در تقویت کننده بیس مشترک، ورودی به ترمینال امیتر اعمال شده و خروجی از ترمینال کلکتور ترانزیستور BJT گرفته می‌شود.
تقویت کننده بیس مشترک نوع دیگری از پیکربندی ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) است که در آن ترمینال بیس ترانزیستور یک ترمینال مشترک بین سیگنال‌های ورودی و خروجی است. پیکربندی بیس مشترک به عنوان تقویت کننده، نسبت به پیکربندی های رایج امیتر مشترک (CE) یا کلکتور مشترک (CC) کمتر رایج است، اما به دلیل مشخصه منحصر به فرد ورودی/خروجی هنوز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برای اینکه پیکربندی بیس مشترک (CB) به عنوان تقویت کننده عمل کند، سیگنال ورودی به ترمینال امیتر اعمال شده و خروجی از ترمینال کلکتور گرفته می‌شود. بنابراین جریان امیتر همان جریان ورودی و جریان کلکتور همان جریان خروجی است، اما از آنجا که ترانزیستور یک دستگاه سه لایه (دو پیوند pn) است، باید به درستی بایاس شود تا به عنوان یک تقویت کننده بیس مشترک عمل کند. یعنی محل پیوند بیس-امیتر باید دارای بایاس مستقیم باشد.
پیکربندی پایه تقویت کننده بیس مشترک زیر را در نظر بگیرید.
تقویت کننده بیس مشترک با استفاده از ترانزیستور NPN
پس می‌توانیم از پیکربندی بیس مشترک پایه مشاهده کنیم که متغیرهای ورودی به جریان امیتر (IE) و ولتاژ بیس-امیتر (VBE) و متغیرهای خروجی به جریان کلکتور (IC) و ولتاژ کلکتور-بیس (VCB) مرتبط هستند.
از آنجا که جریان امیتر (IE) همان جریان ورودی است، هرگونه تغییر در جریان ورودی یک تغییر متناظر در جریان کلکتور (IC) ایجاد می‌کند. در پیکربندی تقویت کننده بیس مشترک، بهره جریان (Ai) به صورت iout/iin است که خود با فرمول IC/IE تعیین می‌شود. بهره جریان برای پیکربندی CB آلفا (α) نامیده می‌شود.
در تقویت کننده BJT جریان امیتر همیشه بیشتر از جریان کلکتور است، چراکه IE=IB+IC، بنابراین بهره جریان (α) تقویت کننده باید کمتر از یک (واحد) باشد، زیرا IC همیشه به اندازه IB کمتر از IE است. بنابراین تقویت کننده CB جریان را تضعیف می‌کند. مقادیر معمول آلفا بین 0.980 تا 0.995 است.
رابطه الکتریکی بین سه جریان ترانزیستور را می‌توان به صورت زیر نشان داد که عبارات آلفا (α) و بتا (β) به دست آید.
در نتیجه:
بهره جریان تقویت کننده بیس مشترک
بنابراین اگر مقدار β یک ترانزیستور پیوند دوقطبی استاندارد 100 باشد، مقدار α برابر است با: 100/101=0.99.
بهره ولتاژ تقویت کننده بیس مشترک
از آنجا که تقویت کننده بیس مشترک نمی‌تواند به عنوان تقویت کننده جریان عمل کند (Ai≅1)، بنابراین باید توانایی کار به عنوان تقویت کننده ولتاژ را داشته باشد. بهره ولتاژ تقویت کننده بیس مشترک نسبت Vout/Vin است، یعنی ولتاژ کلکتور (VC) به ولتاژ امیتر (VE). به عبارت دیگر، Vout=VC و Vin=VE.
از آنجا که ولتاژ خروجی (Vout) در مقاومت کلکتور (RC) ایجاد می‌شود، بنابراین ولتاژ خروجی باید تابعی از IC باشد، چراکه از قانون اهم داریم: VRC=IC×RC. بنابراین هرگونه تغییر در IE دارای تغییر متناظر در IC خواهد بود.
