BJT Puzzler: Emissor comum ou seguidor de emissor?

Alguns membros de alta reputação discordaram disso no contexto de outras perguntas, então pensei em publicá-lo como uma pergunta separada.

Pergunta: O NPN BJT neste circuito está configurado como emissor ou coletor comum?

Observe que, talvez de maneira incomum, o nó S + é aterrado e o nó S é a saída. 'S' aqui significa sentido, mas para os propósitos atuais pode ser interpretado como$V_{out}$.

Isso faz parte de um circuito de fonte de alimentação de bancada CC e se parece com isso no nível do bloco. Observe que o símbolo de aparência do amplificador operacional representa o amplificador inteiro, não o amplificador operacional LF411 especificamente:

Abstraindo o amplificador operacional para uma fonte de tensão de sinal, acredito que esses dois sejam layouts alternativos para visualização do circuito. Eu os expus propositadamente em formas que lembram o emissor comum clássico e o coletor comum (seguidor de emissor), respectivamente.

Eu não quero estragar a diversão para ninguém, então minha própria conclusão está na barra de spoilers abaixo. Role o seu com o mouse para ver se você gosta. Isso representa minha melhor conclusão de trabalho. Eu ainda tenho um pingo de dúvida em minha mente :)

Emissor comum, mais especificamente, emissor aterrado. O BJT agrega ganho ao circuito, proporcional à resistência da carga.

As respostas devem indicar a justificativa para sua conclusão. Eu acho que um dos recursos interessantes de enigmas como esse é o que obriga a procurar o que é essencial no formulário, e não apenas reconhecê-lo na forma clássica :)

Eu não ia responder a essa pergunta, pois já havia passado por ela com uma pergunta anterior do OP (scanny). Mas, se transformou em uma bagunça, não posso evitar. Quero dizer, uma resposta certa de 3 até agora? Como esse circuito é tão confuso? Vamos chegar a isso, mas primeiro um pouco de história.

Quando vi esse circuito pela primeira vez, escrevi uma análise dele como um seguidor de emissor. Eu não vi o chão a princípio, pois ele estava habilmente escondido à vista entre a referência de entrada inversora U1 e$R_{\text{load}}$. Então, em um comentário, scanny sugeriu que ele pensava que o circuito era emissor comum. Do que ele está falando? Olhei para o circuito novamente e fiz um experimento mental variando as tensões dos nós e pensando no que isso significava, e tudo ainda parecia agir como um seguidor de emissor, tão nah. Mas scanny teve observações adicionais sobre o comportamento que não fazia sentido para e seguidor de emissor, mas fazia muito sentido para um emissor comum. Então, refiz o circuito a partir do zero para aprofundar as coisas. Depois de redesenhar o circuito, percebi que estava lidando com um idiota: eu às 1 da manhã.

Aqui está uma versão anotada do circuito que eu redesenhei:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Redesenhar o circuito como um pequeno modelo de sinal AC me fez reorientar tudo e realmente pensar em V.unreg, V.ref e onde estavam todos os motivos. O circuito resultante é claramente um emissor comum.

Importante realizar no circuito:

• A referência real é S + ou ground.
• V.unreg é diferencialmente 45V, mas o modo comum flutua com Q1-c.
• V.unreg e V.ref atuam como tensões de deslocamento.

Se você comparar a mudança de tensão entre $R_{\text{load}}$ visto quando a saída U1 é modulada neste circuito, para o circuito original, você verá os dois circuitos fazendo a mesma coisa.

Mas, por que esse circuito tem sido tão confuso?

Embora o esquema original seja bem desenhado, a orientação de Q1 e o posicionamento relativo de V.unreg e $R_{\text{load}}$são muito parecidos com os de um estágio de potência de seguidor de emissor. A topologia de seguidor de emissor também é esperada em um aplicativo como este (geralmente, pois o emissor comum tem muito mais problemas de estabilidade).

É uma espécie de enquadramento. As pessoas, por habituação, carregam a mola para ver primeiro um seguidor de emissor. Uma vez visto dessa maneira, há negação de outros pontos de vista.

Aqui, vamos redesenhar o circuito, de outra maneira diferente, mas equivalente.

^{simule este circuito}

É bem claro que tudo está relacionado a S +, V.unreg flutua, e a tensão em S- é modulada por Q1-c, alterando a tensão de modo comum de V.unreg.

