تقویت کننده‌های کلکتور مشترک ولتاژی خروجی در بار متصل به امیتر تولید می‌کنند که با سیگنال ورودی هم فاز است.
تقویت کننده کلکتور مشترک نوع دیگری از پیکربندی ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT) است که در آن سیگنال ورودی به ترمینال بیس اعمال میشود و سیگنال خروجی از ترمینال امیتر گرفته میشود. بدین ترتیب ترمینال کلکتور بین مدارهای ورودی و خروجی مشترک است. این نوع پیکربندی کلکتور مشترک (CC) نامیده میشود، زیرا ترمینال کلکتور عملا از طریق منبع تغذیه «زمین» شده است.
از بسیاری جهات پیکربندی کلکتور مشترک (CC) برعکس پیکربندی امیتر مشترک (CE) است، چراکه مقاومت بار از ترمینال کلکتور، با برچسب RC، به ترمینال امیتر منتقل شده است، جایی که برچسب آن RE است.
پیکربندی کلکتور مشترک یا کلکتور زمین شده عموما در جایی استفاده میشود که یک منبع ورودی امپدانس بالا باید به یک بار خروجی امپدانس کم متصل شود که نیاز به بهره جریان زیاد دارد. مدار تقویت کننده کلکتور مشترک زیر را در نظر بگیرید.
تقویت کننده کلکتور مشترک با استفاده از ترانزیستور NPN
مقاومتهای R1 و R2 یک شبکه تقسیم ولتاژ ساده را تشکیل می‌دهند که برای بایاس ترانزیستور npn به ناحیه هدایت استفاده میشود. از آنجا که این تقسیم کننده ولتاژ بار سبکی برای ترانزیستور محسوب میشود، ولتاژ بیس (VB) را می‌توان به راحتی با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ محاسبه کرد.
شبکه تقسیم ولتاژ
با اتصال مستقیم ترمینال کلکتور ترانزیستور به VCC و بدون مقاومت کلکتور (RC=0) هر جریان کلکتوری یک افت ولتاژ در مقاومت امیتر (RE) ایجاد میکند.
با این حال، در مدار تقویت کننده کلکتور مشترک، همان افت ولتاژ (VE) همچنین نشان دهنده ولتاژ خروجی (Vout) است.
در حالت ایده‌آل می‌خواهیم افت ولتاژ DC دو سر RE برابر نصف ولتاژ منبع تغذیه (VCC) باشد تا ولتاژ خروجی حالت قطع ترانزیستور جایی در وسط منحنی‌های مشخصه قرار گیرد که حداکثر سیگنال خروجی بدون برش را ممکن می‌سازد. بنابراین انتخاب RE تا حد زیادی به IB و بهره جریان ترانزیستور (β) بستگی دارد.
از آنجا که پیوند pn بیس-امیتر دارای بایاس مستقیم است، جریان بیس از طریق پیوند وارد امیتر شده و ترانزیستور را تحریک میکند و باعث ایجاد جریان کلکتور بسیار بزرگتر (IC) میشود. بنابراین جریان امیتر ترکیبی از جریان بیس و جریان کلکتور است: IE=IB+IC. با این حال، از آنجا که جریان بیس در مقایسه با جریان کلکتور بسیار کوچک است، بنابراین جریان امیتر تقریبا برابر با جریان کلکتور می‌باشد. در نتیجه IE≈IC.
مانند پیکربندی تقویت کننده امیتر مشترک (CE)، سیگنال ورودی به ترمینال بیس ترانزیستور اعمال میشود و همانطور که قبلا گفتیم، سیگنال خروجی تقویت کننده از ترمینال امیتر گرفته میشود. با این حال، از آنجا که تنها یک پیوند pn با بایاس مستقیم بین بیس ترانزیستور و ترمینال امیتر آن وجود دارد، هرگونه سیگنال ورودی به بیس مستقیما از محل پیوند وارد امیتر میشود. بنابراین سیگنال خروجی موجود در امیتر با سیگنال ورودی اعمال شده در بیس هم فاز است.
