متداول‌ترین پیکربندی تقویت کننده برای ترانزیستور npn، مدار تقویت کننده امیتر مشترک است.
در آموزش قبلی، معرفی تقویت کننده، دیدیم که خانواده‌ای از منحنی‌ها که به عنوان منحنی مشخصه خروجی شناخته می‌شوند، رابطه جریان کلکتور (IC) ترانزیستور و ولتاژ کلکتور (VCE) را برای مقادیر مختلف جریان بیس (IB) آن نمایش می‌دهند.
همه انواع تقویت کننده ترانزیستوری با ورودی‌های سیگنال AC کار می‌کنند که بین یک مقدار مثبت و یک مقدار منفی متناوب هستند، بنابراین به روشی برای «پیش تنظیم» مدار تقویت کننده برای کار بین این دو مقدار حداکثر یا پیک نیاز است. این امر با استفاده از فرایندی که به بایاس کردن معروف است، محقق می‌شود. بایاس در طراحی تقویت کننده بسیار مهم است، زیرا نقطه کار صحیح تقویت کننده ترانزیستوری آماده دریافت سیگنال را تعیین می‌کند و در نتیجه هرگونه اعوجاج سیگنال خروجی را کاهش می‌دهد.
همچنین دیدیم که می‌توان روی این منحنی‌های مشخصه خروجی، یک خط بار استاتیک یا DC رسم کرد تا تمام نقاط عملیاتی ترانزیستور از کاملا «روشن» تا کاملا «خاموش» را نشان دهد و نسبت به آن نقطه کار یا نقطه Q تقویت کننده را می‌توان یافت.
هدف هر تقویت کننده سیگنال کوچک، تقویت کل سیگنال ورودی با حداقل میزان اعوجاج ممکن در سیگنال خروجی است، به عبارت دیگر، سیگنال خروجی باید بازتولید دقیق سیگنال ورودی، اما بزرگتر (تقویت شده) باشد.
برای به دست آوردن اعوجاج کم هنگام استفاده به عنوان تقویت کننده، لازم است نقطه کار به درستی انتخاب شود. این در واقع نقطه کار DC تقویت کننده است و می‌توان موقعیت آن را در هر نقطه از خط بار، با یک آرایش بایاس مناسب ایجاد کرد.
بهترین موقعیت ممکن برای این نقطه Q، نزدیک‌ترین مکان به موقعیت مرکزی خط بار تا حد معقول است، بدین ترتیب، یک عملکرد تقویت کننده کلاس A، یعنی VCE=(1/2)VCC تولید می‌شود. مدار تقویت کننده امیتر مشترک زیر را در نظر بگیرید.
مدار تقویت کننده امیتر مشترک
مدار تقویت کننده امیتر مشترک یک مرحله‌ای بالا، از بایاسی استفاده می‌کند که معمولا «بایاس تقسیم ولتاژ» نامیده می‌شود. در این نوع آرایش بایاس از دو مقاومت به عنوان شبکه تقسیم ولتاژ منبع تغذیه استفاده می‌شود که نقطه مرکزی آنها ولتاژ بایاس بیس مورد نیاز را به ترانزیستور تامین می‌کند. بایاس تقسیم ولتاژ معمولا در طراحی مدارهای تقویت کننده ترانزیستور دو قطبی استفاده می‌شود.
این روش بایاس ترانزیستور با نگه داشتن بایاس بیس در یک سطح ولتاژ ثابت، اثرات بتای متغیر (β) را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و بهترین پایداری را ایجاد می‌کند. ولتاژ کار بیس (VB) توسط شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل شده با دو مقاومت R1 و R2 و ولتاژ منبع تغذیه (VCC) تعیین می‌شود و جریان از هر دو مقاومت عبور می‌کند.
پس مقاومت کل (RT) برابر با R1+R2 و جریان برابر با i=VCC/RT خواهد بود. سطح ولتاژ تولید شده در محل اتصال مقاومت‌های R1 و R2 ولتاژ بیس (VB) را در مقداری کمتر از ولتاژ تغذیه ثابت نگه می‌دارد.
