تقویت کننده امیتر مشترک (Common Emitter Amplifier)
سیگنال‌های ورودی همه تقویت‌کنندهای ترانزیستوری، AC است که بین دو مقدار مثبت و منفی به صورت تناوبی تغییر می‌کند. بنابراین، تنظیم اولیه مدار تقویت‌کننده برای کار بین این دو مقدار ماکزیمم یا پیک، ضروری است. این کار توسط «بایاس کردن» (Biasing) انجام می‌شود. بایاس کردن، مسئله بسیار مهمی در طراحی تقویت‌کننده است، زیرا نقطه کار صحیح تقویت‌کننده ترانزیستوری را برای دریافت سیگنال فراهم می‌کند و سبب کاهش هر گونه اعوجاج در سیگنال خروجی می‌شود.
همان‌طور که می‌دانیم، می‌توان برای نشان دادن همه نقاط کار ممکن ترانزیستور (از روشن (ON) کامل تا خاموش (OFF) کامل)، یک خط بار استاتیکی یا DC را روی منحنی‌های مشخصه خروجی رسم کرد و نقطه کار ساکن یا «نقطه Q» یا (Q-Point) تقویت‌کننده را پیدا کرد.
وظیفه هر تقویت‌کننده سیگنال کوچک، تقویت همه سیگنال‌های ورودی با حداقل مقدار اعوجاج در سیگنال خروجی است. به عبارت دیگر، سیگنال خروجی باید یک بازتولید دقیق و البته بزرگتر از سیگنال ورودی باشد. برای اینکه اعوجاج کم باشد، باید نقطه کار ساکن را به درستی انتخاب کرد. نقطه کار DC تقویت‌کننده و موقعیت آن را می‌توان با یک بایاس مناسب، از خط بار تعیین کرد. بهترین موقعیت ممکن برای نقطه Q، نزدیک مرکز خط بار است که مثلاً برای تقویت‌کننده کلاس A، نقطه Vce=0.5Vcc خواهد بود. شکل زیر، مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک را نشان می‌دهد:
مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک
در مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک بالا، یک بخش به نام «بایاس مقسم ولتاژ» (Voltage Divider Biasing) وجود دارد. این بایاس، مداری با دو مقاومت مقسم ولتاژ است که به تغذیه متصل می‌شود و نقطه وسط (اشتراک دو مقاومت) آن، ولتاژ بایاس بیس ترانزیستور را تامین می‌کند. بایاس مقسم ولتاژ، معمولاً در طراحی مدار تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری دوقطبی به کار می‌رود.
این روش بایاس کردن ترانزیستور، اثرات تغییر بتا (ββ) را با نگه داشتن بایاس بیس روی یک سطح ولتاژ ماندگار ثابت (تامین بهترین پایداری)، به طور چشم‌گیری کاهش می‌دهد. مدار مقسم ولتاژ که از دو مقاومت R1 و R2 و تغذیه (Vcc) تشکیل شده است، ولتاژ بیس (Vb) را تعیین می‌کند. مقاومت کلی RTRT معادل R1+R2 است که جریان i=Vcc/RTi=Vcc/RT را تعیین می‌کند. سطح ولتاژ تولیدی در نقطه اتصال دو مقاومت، ولتاژ بایاس (Vb) را در مقداری کمتر از ولتاژ تغذیه، ثابت نگه می‌دارد. شکل زیر مدار مقسم ولتاژ را نشان می‌دهد:
مدار مقسم، ولتاژ تغذیه را متناسب با مقاومت تقسیم می‌کند. ولتاژ مرجع بایاس را می‌توان با استفاده از فرمول ساده تقسیم ولتاژ زیر محاسبه کرد:
وقتی ترانزیستور کاملاً روشن (اشباع) باشد (یعنی Vce=0)، حداکثر جریان کلکتور (Ic) را نیز می‌توان با ولتاژ تغذیه (Vcc) تعیین کرد. جریان بیس (Ib) ترانزیستور، از جریان کلکتور (Ic) و بهره جریان DC (ββ) ترانزیستور به دست می‌آید:
گاهی بتا به hFEhFE اتلاق می‌شود که بهره جریان مستقیم ترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک است. بتا، واحدی ندارد، زیرا نسبت ثابت دو جریان Ic و Ib است. بنابراین، تغییرات کوچک در جریان بیس، به تغییر بزرگ در جریان کلکتور می‌انجامد. مقدار بتا در ترانزیستورهایی با مدل و اجزای مشابه، محدوده گسترده‌ای را شامل می‌شود. مثلاً مقدار بتای بهره جریان DC یک ترانزیستور دوقطبی BC107 NPN، بین 110 تا 450 است. زیرا بتا یک مشخصه ذاتی از ترانزیستور است و به عملکرد آن وابسته نیست.