از آنجا که سیگنال خروجی تقویت کننده از دو سر بار امیتر گرفته میشود، این نوع پیکربندی ترانزیستور به عنوان یک مدار دنبال کننده امیتر (Emitter Follower) نیز شناخته میشود، زیرا خروجی امیتر هرگونه تغییر ولتاژ را در سیگنال ورودی بیس «دنبال» یا پیگیری میکند، با این تفاوت که در حدود 0.7V (VBE) پایین‌تر از ولتاژ بیس باقی می ماند. بنابراین Vin و Vout هم فاز هستند و هیچ اختلاف فازی بین سیگنال‌های ورودی و خروجی تولید نمی‌شود.
با این وجود، پیوند pn امیتر عملا به عنوان یک دیود با بایاس مستقیم عمل میکند و برای سیگنال‌های ورودی AC کوچک، این پیوند دیود امیتر دارای مقاومتی است برابر با: r’e=25mV/Ie که در آن 25mV ولتاژ حرارتی پیوند در دمای اتاق (25°C) و Ie جریان امیتر است. بنابراین با افزایش جریان امیتر، مقاومت امیتر به میزان متناسب کاهش می‌یابد.
جریان بیس که از طریق این مقاومت پیوند بیس-امیتر داخلی عبور میکند در مقاومت خارجی متصل به امیتر (RE) نیز جاری میشود. این دو مقاومت به صورت سری به هم متصل شده‌اند و بنابراین به عنوان یک شبکه تقسیم ولتاژ عمل کرده و باعث ایجاد افت ولتاژ می‌شوند. از آنجا که مقدار r’e بسیار کوچک و RE بسیار بزرگتر است، معمولا در محدوده کیلو اهم (kΩ)، بنابراین بزرگی ولتاژ خروجی تقویت کننده کمتر از ولتاژ ورودی آن است.
با این حال، در حقیقت اندازه ولتاژ خروجی (اوج تا اوج) عموما در حدود 98% تا 99% ولتاژ ورودی است که در اکثر موارد به اندازه کافی نزدیک است تا به عنوان بهره واحد در نظر گرفته شود.
می‌توانیم با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ، با فرض این که ولتاژ بیس (VB) همان ولتاژ ورودی (Vin) است، بهره ولتاژ (Av) تقویت کننده کلکتور مشترک را محاسبه کنیم.
بهره ولتاژ تقویت کننده کلکتور مشترک
در نتیجه:
از آنجا که RE بسیار بزرگتر از r’e است: (r’e+RE)≅RE و دو Ie در صورت و مخرج با هم ساده می‌شوند:
بنابراین تقویت کننده کلکتور مشترک نمی‌تواند ولتاژ را تقویت کند و عبارت دیگری که برای توصیف مدار تقویت کننده کلکتور مشترک استفاده میشود، به دلایل واضح، مدار دنبال کننده ولتاژ است. بنابراین، از آنجا که خروجی سیگنال ورودی را به طور دقیق دنبال میکند و با ورودی هم فاز است، مدار کلکتور مشترک یک تقویت کننده غیر وارونگر با بهره ولتاژ واحد است.
تقویت کننده کلکتور مشترک، مثال 1
یک تقویت کننده کلکتور مشترک با استفاده از یک ترانزیستور دو قطبی npn و یک شبکه بایاس تقسیم ولتاژ ساخته شده است. اگر R1=5k6Ω، R2=6k8Ω و ولتاژ منبع تغذیه 12V باشد، مقادیر VB، VC، VE، جریان امیتر(IE)، مقاومت امیتر داخلی (r’e) و بهره ولتاژ (Av) تقویت کننده را هنگام استفاده از مقاومت بار 4k7Ω محاسبه کنید. همچنین مدار نهایی و منحنی مشخصه مربوطه را با خط بار ترسیم کنید.
ولتاژ بایاس بیس (VB)
ولتاژ کلکتور (VC). از آنجا که مقاومت بار کلکتور وجود ندارد، ترمینال کلکتور ترانزیستور مستقیما به ریل منبع تغذیه DC متصل میشود، بنابراین VC=VCC=12V.
ولتاژ بایاس امیتر (VE)
در نتیجه:
جریان امیتر (IE) :
مقاومت امیتر AC (r’e) :
بهره ولتاژ (Av) :
مدار تقویت کننده کلکتور مشترک به همراه خط بار
امپدانس ورودی کلکتور مشترک
اگرچه تقویت کننده کلکتور مشترک در تقویت ولتاژ چندان خوب نیست، زیرا همانطور که دیدیم، بهره ولتاژ سیگنال کوچک آن تقریبا برابر یک است (Av≅1) است، اما به دلیل امپدانس ورودی (Zin) بالا و امپدانس خروجی (Zout) پایین، مدار بافر ولتاژ بسیار خوبی است که باعث جداسازی بین منبع سیگنال ورودی از امپدانس بار میشود.