پس شبکه تقسیم ولتاژ مورد استفاده در مدار تقویت کننده امیتر مشترک، ولتاژ تغذیه را متناسب با مقاومت تقسیم می‌کند. این ولتاژ مرجع بایاس را می‌توان با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ ساده زیر محاسبه کرد:
ولتاژ بایاس ترانزیستور
همان ولتاژ تغذیه (VCC) حداکثر جریان کلکتور (IC) را نیز هنگامی که ترانزیستور کاملا «روشن» شده است (حالت اشباع، VCE=0) تعیین می‌کند. جریان بیس (IB) ترانزیستور از جریان کلکتور (IC) و بهره جریان DC آن (β) به دست می‌آید.
بتا گاهی اوقات به عنوان hFE شناخته می‌شود که بهره مستقیم جریان ترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک است. بتا هیچ واحدی ندارد، چراکه نسبت ثابت دو جریان IC و IB است، بنابراین یک تغییر کوچک در جریان بیس باعث تغییر بزرگی در جریان کلکتور می‌شود.
یک نکته آخر در مورد بتا. ترانزیستورهایی با نوع و شماره قطعه یکسان، تفاوت زیادی در مقدار بتا خواهند داشت. به عنوان مثال، ترانزیستور دو قطبی BC107 npn دارای بهره جریان DC (بتا) بین 110 تا 450 است (مقدار داده شده در دیتا شیت). بنابراین ممکن است یک BC107 دارای مقدار بتای 110 باشد، در حالی که یکی دیگر ممکن است دارای مقدار بتای 450 باشد، اما هر دو ترانزیستور BC107 npn هستند. این بدان دلیل است که بتا از مشخصات ساخت ترانزیستور است و نه عملکرد آن.
از آنجا که اتصال بیس-امیتر به صورت مستقیم بایاس شده است، ولتاژ امیتر (VE) یک افت ولتاژ پیوند با ولتاژ بیس تفاوت خواهند داشت. اگر ولتاژ مقاومت امیتر مشخص باشد، جریان امیتر (IE)، با استفاده از قانون اهم به راحتی قابل محاسبه است. جریان کلکتور (IC) را می‌توان تقریب زد، زیرا تقریبا همان مقدار جریان امیتر است.
تقویت کننده امیتر مشترک، مثال 1
یک مدار تقویت کننده امیتر مشترک دارای مقاومت بار (RL) 1.2kΩ و ولتاژ تغذیه 12V است. وقتی ترانزیستور کاملا «روشن» است (اشباع)، حداکثر جریان کلکتور (IC) که از مقاومت بار عبور می‌کند، محاسبه کنید. فرض کنید VCE=0. همچنین مقدار مقاومت امیتر (RE) را به دست آورید، در صورتی که ولتاژ دو سر آن 1V باشد. با فرض یک ترانزیستور سیلیکون npn استاندارد، مقادیر سایر مقاومت‌های مدار را محاسبه کنید.
پس این نقطه «A» را بر روی محور عمودی جریان کلکتور منحنی مشخصه مشخص می‌کند و هنگامی رخ می‌دهد که VCE=0. وقتی ترانزیستور کاملا خاموش است، افت ولتاژ در مقاومت‌های RE یا RL وجود ندارد، چراکه هیچ جریانی از آنها عبور نمی‌کند. سپس افت ولتاژ ترانزیستور (VCE) برابر است با ولتاژ تغذیه (VCC). این نقطه «B» را در محور افقی منحنی مشخصه مشخص می‌کند.
به طور کلی، نقطه Q تقویت کننده با سیگنال ورودی صفر اعمال شده به بیس است، بنابراین کلکتور تقریبا در نیمه راه بین خط بار بین صفر ولت و ولتاژ تغذیه (VCC/2) قرار می‌گیرد. بنابراین، جریان کلکتور در نقطه Q تقویت کننده به صورت زیر خواهد بود:
این خط بار ثابت DC یک معادله خط مستقیم تولید می‌کند که شیب آن برابر است با -1/(RL+RE) و از محور عمودی IC در نقطه ای برابر با VCC/(RL+RE) عبور می‌کند. موقعیت واقعی نقطه Q در خط بار DC با مقدار متوسط IB تعیین می‌شود.
