مقاومت امیتر متصل به ترمینال امیتر تقویت کننده ترانزیستوری می‌تواند برای افزایش ثبات بایاس تقویت کننده استفاده شود.
هدف مدار تقویت کننده سیگنال AC، تثبیت ولتاژ ورودی با بایاس DC به تقویت کننده و در نتیجه تقویت سیگنال AC مورد نیاز است.
این تثبیت با استفاده از مقاومت امیتر به دست می‌آید که میزان مطلوب بایاس خودکار مورد نیاز برای یک تقویت کننده امبتر مشترک را فراهم می‌کند. برای توضیح بیشتر این موضوع، مدار تقویت کننده پایه زیر را در نظر بگیرید.
مدار تقویت کننده امیتر مشترک پایه
این مدار تقویت کننده امیتر مشترک از یک شبکه تقسیم ولتاژ برای بایاس بیس ترانزیستور استفاده می‌کند و پیکربندی امیتر مشترک یک روش بسیار معروف برای طراحی مدارهای تقویت کننده ترانزیستور دو قطبی است. یک ویژگی مهم این مدار این است که مقدار قابل توجهی جریان به بیس ترانزیستور وارد میشود.
ولتاژ محل اتصال دو مقاومت بایاس R۱ و R۲، ولتاژ بیس ترانزیستور (VB) را در مقداری ثابت و متناسب با ولتاژ تغذیه (VCC) نگه می‌دارد. توجه داشته باشید که VB ولتاژ اندازه گیری شده از بیس به زمین است که در واقع افت ولتاژ R۲ می‌باشد.
این مدار تقویت کننده از نوع «کلاس A» همیشه به گونه‌ای طراحی شده است که جریان بیس (IB) کمتر از 10% جریان جاری در مقاومت بایاس R۲ باشد. بنابراین به عنوان مثال، اگر به جریان کلکتور 1mA در نقطه کار نیاز داشته باشیم، جریان بیس (IB) حدود یک صدم این مقدار یا 10μA خواهد بود. در نتیجه جریان عبوری از مقاومت R۲ شبکه تقسیم ولتاژ باید حداقل ده برابر این مقدار یا ۱۰۰μA باشد.
مزیت استفاده از تقسیم ولتاژ در ثبات آن نهفته است. از آنجا که بار تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط R۱ و R۲ کم است، ولتاژ بیس (VB) را می‌توان به راحتی و با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ ساده به شرح زیر محاسبه کرد.
معادله تقسیم ولتاژ
با این حال در این نوع آرایش بایاس، شبکه تقسیم ولتاژ توسط جریان بیس بارگیری نمی‌شود، چراکه بسیار کوچک است، بنابراین اگر تغییری در ولتاژ منبع تغذیه (VCC) ایجاد شود، سطح ولتاژ بیس نیز به طور نسبی تغییر می‌کند. پس نوعی تثبیت ولتاژ بایاس بیس یا نقطه Q ترانزیستور مورد نیاز است.
تثبیت با مقاومت امیتر
ولتاژ بایاس تقویت کننده را می‌توان با قرار دادن یک مقاومت در مدار امیتر ترانزیستور، مطابق شکل، تثبیت کرد. این مقاومت به عنوان مقاومت امیتر (RE) شناخته میشود. افزودن این مقاومت امیتر به این معنی است که ترمینال امیتر ترانزیستور دیگر متصل به زمین یا در پتانسیل صفر ولت نیست، بلکه در پتانسیل کوچکی بالاتر از آن قرار دارد که توسط معادله قانون اهم به دست می‌آید: VE=IE×RE. که در آن: IE جریان امیتر است.
حال اگر ولتاژ تغذیه (VCC) افزایش یابد، جریان کلکتور ترانزیستور نیز به ازای مقاومت بار معین افزایش می‌یابد. اگر جریان کلکتور افزایش یابد، جریان امیتر مربوطه نیز باید افزایش یابد، که باعث افزایش افت ولتاژ در RE میشود. این عمل منجر به افزایش نسبی ولتاژ بیس میشود، زیرا VB = VE + VBE.
از آنجا که ولتاژ بیس توسط مقاومت‌های تقسیم کننده R۱ و R۲ ثابت نگه داشته میشود، ولتاژ DC در بیس نسبت به امیتر (VBE) به طور نسبی کاهش می‌یابد و در نتیجه درایو جریان بیس را کاهش میدهد و جریان کلکتور را از افزایش بیشتر باز می‌دارد. اگر ولتاژ تغذیه و جریان کلکتور سعی در کاهش مقدار داشته باشند، عملکرد مشابهی رخ میدهد.
