ce circuit

Alors, voici comment faire la différence. Si le courant de charge circule du nœud collecteur vers le nœud émetteur, il s'agit d'un émetteur commun. Si le courant de charge circule du nœud émetteur vers le nœud collecteur, c'est le collecteur commun. Je pense que cette règle fonctionne tout le temps pour les sorties couplées en courant continu. Pour les sorties couplées AC, il fonctionne à la tension crête du collecteur / émetteur.

Quelle que soit la façon dont vous le dessinez, votre émetteur est connecté directement au côté haut de la sortie. Cela en fait un amplificateur à collecteur commun (émetteur suiveur).

EDIT: je vais simuler ceci:

schématique

simuler ce circuit

Je ne sais pas, les gars, cela me ressemble énormément à un régulateur linéaire CC. La génération de tension de référence est bizarre, mais je ne vois pas comment cela change la topologie de base. Il y a une tension non régulée élevée à l'entrée, une tension régulée inférieure à la sortie et un transistor NPN entre les deux. S- est le nœud commun qui est partagé entre l'entrée et la sortie, et le courant circule de S + vers S-. La rétroaction négative est tirée de S +. Comment cela peut-il être autre chose qu'un émetteur adepte?

Peut-être que je manque quelque chose. Je vais réessayer avec le circuit ampli op remplacé par une source de tension continue (Vctrl). La question est maintenant de savoir quoi utiliser comme terre source? Je vais essayer S- d'abord:

schématique

simuler ce circuit

Balayage CC de Vb - VS-

J'ai balayé Vctrl de 0V à 47V et j'ai vu le comportement que j'attendrais d'un émetteur suiveur. Je vais maintenant essayer de référencer la source à S +:

schématique

simuler ce circuit

Balayage CC de Vb - VS +

Balayer Vctrl de 0V à 1V me donne maintenant beaucoup de gain sur la sortie. Je suppose que vous pourriez l'appeler inverser si vous échangez la polarité de sortie, donc je suppose que je peux voir pourquoi vous l'appelez CE. La principale différence semble être que dans le premier cas, je contrôleVBE+VO, et dans le deuxième cas, je contrôle seulement VBE.

Si je considère que je contrôle VBEavec la charge sur le collecteur, il commence alors à sonner plus comme un amplificateur à transconductance que n'importe quelle topologie d'amplificateur de tension habituelle. Je suppose que c'est ce que vous attendez d'un circuit à transistor nu. Mais la tension de sortie est constante ...

Il me manque quelque chose, mais je ne suis pas sûr de ce que c'est.


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Il y a 45V à garder Vc > Ve. Mais, dites-vous que c'est un émetteur adepte qui inverse? Parce qu'alimenté en courant alternatif, il s'inverse, comme le ferait un émetteur ordinaire.
gsills

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J'ai mis à jour ma réponse. Vous pouvez peut-être aider à dissiper ma confusion.
Adam Haun

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Heh, bien regarder les circuits simplifiés, avec Vctrl connecté à S + en premier. Cela me semble être la situation. SiVb est un peu augmenté, Vctombe beaucoup. Il y a inversion, et il doit y avoir une multiplication de Miller en cours. Semble juste être ce qui serait en pratique CE. Lorsque Vctrl est connecté à S-, je suis d'accord pour être un émetteur suiveur. Parce que Vctrl n'est pas connecté à l'émetteur, mais isolé parRL. Je dirais que dans ce cas, avoir le symbole du sol où il se trouve est une sorte de faux. Je pense que cela revient à où vcrtl est référencé.
gsills

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En ce qui concerne l'étage de puissance lorsque vcrtl est connecté à S +, il est possible d'échanger les positions de RL et Vunreget la fonction de base de Q1 n'est pas affectée. Mais cela ne fonctionne pas du tout dans le circuit avec vctrl connecté à S-.
gsills
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