از آنجا که جریان کلکتور (IC) ترانزیستور همچنین برابر است با بهره DC ترانزیستور (بتا) ضرب در جریان بیس (β×IB)، اگر مقدار بتا (β) ترانزیستور را مثلا 100 فرض کنیم (100 یک مقدار متوسط معقول برای ترانزیستورهای سیگنال کم قدرت است)، جریان بیس IB که وارد ترانزیستور می‌شود به صورت زیر است:
به جای استفاده از منبع بایاس بیس جداگانه، معمولا برای تامین ولتاژ بایاس بیس از ریل اصلی تغذیه (VCC) از طریق مقاومت افت ولتاژ (R1) استفاده می‌شود. اکنون می‌توان مقاومت‌های R1 و R2 طوری انتخاب کرد که جریان کار مناسب بیس به مقدار 45.8μA یا 46μA (گرد شده به سمت نزدیک‌ترین عدد صحیح) به ما بدهد. جریانی که از مدار تقسیم کننده ولتاژ عبور می‌کند باید در مقایسه با جریان واقعی بیس (IB) زیاد باشد تا شبکه تقسیم ولتاژ توسط جریانبیس بارگیری نشود.
یک قاعده کلی این است که حداقل ده برابر IB از مقاومت R2 عبور کند. ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور (VBE) در 0.7V ثابت است (ترانزیستور سیلیکونی)، بنابراین مقدار R2 برابر است با:
اگر جریانی که از مقاومت R2 عبور می‌کند 10 برابر مقدار جریان بیس باشد، در این صورت جریان عبوری از مقاومت R1 در شبکه تقسیم کننده باید 11 برابر جریان بیس باشد. یعنی IR2+IB.
بنابراین ولتاژ مقاومت R1 برابر است با VCC-1.7V (VRE+0.7V برای ترانزیستور سیلیکونی) که برابر است با 10.3V، بنابراین R1 می‌تواند به صورت زیر محاسبه شود:
مقدار مقاومت امیتر (RE) را می‌توان به راحتی با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد. جریان عبوری از RE ترکیبی از جریان بیس (IB) و جریان کلکتور (IC) است و به صورت زیر به دست می‌آید:
مقاومت RE بین ترمینال امیتر ترانزیستور و زمین متصل است و قبلا گفتیم که ولتاژ دو سر آن 1V است. بنابراین مقدار مقاومت امیتر (RE) به صورت زیر محاسبه می‌شود:
بنابراین در مثال بالا، مقادیر ترجیحی مقاومت‌ها که با تلورانس 5% (E24) انتخاب شده‌اند، عبارتند از:
پس مدار اصلی تقویت کننده امیتر مشترک بالا را می‌توان طوری بازنویسی کرد تا شامل مقادیر اجزای سازنده‌ای باشد که در این مثال محاسبه کردیم.
مدار امیتر مشترک تکمیل شده
خازن‌های کوپلینگ تقویت کننده
در مدارهای تقویت کننده امیتر مشترک، از خازن‌های C1 و C2 به عنوان خازن‌های کوپلینگ استفاده می‌شود تا سیگنال‌های AC را از ولتاژ بایاس DC جدا کند. این اطمینان حاصل می‌کند که شرایط بایاس تنظیم شده برای عملکرد صحیح مدار تحت تاثیر مراحل اضافی تقویت کننده قرار نمی‌گیرد، زیرا خازن‌ها تنها سیگنال‌های AC را عبور می‌دهند و اجزای DC را مسدود می‌کنند. سیگنال AC خروجی سپس بر روی بایاس مراحل بعدی قرار می‌گیرد. همچنین یک خازن بای پس (CE) در پایه امیتر گنجانده شده است.
این خازن در واقع یک قطعه مدار باز برای شرایط بایاس DC است، به این معنی که جریان‌ها و ولتاژهای بایاس تحت تاثیر افزودن خازن قرار نمی‌گیرند و یک پایداری خوب در نقطه Q حفظ می‌شود.
با این حال، این خازن بای پس (کنار گذر) موازی به دلیل راکتانس، عملا در سیگنال‌های فرکانس بالا به اتصال کوتاه تبدیل شده و مقاومت امیتر را از مدار خارج می‌کند. بنابراین تنها RL و یک مقاومت داخلی بسیار کوچک به عنوان بار ترانزیستور عمل می‌کند و بهره ولتاژ را به حداکثر می‌رساند. به طور کلی، مقدار خازن بای پس (CE) طوری انتخاب می‌شود که راکتانس آن در کمترین فرکانس سیگنال عملکرد، حداکثر 1/10 مقدار RE باشد.