از آنجایی که پیوند بیس/امیتر، بایاس مستقیم است، ولتاژ امیتر (Ve)، به اندازه ولتاژ پیوند، با ولتاژ بیس اختلاف دارد. اگر ولتاژ مقاومت امیتر معلوم باشد، آنگاه می‌توان جریان امیتر (Ie) را به سادگی با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد. مقدار جریان کلکتور (Ic) اغلب مشابه جریان امیتر است.
مثال
یک مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک، دارای بار RL=1.2kΩRL=1.2kΩ و ولتاژ تغذیه 12 ولت است. با فرض اینکه Vce=0 باشد، حداکثر جریان کلکتور (Ic) مقاومت بار را در حالتی که ترانزیستور کاملاْ روشن (اشباع) است محاسبه کنید. همچنین، مقدار مقاومت امیتر (RERE) را وقتی افت ولتاژ 1V دارد محاسبه کنید. مقادیر مقاومت‌های دیگر مدار را با فرض NPN بودن ترانزیستور تعیین کنید.
این جریان، نقطه A را روی محور عمودی جریان کلکتور (وقتی Vce=0 است) در نمودار منحنی‌های مشخصه نشان می‌دهد. وقتی ترانزیستور کاملاً خاموش باشد، چون جریانی برقرار نیست، افت ولتاژ در مقاومت‌های RERE و RLRL وجود نخواهد داشت. بنابراین، افت ولتاژ ترانزیستور (Vce) برابر با ولتاژ تغذیه (Vcc) خواهد بود. این وضعیت، متناظر با نقطه B روی محور افقی منحنی مشخصه است.
نقطه Q ساکن تقویت‌کننده، عموماً متناظر با اعمال سیگنال ورودی صفر به بیس است، بنابراین، ولتاژ کلکتور بین صفر و ولتاژ تغذیه است (Vcc/2). در نتیجه، جریان کلکتور در نقطه Q تقویت‌کننده به صورت زیر به دست می‌آید:
خط بار DC استاتیکی، یک معادله خط مستقیم خواهد داشت که شیب آن، −1/RL+RE−1/RL+RE است و در نقطه Vcc/(RL+RE)Vcc/(RL+RE) با محور عمودی برخورد می‌کند. موقعیت واقعی نقطه Q روی خط بار DC، مقدار میانگین Ib را نشان می‌دهد.
از آنجایی که جریان کلکتور برابر با ضرب بتا در جریان بیس (β×Ibβ×Ib) است، اگر فرض کنیم مقدار بتای ترانزیستور، برابر 100 باشد (100 یک مقدار متوسط منطقی برای ترانزیستورهای توان پایین است)، جریان بیس به صورت زیر محاسبه خواهد شد:
ولتاژ بایاس بیس، معمولاً از تغذیه اصلی (Vcc) و با «مقاومت افت دهنده» (Dropping Resistor) یا R1 تامین می‌شود. اکنون می‌توان مقاومت‌های R1 و R2 را برای دستیابی به جریان بیس ساکن 45.8 یا 46 میکروآمپر محاسبه کرد که به نزدیکترین عدد صحیح گرد شده است. جریان مدار مقسم ولتاژ، نسبت به جریان بیس بزرگ است، بنابراین، تحت تاثیر جریان بیس قرار نمی‌گیرد.
یک قانون سرانگشتی این است که حداقل 10 برابر جریان Ib از مقاومت R2 عبور می‌کند. مقدار ولتاژ بیس/امیتر، 0.7 ولت است. در نتیجه، مقدار مقاومت R2 به صورت زیر محاسبه می‌شود:
اگر جریان مقاومت R2، را 10 برابر جریان بیس در نظر بگیریم، جریان مقاومت R1، باید 11 برابر مقدار جریان بیس باشد؛ یعنی: IR2+IbIR2+Ib.
از آنجایی که ولتاژ مقاومت R1 برابر با Vcc-1.7 ولت (10.3 ولت) است، مقاومت R1 به صورت زیر محاسبه خواهد شد:
مقدار مقاومت امیتر (RERE) را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد. جریان گذرنده از RERE، حاصل مجموع جریان بیس و جریان کلکتور است:
مقاومت RERE، بین سر امیتر و زمین وصل می‌شود و همان‌گونه که قبلاً گفتیم، افت ولتاژ 1 ولتی روی آن وجود دارد. بنابراین، داریم:
در نتیجه، مقادیر منتخب مقاومت‌های مدار (با تلورانس 5 درصد)، به صورت زیر خواهند بود:
اکنون می‌توانیم مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک اولیه را با مقادیر عناصر مختلف آن، به شکل کامل زیر نمایش دهیم:
خازن‌های کوپلاژ تقویت‌کننده
در مدار تقویت‌کننده‌های امیتر مشترک، برای جداسازی سیگنال‌های AC از ولتاژ بایاس DC، از «خازن‌های کوپلاژ» (Coupling Capacitors) با نام C1 و C2 استفاده می‌شود. از آنجایی که خازن‌ها، سیگنال‌های AC را عبور داده و هر مولفه DC دیگری را سد می‌کنند، بایاس، صحیح عمل کرده و تحت تاثیر بخش‌های دیگر تقویت‌کننده قرار نمی‌گیرد. سیگنال AC خروجی، روی بایاس طبقات پیش‌رو سوار می‌شود. همچنین، خازن بای‌پس (bypass capacitor) (CECE)، بین امیتر و زمین قرار می‌گیرد.