یکی دیگر از ویژگی‌های مفید تقویت کننده کلکتور مشترک این است که تا زمانی که هدایت کند، بهره جریان (Ai) فراهم میکند. بدین معنا که در پاسخ به یک تغییر کوچک در جریان بیس خود (IB) می‌تواند جریان بزرگی را از کلکتور به امیتر منتقل کند. به یاد داشته باشید که این جریان DC تنها RE را می‌بیند، زیرا RC وجود ندارد. پس جریان DC به سادگی برابر است با VCC/RE، که اگر RE کوچک باشد، جریان بزرگ است.
پیکربندی اصلی کلکتور مشترک یا دنبال کننده امیتر زیر را در نظر بگیرید:
پیکربندی تقویت کننده کلکتور مشترک
برای تحلیل AC مدار، خازن‌ها و VCC اتصال کوتاه می‌شوند (امپدانس صفر). بنابراین مدار معادل با جریان‌ها و ولتاژهای بایاس به صورت زیر ارائه میشود:
امپدانس ورودی (Zin) پیکربندی کلکتور مشترک که از بیس دیده میشود، به صورت زیر است:
اما:
بنابراین
اما از آنجا که بتا (β) به طور کلی بسیار بزرگتر از 1 است (معمولا بالای 100)، عبارت β+1 را می‌توان تنها به β کاهش داد، چراکه ضرب در 100 تقریبا برابر با ضرب در 101 است. بنابراین:
امپدانس بیس تقویت کننده کلکتور مشترک
که در آن: β بهره جریان ترانزیستور، Re مقاومت معادل امیتر و r’e مقاومت AC دیود بیس-امیتر است. توجه داشته باشید از آنجا که مقدار ترکیبی Re به طور کلی بسیار بیشتر از مقاومت معادل دیود (r’e) است (کیلو اهم در مقایسه با چند اهم) امپدانس بیس ترانزیستور را می‌توان به سادگی اینگونه بیان کرد: β×Re.
نکته جالب توجه در اینجا این است که امپدانس بیس ورودی ترانزیستور (Zin(base)) را می‌توان با مقدار مقاومت پایه امیتر (RE) یا مقاومت بار (RL) کنترل کرد، چراکه این دو به طور موازی به هم متصل شده‌اند.
با این که معادله بالا امپدانس ورودی دیده شده از بیس را محاسبه میکند، امپدانس ورودی واقعی را که سیگنال منبع در مدار تقویت کننده کامل مشاهده میکند به ما نمی‌دهد. برای این منظور باید دو مقاومتی که شبکه بایاس تقسیم ولتاژ را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیریم. بدین ترتیب:
امپدانس ورودی تقویت کننده کلکتور مشترک
تقویت کننده کلکتور مشترک، مثال 2
با استفاده از مدار تقویت کننده کلکتور مشترک بالا، در صورتی که مقاومت بار (RL) 10kΩ و بهره جریان ترانزیستور npn برابر با 100 باشد، امپدانس ورودی بیس ترانزیستور و مرحله تقویت کننده را محاسبه کنید.
مقاومت AC امیتر (r’e)
مقاومت بار معادل (Re)
امپدانس بیس ترانزیستور (Zbase)
امپدانس ورودی تقویت کننده (Zin(stage))
از آنجا که امپدانس بیس ترانزیستور 322kΩ و بسیار بیشتر از امپدانس ورودی تقویت کننده (تنها 2.8kΩ) است، بنابراین امپدانس ورودی تقویت کننده کلکتور مشترک با نسبت دو مقاومت بایاس R1 و R2 تعیین میشود.
امپدانس خروجی کلکتور مشترک
از قبل امپدانس مدار بیس را به دست آورده‌ایم: RB=R1∥R2 و می‌دانیم که بهره جریان ترانزیستور برابر است با β. بنابراین امپدانس خروجی با معادله زیر به دست می‌آید:
پس می‌توانیم ببینیم که مقاومت امیتر (RE) عملا با کل امپدانس ترانزیستور که از ترمینال امیتر دیده میشود، موازی است.