منحنی‌های مشخصه خروجی
در نقطه Q روی خط بار جریان بیس برابر است با 45.8μA یا 46μA. ما باید حداکثر و حداقل پیک نوسانات جریان بیس را پیدا کنیم که منجر به تغییر متناسب جریان کلکتور (IC) بدون هیچ گونه اعوجاج در سیگنال خروجی شود.
از آنجا که خط بار مقادیر مختلف جریان بیس را در منحنی‌های مشخصه DC قطع می‌کند، می‌توانیم پیک نوسانات جریان بیس را پیدا کنیم، به طوری که در امتداد خط بار فاصله مساوی داشته باشند. این مقادیر به عنوان نقاط «N» و «M» روی خط علامت گذاری شده‌اند، به طوری که مقادیر حداقل و حداکثر جریان بیس به ترتیب 20μA و 80μA است.
این نقاط، «N» و «M» می‌توانند در هر نقطه‌ای از خط بار قرار گیرند، به شرط آن که از Q به طور مساوی فاصله داشته باشند. این کار به ما یک حداکثر سیگنال ورودی به ترمینال بیس با مقدار نظری 60μA پیک تو پیک (حداکثر 30μA) می‌دهد، بدون این که در سیگنال خروجی اعوجاج ایجاد شود.
هر سیگنال ورودی که جریان بیس بیش از این مقدار داشته باشد، ترانزیستور را فراتر از نقطه «N» و به ناحیه «قطع» یا فراتر از نقطه «M» و به ناحیه اشباع خود هدایت می‌کند و در نتیجه باعث اعوجاج سیگنال خروجی به شکل «برش» می‌شود.
با استفاده از نقاط «N» و «M» به عنوان مثال، مقادیر لحظه‌ای جریان کلکتور و مقادیر ولتاژ کلکتور-امیتر متناظر با آن را می‌توان از خط بار پیش بینی کرد. مشاهده می‌شود که ولتاژ کلکتور-امیتر در فاز مخالف جریان کلکتور است (-180°).
با تغییر جریان بیس (IB) در جهت مثبت از 50μA به 80μA، ولتاژ کلکتور-امیتر، که ولتاژ خروجی نیز می‌باشد، از مقدار حالت ثابت خود (5.8V) به 2.0V کاهش می‌یابد.
پس یک تقویت کننده امیتر مشترک تک مرحله‌ای، یک تقویت کننده وارونگر نیز می‌باشد، زیرا افزایش ولتاژ بیس باعث کاهش Vout و کاهش ولتاژ بیس باعث افزایش Vout می‌شود. به عبارت دیگر، سیگنال خروجی با سیگنال ورودی 180° اختلاف فاز دارد.
بهره ولتاژ امیتر مشترک
بهره ولتاژ تقویت کننده امیتر مشترک برابر است با نسبت تغییر ولتاژ ورودی به تغییر ولتاژ خروجی تقویت کننده. پس Vout برابر است با ΔVL و Vin برابر است با ΔVB. اما بهره ولتاژ همچنین برابر است با نسبت مقاومت سیگنال در کلکتور به مقاومت سیگنال در امیتر و به صورت زیر به دست می‌آید:
پیش‌تر اشاره کردیم که با افزایش فرکانس سیگنال، خازن بای پس (CE) به دلیل راکتانس خود، باعث می‌شود مقاومت امیتر اتصال کوتاه شود. پس در فرکانس‌های بالا RE=0 که منجر به بهره بینهایت می‌شود.
با این حال، ترانزیستورهای دو قطبی مقاومت داخلی کمی در ناحیه امیتر خود دارند که Re نامیده می‌شود. مواد نیمه هادی ترانزیستور مقاومت داخلی در برابر عبور جریان نشان می‌دهد و عموما با یک نماد مقاومت کوچک در داخل نماد ترانزیستور اصلی نشان داده می‌شود.