این خازن، یک جزء مدار باز در شرایط بایاس DC است؛ به این معنی که جریان و ولتاژ بایاس، تحت تاثیر افزودن خازن (برای حفظ پایداری نقطه Q) قرار نمی‌گیرند.
خازن بای‌پس موازی، به خاطر راکتانسی که دارد، مقاومت امیتر را در فرکانس‌های بالا، اتصال کوتاه می‌کند. بنابراین، تنها، مقاومت RLRL به اضافه یک مقاومت درونی بسیار کوچک به عنوان مقاومت بار در نظر گرفته می‌شوند و بهره ولتاژ را به حداکثر مقدار خود می‌رسانند. مقدار خازن بای‌پس (CECE)، معمولاً به گونه‌ای انتخاب می‌شود که حداکثر مقدار راکتانس آن، یک‌دهم مقاومت RERE در پایین‌ترین فرکانس کاری باشد.
منحنی‌های مشخصه خروجی
اکنون می‌توانیم منحنی‌هایی را رسم کنیم که جریان کلکتور (Ic) در برابر ولتاژ کلکتور/امیتر (Vce) را به ازای مقادیر مختلف جریان بیس (Ib) نشان می‌دهند. این منحنی‌ها، با نام «منحنی‌های مشخصه خروجی» (Output Characteristics Curves) شناخته می‌شوند و ابزار مناسبی برای نشان دادن چگونگی عملکرد ترانزیستور در محدوده دینامیکی آن هستند. در منحنی مشخصه مثال بالا، خط بار استاتیکی یا DC مقاومت بار RL=1.2kΩRL=1.2kΩ برای تمام نقاط کار ترانزیستور رسم شده است (شکل زیر را ببینید).
منحنی‌های مشخصه خروجی
وقتی ترانزیستور خاموش است، Vce با ولتاژ تغذیه Vcc برابر خواهد شد که معادل نقطه B روی خط است. برعکس، وقتی ترانزیستور کاملاً روشن (اشباع) باشد، جریان کلکتور را می‌توان با کمک مقاومت بار RLRL تعیین کرد که این حالت، متناظر با نقطه A روی خط است.
قبلاً در محاسبه بهره DC ترانزیستور دیدیم که جریان بیس مورد نیاز برای وضعیت متوسط ترانزیستور برابر 45.8μA45.8μA است و با نقطه Q روی خط بار نشان داده شده است. می‌توانستیم این مقدار را روی 50 میکروآمپر گرد کنیم، بدون آنکه اثری روی نقطه کار داشته باشد.
نقطه Q روی خط بار، جریان بیس این نقطه (45.8 یا 46 میکروآمپر) را مشخص می‌کند. اکنون باید حداقل و حداکثر پیک نوسان جریان بیس را پیدا کنیم که به تغییر مناسب جریان کلکتور بدون ایجاد اعوجاج خروجی می‌انجامد.
از آنجایی که خط بار، منحنی‌های مشخصه DC را در چند مقدار مختلف جریان بیس قطع می‌کند، می‌توانیم پیک نوسانات جریان بیس را پیدا کنیم. این مقادیر با نقاط N و M روی خط بار نشان داده شده‌اند و به ترتیب، مقدار حداقل و حداکثر جریان بیس 20 و 80 میکروآمپر را نشان می‌دهند. نقاط N و M را می‌توان هر جایی از خط بار که فاصله مشابهی با Q دارد انتخاب کرد. از این نقاط مقدار تئوری حداکثر سیگنال ورودی به پایه بیس (60μA60μA پیک تا پیک یا 30μA30μA پیک) بدون تولید هرگونه اعوجاج در خروجی به دست می‌آید. هر سیگنال ورودی که سبب برقراری جریان بیس بزرگتر از این مقدار شود، ترانزیستور را به زیر نقطه N و در ناحیه قطع یا زیر نقطه M و در ناحیه اشباع خواهد برد و در نتیجه خروجی، اعوجاجی به فرم «سرچین» (Clipping) خواهد داشت.