اگر امپدانس خروجی مدار تقویت کننده کلکتور مشترک را با استفاده از مقادیر مثال بالا محاسبه کنیم، امپدانس خروجی (Zout) به دست آمده کمتر از 50Ω خواهد بود (49.5Ω) که بسیار کوچک‌تر از امپدانس ورودی (Zin) است که قبلا محاسبه کردیم.
بدین ترتیب، از محاسبات بالا می‌توانیم مشاهده کنیم که پیکربندی تقویت کننده کلکتور مشترک امپدانس ورودی بسیار بالا و امپدانس خروجی بسیار کمی دارد که آن را قادر می‌سازد تا بارهایی با امپدانس پایین را درایو کند. در واقع به دلیل امپدانس ورودی نسبتا زیاد تقویت کننده کلکتور مشترک و امپدانس خروجی بسیار پایین آن، معمولا به عنوان تقویت کننده بافر با بهره واحد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با محاسبه امپدانس خروجی (Zout) تقویت کننده مثال بالا (تقریبا 50Ω)، اگر اکنون مقاومت بار 10kΩ را دوباره به مدار وصل کنیم، امپدانس خروجی حاصل برابر خواهد بود با:
اگرچه مقاومت بار 10kΩ است، مقاومت خروجی معادل آن هنوز 49.3Ω است. این بدان دلیل است که RL در مقایسه با Zout بزرگ است، بنابراین برای انتقال حداکثر توان، RL باید برابر Zout باشد. از آنجا که بهره ولتاژ تقویت کننده کلکتور مشترک واحد (1) در نظر گرفته میشود، بهره توان تقویت کننده باید برابر با بهره جریان آن باشد، چراکه P=V×I.
از آنجا که بهره جریان کلکتور مشترک به عنوان نسبت جریان امیتر به جریان بیس تعریف شده است (γ=IE/IB=β+1)، بنابراین نتیجه می‌گیریم که بهره جریان تقویت کننده باید تقریبا برابر با بتا (β) باشد، چراکه β+1 تقریبا همان بتا است.
خلاصه کلکتور مشترک
در این آموزش در مورد تقویت کننده کلکتور مشترک مشاهده کردیم که نام آن از این رو انتخاب شده است که ترمینال کلکتور BJT بین مدارهای ورودی و خروجی مشترک است، زیرا هیچ مقاومتی در کلکتور (RC) وجود ندارد.
بهره ولتاژ تقویت کننده کلکتور مشترک تقریبا واحد (Av≅1) و بهره جریان آن تقریبا برابر با بتا است (Ai≅β) که بسته به مقدار بتا در هر ترانزیستور، می‌تواند بسیار زیاد باشد.
همچنین از طریق محاسبه مشاهده کردیم که امپدانس ورودی (Zin) زیاد و امپدانس خروجی (Zout) کم است که باعث میشود این مدار برای هدف تطبیق امپدانس (یا تطبیق مقاومت) یا به عنوان یک مدار بافر بین منبع ولتاژ و بار امپدانس کم مفید است.
از آنجا که سیگنال ورودی تقویت کننده کلکتور مشترک (CC) به ترمینال بیس داده شده و سیگنال خروجی آن از طریق بار امیتر گرفته میشود، ولتاژهای ورودی و خروجی «هم فاز» هستند (اختلاف فاز 0°). بدین ترتیب پیکربندی کلکتور مشترک با نام ثانویه دنبال کننده امیتر شناخته میشود، زیرا ولتاژ خروجی (ولتاژ امیتر) ولتاژ بیس ورودی را دنبال میکند.
2 دیدگاه در “تقویت کننده کلکتور مشترک”
سلام
لطفا توضیحاتی راجب علت موازی کردن خازن با بیس و کلکتور ترانزیستور چیه
ممنون
سلام از قدیم برای من کلمه مشترک نا مفهوم بود . کلمه مشترک در انواع بایس ها به تغدیه مستقیمی گفته میشود که یکی از پایه ها مستقیم به منبع ولتاژ تغذیه دی سی وصل شده . و پایه دیگر منبع تغذیه بعنوان اتصال تغذیه مدار توسط مقاومتهای تقسیم ولتاز به پایههای دیگر متصل میشود . پس اتصال مستقیم منبع تغذیه به پایه آنرا با نام آن پایه مشترک میکند .