دیتا شیت‌های ترانزیستور به ما می‌گویند که برای یک ترانزیستور دو قطبی سیگنال کوچک، این مقاومت داخلی حاصل 25mV÷IE است (25mV افت ولتاژ داخلی لایه پیوند امیتر است)، پس برای مدار تقویت کننده امیتر مشترک بالا، این مقدار مقاومت برابر خواهد بود با:
این مقاومت داخلی پایه امیتر با مقاومت خارجی آن (RE) سری خواهد بود، پس معادله بهره واقعی ترانزیستور اصلاح می‌شود تا شامل این مقاومت داخلی باشد:
در سیگنال‌های فرکانس پایین، مقاومت کل در پایه امیتر برابر است با RE+Re. در فرکانس بالا، خازن بای پس مقاومت امیتر را اتصال کوتاه می‌کند و تنها مقاومت داخلی (Re) را در پایه امیتر باقی می‌گذارد، که منجر به بهره زیاد می‌شود. پس در مدار تقویت کننده امیتر مشترک بالا، بهره مدار در هر دو فرکانس کم و زیاد به این صورت است:
بهره در فرکانس‌های پایین
بهره در فرکانس‌های بالا
نکته آخر، بهره ولتاژ تنها به مقادیر مقاومت کلکتور (RL) و مقاومت امیتر (RE+Re) بستگی دارد و تحت تاثیر بتای بهره جریان (β یا hFE) ترانزیستور نیست.
بنابراین برای مثال ساده بالا، اکنون می‌توانیم تمام مقادیری را که برای مدار تقویت کننده امیتر مشترک خود محاسبه کرده‌ایم، خلاصه کنیم و این موارد عبارتند از:
| حداقل | متوسط | حداکثر |
جریان بیس | 20μA | 50μA | 80μA |
جریان کلکتور | 2.0mA | 4.8mA | 7.7mA |
نوسان ولتاژ خروجی | 2.0V | 5.8V | 9.3V |
بهره تقویت کننده | 5.32- |
| 218- |
خلاصه تقویت کننده امیتر مشترک
پس برای جمع بندی: مدار تقویت کننده امیتر مشترک یک مقاومت در مدار کلکتور خود دارد. جریان عبوری از این مقاومت، ولتاژ خروجی تقویت کننده را تولید می‌کند. مقدار این مقاومت به گونه‌ای انتخاب می‌شود که در نقطه کار تقویت کننده (نقطه Q) این ولتاژ خروجی در نیمه راه خط بار ترانزیستور قرار داشته باشد.
بیس ترانزیستور مورد استفاده در تقویت کننده امیتر مشترک با استفاده از دو مقاومت به عنوان شبکه تقسیم ولتاژ بایاس می‌شود. این نوع آرایش بایاس معمولا در طراحی مدارهای تقویت کننده ترانزیستور دو قطبی مورد استفاده قرار می‌گیرد و با نگه داشتن بایاس بیس در یک ولتاژ ثابت، تاثیرات بتای متغیر (β) را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. این نوع بایاس بیشترین پایداری را ایجاد می‌کند.
یک مقاومت می‌تواند در پایه امیتر گنجانده شود، که در این صورت بهره ولتاژ -RL/RE خواهد بود. اگر مقاومت امیتر خارجی وجود نداشته باشد، بهره ولتاژ تقویت کننده بینهایت نیست، زیرا یک مقاومت داخلی بسیار کوچک (Re) در پایه امیتر وجود دارد. مقدار این مقاومت داخلی برابر است با 25mV/IE.
در آموزش بعدی در مورد تقویت کننده‌های ترانزیستوری، تقویت کننده پیوندی اثر میدان، که معمولا تقویت کننده JFET نامیده می‌شود، بررسی خواهیم کرد. مانند ترانزیستور، JFET در یک مدار تقویت کننده تک مرحله‌ای استفاده می‌شود که درک آن را آسان‌تر می‌کند. انواع مختلفی از ترانزیستورهای اثر میدان وجود دارد که می‌توانیم از آنها استفاده کنیم، اما آسان‌ترین آنها برای درک، ترانزیستور پیوندی اثر میدان یا JFET است که امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد و برای مدارهای تقویت کننده ایده‌آل است.
