共集極

在電子學中，共集極（英語：Common collector）放大器是雙極性電晶體（bipolar junction transistor (BJT)）放大器電路的三種基本組成方式之一（另外兩種為共射極和共基極），通常被用在電壓緩衝器中。在這種電路接法裏，電晶體的基極充當輸入端，射極則充當輸出端，集極作為二者的公共端（例如接地或者連接到一個電源），「共集極」因此得名。在場效電晶體中，類似的概念稱作共汲極。

圖1：基本NPN型共集極電路

基本電路

圖2：負反饋放大器的框圖

共集極電路可以將電晶體看作是受負反饋控制。從這個觀點來看，上圖所示的放大器具有連續負反饋。在右面的方框圖中，β = 1，輸出訊號V_OUT的全幅值被反相引回輸入端並與輸入訊號V_IN疊加。這樣，根據基爾霍夫電路定律得到兩個電壓的差值Vdiff = V_IN - V_OUT並施加在基極、射極之間。電晶體能夠連續不斷地監視Vdiff，並通過流經射極電阻R_E的電流來調節射極電壓，使輸出電壓幾乎達到輸入電壓。其結果是，輸出電壓「隨着」輸入電壓值在V_BEO與V₊之間變化。因此，共集極電路也可以稱作射極隨耦器（emitter follower）。作為直覺，放大器電路的這一行為也可以這樣理解：電晶體中基極-射極電壓對於偏壓電壓十分敏感，所以基極電壓的改變會傳至射極。電路的一些參數將會影響輸出值與輸入電壓的偏差，例如溫度漂移、負載電阻、集極電阻（如果有）等。即使輸入電壓達到電源電壓V₊，電路也不會達到飽和狀態。

共集極電路的電壓增益表示為：^[1]

${\displaystyle {A_{\mathrm {v} }}={v_{\mathrm {out} } \over v_{\mathrm {in} }}\approx 1}$

圖3：PNP形式的射極隨耦器電路

電路輸入端的較小變化可以在輸出端被複製（偏差取決於電晶體的增益以及負載電阻的數值，請見以下公式）。這個電路由於具有很大的輸入阻抗（input impedance），對前一級電路相當於斷路，因而十分有用：

${\displaystyle r_{\mathrm {in} }\approx \beta _{0}R_{\mathrm {E} }}$

同時，共集極電路具有較小的輸出阻抗，因此可以驅動低電阻負載：

${\displaystyle r_{\mathrm {out} }\approx {R_{\mathrm {E} }}\|{R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}}}$

典型的情況是，射極電阻很大，因此可以從上式中略去：

${\displaystyle r_{\mathrm {out} }\approx {R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}}}$

應用

圖4：NPN電壓跟隨器，具有電流源為後級集成電路提供偏壓

共集極電路較小的輸出阻抗允許一個本來具有大輸出阻抗的訊號源驅動一個下一級小阻抗的負載，其功能相當於一個電壓緩衝器。換句話說，這個電路具有顯著的電流增益（其大小取決於電晶體的h_FE），而電壓增益近似為1。^[1]輸入電流的微小變化都會在輸出端成倍地輸出給負載。

共集極電壓緩衝器的一個特點是其對於電路阻抗的改變。例如，大輸出阻抗的電壓源與跟隨器相連之後，其對於後一級電路的等效輸出電阻將只表現為共集極電路這一級本身的輸出阻抗。這使得電壓源的工作情況更為理想。相反的，從前一級的電壓源往後看，後一級電路等效的輸入電阻將會增大。

這種電路配置通常被用在B類和AB類放大器電路。另外，在A類放大器電路中，有時會使用一個電流源而不是R_E來改善電路的線性以及效率。^[2]

性質

在低頻電路中，可以使用混合pi模型來進行計算。下表中，參數${\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}$，豎直的兩條平行線表示求其左右兩邊電阻的並聯等效。

	定義	表達式	近似值	條件
電流增益	${\displaystyle {A_{\mathrm {i} }}={i_{\mathrm {out} } \over i_{\mathrm {in} }}}$	${\displaystyle \beta _{0}+1\ }$	${\displaystyle \approx \beta _{0}}$	${\displaystyle \beta _{0}\gg 1}$
電壓增益	${\displaystyle {A_{\mathrm {v} }}={v_{\mathrm {out} } \over v_{\mathrm {in} }}}$	${\displaystyle {g_{m}R_{\mathrm {E} } \over g_{m}R_{\mathrm {E} }+1}}$	${\displaystyle \approx 1}$	${\displaystyle g_{m}R_{\mathrm {E} }\gg 1}$
輸入阻抗	${\displaystyle r_{\mathrm {in} }={\frac {v_{in}}{i_{in}}}}$	${\displaystyle r_{\pi }+(\beta _{0}+1)R_{\mathrm {E} }\ }$	${\displaystyle \approx \beta _{0}R_{\mathrm {E} }}$	${\displaystyle (g_{m}R_{\mathrm {E} }\gg 1)\wedge (\beta _{0}\gg 1)}$
輸出阻抗	${\displaystyle r_{\mathrm {out} }={\frac {v_{out}}{i_{out}}}}$	${\displaystyle R_{\mathrm {E} }||\left({r_{\pi }+R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}+1}\right)}$	${\displaystyle \approx {1 \over g_{m}}+{R_{\mathrm {source} } \over \beta _{0}}}$	${\displaystyle (\beta _{0}\gg 1)\wedge (r_{\mathrm {in} }\gg R_{\mathrm {source} })}$

另外，${\displaystyle R_{\mathrm {source} }\ }$表示戴維南定理中前一級電路的等效輸出電阻。

參見

• 電子學主題

• 共汲極
• 共源極
• 差動放大器
• 混合-Pi 模型（英語：Hybrid-pi model）
• 二端口網絡

參考文獻

1. 童詩白、華成英 主編. 模拟电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社. 2006. ISBN 978-7-04-018922-3.
2. Rod Elliot: 20-watt class A power amplifier. [2011-12-04]. （原始內容存檔於2012-01-01）.

外部連結

• Learning Common Collector Configuration^{[永久失效連結]}
• R Victor Jones: Basic BJT Amplifier Configurations
• NPN Common Collector Amplifier（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） — HyperPhysics
• Theodore Pavlic: ECE 327: Transistor Basics; part 6: npn Emitter Follower （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Doug Gingrich: The common collector amplifier U of Alberta
• Raymond Frey: Lab exercises U of Oregon