پس برای پیکربندی تقویت کننده بیس مشترک می‌توان گفت:
از آنجا که IC/IE برابر با آلفا است، می‌توانیم بهره ولتاژ تقویت کننده را به صورت زیر ارائه دهیم:
بنابراین بهره ولتاژ کم و بیش برابر با نسبت مقاومت کلکتور به مقاومت امیتر است. با این حال، یک پیوند دیود pn در یک ترانزیستور پیوند دوقطبی بین ترمینال‌های بیس و امیتر وجود دارد که باعث ایجاد مقاومت پویای ترانزیستور (r’e) می‌شود.
برای سیگنال‌های ورودی AC، محل پیوند دیود امیتر دارای یک مقاومت سیگنال کوچک موثر است: r’e=25mV/IE، که در آن 25mV ولتاژ دمایی پیوند pn و IE جریان امیتر است. بنابراین با افزایش جریان عبوری از امیتر، مقاومت امیتر به میزان متناسب کاهش می‌یابد.
مقداری از جریان ورودی از طریق این مقاومت پیوند بیس-امیتر داخلی به بیس و همچنین از طریق مقاومت خارجی متصل به امیتر (RE) عبور می‌کند. در تحلیل سیگنال کوچک، این دو مقاومت با هم موازی هستند.
از آنجا که مقدار r’e بسیار کوچک و RE به طور کلی بسیار بزرگ‌تر است، معمولا در محدوده کیلو اهم (kΩ)، میزان بهره ولتاژ تقویت کننده به طور پویا با سطوح مختلف جریان امیتر تغییر می‌کند.
بنابراین اگر RE>>r’e باشد، بهره ولتاژ واقعی تقویت کننده بیس مشترک به شرح زیر خواهد بود:
از آنجا که بهره جریان تقریبا برابر با یک است (IC≅IE)، معادله بهره ولتاژ به صورت زیر ساده می‌شود:
بنابراین، اگر به عنوان مثال جریان 1mA از محل پیوند بیس-امیتر عبور کند، امپدانس پویای آن 25mV/1mA=25Ω خواهد بود. بهره ولتاژ (Av) برای مقاومت بار کلکتور 10kΩ برابر خواهد بود با: 10000/25=400 و هرچه جریان بیشتری از محل پیوند عبور کند، مقاومت پویای آن کمتر و بهره ولتاژ بیشتر می‌شود.
به همین ترتیب، هرچه مقدار مقاومت بار بیشتر باشد، بهره ولتاژ تقویت کننده بیشتر است. با این حال، بعید است یک مدار تقویت کننده بیس مشترک از مقاومت بار بیش از 20kΩ استفاده کند. بسته به مقدار RC، مقادیر معمول بهره ولتاژ در این نوع مدار بین 100 تا 2000 است. توجه داشته باشید که بهره توان این تقویت کننده تقریبا برابر با بهره ولتاژ آن است.
از آنجا که بهره ولتاژ تقویت کننده بیس مشترک به نسبت این دو مقدار مقاومتی وابسته است، بنابراین نتیجه می‌گیریم که هیچ وارونگی فازی بین امیتر و کلکتور وجود ندارد. بنابراین شکل موج‌های ورودی و خروجی با یکدیگر «هم فاز» هستند و نشان می‌دهند که تقویت کننده بیس مشترک یک پیکربندی تقویت کننده غیر وارونگر است.
بهره مقاومت تقویت کننده بیس مشترک
یکی از ویژگی‌های جالب مدار تقویت کننده بیس مشترک، نسبت امپدانس ورودی و خروجی آن است که باعث به وجود آمدن بهره مقاومت تقویت کننده می‌شود، ویژگی اصلی که تقویت را ممکن می‌سازد. در بالا مشاهده کردیم که ورودی به امیتر متصل است و خروجی از کلکتور گرفته می‌شود.
بین ترمینال ورودی و زمین دو مسیر مقاومتی موازی وجود دارد. یکی از طریق مقاومت امیتر (RE) به زمین و دیگری از طریق r’e و ترمینال بیس به زمین. بنابراین می‌توانیم با نگاه کردن به امیتر، در حالی که بیس به زمین متصل است، بگوییم: Zin=RE∥r’e.