با استفاده از مقادیر N و M، می‌توان مقادیر لحظه‌ای جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور-امیتر متناظر با آن را از خط بار تصویر کرد. مشاهده می‌شود که ولتاژ کلکتور-امیتر در فاز مقابل (−180∘−180∘) جریان کلکتور قرار دارد. هنگامی که جریان بیس، در جهت مثبت از 50 به 80 میکروآمپر تغییر کند، مقدار حالت ماندگار ولتاژ کلکتور-امیتر (که ولتاژ خروجی نیز هست)، از 5.8 به 2 ولت کاهش می‌یابد. با توجه به اینکه افزایش ولتاژ بیس سبب کاهش Vout و کاهش آن، باعث افزایش Vout می‌شود، تقویت‌کننده امیتر مشترک را «تقویت‌کننده معکوس‌ساز» (Inverting Amplifier) نیز می‌نامند. به عبارت دیگر، سیگنال خروجی، 180 درجه عقب‌تر از سیگنال ورودی است.
بهره ولتاژ امیتر مشترک
بهره ولتاژ تقویت‌کننده امیتر مشترک، برابر نسبت تغییر ولتاژ خروجی به تغییر ولتاژ ورودی آن است. بنابراین، ΔVLΔVL، معادل Vout و ΔVBΔVB معادل Vin است. بهره ولتاژ را می‌توان نسبت مقاومت کلکتور به مقاومت امیتر نیز تعریف کرد:
قبلاً گفتیم که با افزایش فرکانس کاری، خازن بای‌پس CECE، مقاومت امیتر را اتصال کوتاه می‌کند. بنابراین، در فرکانس‌های بالا، RE=0RE=0 خواهد بود که به بهره بینهایت می‌انجامد.
ترانزیستورهای نیمه‌رسانا، یک مقاومت درونی کوچک (Re) برای عبور جریان دارند که معمولاً با یک نماد مقاومت کوچک در نماد ترانزیستور نشان داده می‌شود.
طبق اطلاعات موجود در دیتاشیت ترانزیستورهای دوقطبی سیگنال کوچک، مقدار این مقاومت درونی، به صورت 25mV/Ie محاسبه می‌شود که عدد 25mV، افت ولتاژ لایه پیوند امیتر است. مقاومت امیتر مدار مربوط به مثال بالا به صورت زیر قابل محاسبه است:
مقاومت داخلی امیتر با یک مقاومت خارجی RERE سری می‌شود و معادله بهره واقعی ترانزیستور به صورت زیر اصلاح خواهد شد:
در فرکانس‌های پایین، مقاومت کل امیتر برابر با RE+ReRE+Re است. در فرکانس‌های بالا، خازن بای‌پس، مقاومت امیتر را اتصال کوتاه کرده و تنها مقاومت درونی ReRe وجود دارد که موجب افزایش بهره می‌شود. برای مثال مذکور، بهره فرکانس پاییین و فرکانس بالای مدار به صورت زیر خواهد بود:
بهره فرکانس پایین:
بهره فرکانس بالا:
نکته آخر این است که بهره ولتاژ فقط به مقادیر مقاومت کلکتور (RLRL) و مقاومت امیتر (RE+ReRE+Re) وابسته است و بهره جریان بتا (β(hFEβ(hFE تاثیری روی آن ندارد.
برای مثال ساده‌ای که بیان شد، خلاصه مقادیر محاسبه شده تقویت‌کننده امیتر مشترک در جدول زیر آورده شده است:
جمع‌بندی
تقویت‌کننده امیتر مشترک، در مدار کلکتور مقاومتی دارد که جریان گذرنده از آن، ولتاژ خروجی تقویت‌کننده را تولید می‌کند. مقدار این مقاومت، به گونه‌ای انتخاب می‌شود که نقطه کار ساکن (Q-Point) ولتاژ خروجی، در میانه خط بار ترانزیستور قرار گیرد.
بیس ترانزیستور تقویت‌کننده امیتر مشترک، با دو مقاومت مقسم ولتاژ بایاس می‌شود. این نوع بایاس معمولاً در طراحی مدار تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری دوقطبی به کار می‌رود و با نگه داشتن ولتاژ بیس روی یک مقدار ثابت، تاثیر تغییرات بتا (ββ) را به شدت کاهش می‌دهد.
با افزودن یک مقاومت به امیتر، می‌توان بهره ولتاژ را به RL/RERL/RE تبدیل کرد. اگر هیچ مقاومت بیرونی وجود نداشته باشد، بهره ولتاژ تقویت‌کننده، بینهایت نخواهد شد، زیرا مقاومت درونی کوچک ReRe در امیتر وجود دارد. مقدار این مقاومت درونی برابر 25mV/IE25mV/IE است.