A fonte de alimentação opamp é referenciada em S +? Nesse caso, o BJT é como você diz na configuração comum do emissor e você terá problemas para estabilizar o loop de feedback.

Aqui está a parte relevante do circuito redesenhado: -

Há 45V no coletor em relação a S-.

A tensão do emissor faz o que a saída do amplificador operacional (-0,7 volts mais baixo), ou seja, é o elemento de controle e é um seguidor de emissor.

Se eu desenhasse o circuito com S + sendo a saída e S- denominada "terra", alguém discordaria de que este é um coletor comum:

Cometi um erro nesta conversão? Minha simulação (usando V4) como estímulo me dá os resultados que eu esperaria de um colecionador comum, mas infelizmente meu simulador está dando resultados estúpidos se eu apenas trocar o terreno e os rótulos Vout, então isso é irritante.

Aqui estão os resultados conforme o circuito acima: -

O ganho é de 12.146 dB de CC para mais de 100kHz, o ponto 3dB é de 1.246 MHz e o ângulo de fase é de -71 graus nessa frequência. Estou faltando alguma coisa aqui? Eu também estou sendo estúpido (não é inédito)?

Se eu usasse dois 7805s como este: -

Torna o 7805 inferior instável? Esta é uma conexão de circuito perfeitamente válida e, na figura 17 da ficha de dados da Fairchild, mostra um exemplo semelhante: -

Há muito trabalho bom sugerindo que é um emissor comum, então estou começando a sentir que posso ter perdido alguma coisa aqui?

Se você desenhar os equivalentes CA à direita e deixar a maior parte da polarização, os amplificadores CC e CE parecerão quase idênticos. (Lembre-se, idealmente, nenhuma corrente flui através da fonte de sinal!)

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

^{simule este circuito}

Mas é claro, eles não são idênticos. A polarização de DC também é importante! Lembre-se de que na região linear,$V_C > V_E$. O modelo AC sozinho não garante isso. Observar a direção do fluxo de corrente CC + CA deixa clara a diferença:

^{simule este circuito}

^{simule este circuito}

Então, aqui está como saber a diferença. Se a corrente de carga fluir do nó coletor para o nó emissor, é um emissor comum. Se a corrente de carga fluir do nó emissor para o nó coletor, é um coletor comum. Eu acho que essa regra funciona o tempo todo para saídas acopladas à CC. Para saídas acopladas a CA, funciona com a tensão máxima de coletor / emissor.

Independentemente de como você o desenha, seu emissor é conectado diretamente ao lado superior da saída. Isso o torna um amplificador de coletor comum (seguidor de emissor).

EDIT: Vou simular isso:

^{simule este circuito}

Não sei, pessoal, isso me parece muito um regulador linear CC. A geração de tensão de referência é estranha, mas não vejo como isso altera a topologia básica. Há uma tensão não regulamentada alta na entrada, uma tensão regulada mais baixa na saída e um transistor NPN no meio. S- é o nó comum compartilhado entre entrada e saída, e a corrente flui de S + para S-. O feedback negativo é obtido de S +. Como isso pode ser outra coisa senão um seguidor de emissor?

Talvez esteja faltando alguma coisa. Vou tentar novamente com o circuito do amplificador operacional substituído por uma fonte de tensão DC (Vctrl). A questão agora é o que usar como base de origem? Vou tentar S- primeiro:

^{simule este circuito}

Variei o Vctrl de 0V a 47V e vi o comportamento que eu esperaria de um seguidor de emissor. Agora vou tentar referenciar a fonte para S +:

^{simule este circuito}

A varredura de Vctrl de 0V a 1V agora me dá muito ganho na saída. Suponho que você poderia chamá-lo de inversão se você trocar a polaridade de saída, então acho que posso ver por que você chamaria de CE. A principal diferença parece ser que, no primeiro caso, estou controlando$V_{BE} + V_O$e, no segundo caso, estou controlando apenas $V_{BE}$.

Se eu entender que estou controlando $V_{BE}$com a carga no coletor, ele começa a soar mais como um amplificador de transcondutância do que qualquer uma das topologias comuns de amplificadores de tensão. Eu acho que é o que você esperaria de um circuito de transistor vazio. Mas a tensão de saída é constante ...

Estou sentindo falta de algo, mas não tenho certeza do que é.