اما از آنجا که مقاومت امیتر پویا (r’e) در مقایسه با RE بسیار کوچک است (r’e<<RE)، مقاومت امیتر پویای داخلی (r’e) بر معادله تسلط دارد و در نتیجه امپدانس ورودی کم و تقریبا برابر با r’e خواهد بود.
بنابراین در پیکربندی بیس مشترک، امپدانس ورودی بسیار کم است و بسته به مقدار امپدانس منبع (RS) متصل به ترمینال امیتر، مقادیر امپدانس ورودی می‌تواند بین 10Ω تا 200Ω متغیر باشد. امپدانس ورودی کم مدار تقویت کننده بیس مشترک یکی از دلایل اصلی کاربردهای محدود آن به عنوان یک تقویت کننده تک مرحله‌ای است.
با این حال، امپدانس خروجی تقویت کننده CB بسته به مقاومت کلکتور مورد استفاده برای کنترل بهره ولتاژ و مقاومت بار خارجی (RL)، می‌تواند زیاد باشد. اگر مقاومت بار در ترمینال خروجی تقویت کننده متصل شود، عملا با مقاومت کلکتور موازی خواهد بود، پس Zout=RC∥RL.
اما اگر مقاومت بار خارجی (RL) در مقایسه با مقاومت کلکتور RC بسیار بزرگ باشد، در این صورت RC بر معادله موازی تسلط دارد و در نتیجه یک امپدانس خروجی (Zout) متعادل تقریبا برابر با RC خواهیم داشت. پس در یک پیکربندی بیس مشترک، امپدانس خروجی آن که از ترمینال کلکتور دیده می‌شود، عبارت است از: Zout=RC.
از آنجا که امپدانس خروجی تقویت کننده که از ترمینال کلکتور دیده می‌شود، می‌تواند بسیار بزرگ باشد، مدار بیس مشترک تقریبا مانند یک منبع جریان ایده‌آل عمل می‌کند که جریان ورودی را از طرف امپدانس ورودی کم گرفته و آن را به طرف امپدانس خروجی بالا ارسال می‌کند. بنابراین پیکربندی ترانزیستور بیس مشترک همچنین به عنوان پیکربندی بافر جریان یا دنبال کننده جریان و برعکس پیکربندی کلکتور مشترک (CC)، که به آن دنبال کننده ولتاژ نیز می‌گویند، شناخته می‌شود.
خلاصه تقویت کننده بیس مشترک
در این آموزش درباره تقویت کننده بیس مشترک دیدیم که بهره جریان ( آلفا ) آن تقریبا برابر با یک (واحد) است. اما بسته به مقدار مقاومت بار کلکتور ( RL ) مورد استفاده، بهره ولتاژ آن می‌تواند بسیار زیاد، با مقادیر معمول از 100 تا بیش از 2000، باشد.
همچنین مشاهده کردیم که امپدانس ورودی مدار تقویت کننده بسیار کم است، اما امپدانس خروجی می‌تواند بسیار زیاد باشد. همچنین گفتیم که تقویت کننده بیس مشترک سیگنال ورودی را معکوس نمی‌کند، زیرا یک پیکربندی تقویت کننده غیر وارونگر است.
با توجه به مشخصه امپدانس ورودی-خروجی، آرایش تقویت کننده بیس مشترک در کاربردهای فرکانس صوتی و رادیویی به عنوان یک بافر جریان برای مطابقت منبع امپدانس کم با بار امپدانس بالا یا تقویت کننده تک مرحله‌ای به عنوان بخشی از پیکربندی کَسکُود (cascode) یا چند مرحله‌ای که در آن از یک مرحله تقویت کننده برای درایو مرحله دیگر استفاده می‌شود، بسیار کاربردی است.
1 دیدگاه در “تقویت کننده بیس مشترک”
بسیار عالی و ممنون / کار من راه افتاد.