به عبارت دیگر، افزودن این مقاومت ترمینال امیتر، با استفاده از فیدبک منفی، به کنترل بایاس بیس ترانزیستور کمک می‌کند؛ فیدبک منفی هرگونه تغییر در جریان کلکتور را با تغییر مخالف ولتاژ بایاس بیس نفی می‌کند و بنابراین مدار در سطح ثابتی پایدار میشود.
همچنین، از آنجا که بخشی از تغذیه در RE کاهش می‌یابد، مقدار آن باید تا حد ممکن کم باشد تا بتوان بیشترین ولتاژ ممکن را در مقاومت بار (RL) و در نتیجه خروجی ایجاد کرد. با این حال، مقدار آن نمی‌تواند خیلی کوچک باشد، زیرا بار دیگر پایداری مدار آسیب می‌بیند.
پس جریان عبوری از مقاومت امیتر به صورت زیر محاسبه میشود:
جریان مقاومت امیتر
به عنوان یک قاعده کلی، افت ولتاژ مقاومت امیتر عبارت است از: VB-VBE، یا یک دهم (1/10) مقدار ولتاژ منبع تغذیه (VCC). مقدار رایج برای ولتاژ مقاومت امیتر بین 1 تا 2 ولت است، هر کدام که پایین‌تر باشد. مقدار مقاومت امیتر (RE) را می‌توان از طریق بهره نیز به دست آورد، زیرا اکنون بهره ولتاژ AC برابر است با: RL/RE.
مثال ۱
یک تقویت کننده امیتر مشترک دارای ویژگی‌های β=100 ، VCC=30V و RL=1kΩ است. اگر مدار تقویت کننده از مقاومت امیتر برای بهبود پایداری خود استفاده کند، مقدار آن را محاسبه کنید.
جریان نقطه کار تقویت کننده (ICQ) به شرح زیر است:
افت ولتاژ در مقاومت امیتر به طور کلی بین 1 تا 2 ولت است، بنابراین فرض می‌کنیم افت ولتاژ (VE) 1.5V باشد.
پس مقدار مقاومت امیتر مورد نیاز برای مدار تقویت کننده برابر است با ۱۰۰Ω و مدار امیتر مشترک نهایی به شکل زیر خواهد بود:
تقویت کننده امیتر مشترک نهایی
بهره مرحله تقویت کننده را نیز در صورت لزوم می‌توان به دست آورد که به صورت زیر محاسبه میشود:
خازن بای پس امیتر
در مدار فیدبک سری بالا، مقاومت امیتر (RE) دو عملکرد را انجام میدهد: فیدبک منفی DC برای بایاس پایدار و فیدبک منفی AC برای تعیین هدایت انتقالی سیگنال و بهره ولتاژ. اما از آنجا که مقاومت امیتر یک مقاومت فیدبک است، همچنین باعث کاهش بهره تقویت کننده به دلیل نوسانات جریان امیتر (IE)، که تحت تاثیر سیگنال ورودی AC است، میشود.
برای غلبه بر این مشکل، یک خازن، به نام «خازن بای پس امیتر» (CE) به دو سر مقاومت امیتر متصل میشود. این خازن بای پس باعث میشود که پاسخ فرکانسی تقویت کننده در فرکانس قطع تعیین شده (fc) شکسته شده و جریان سیگنال به زمین منتقل شود.
خازن برای بایاس DC به عنوان یک مدار باز به نظر می‌رسد و بنابراین جریان‌ها و ولتاژهای بایاس با افزودن خازن بای پس تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند. در طول دامنه فرکانس‌های کارکرد تقویت کننده، راکتانس خازن (XC) در فرکانس‌های پایین بسیار بالا خواهد بود و اثر فیدبک منفی ایجاد می‌کند و باعث کاهش بهره تقویت کننده میشود.
مقدار این خازن بای پس (CE) به طور کلی برای تامین یک راکتانس خازنی، حداکثر یک دهم (1/10) مقدار مقاومت امیتر (RE) در پایین‌ترین نقطه فرکانس قطع، انتخاب میشود. پس با فرض این که کمترین فرکانس سیگنال برای تقویت، 100Hz باشد، مقدار خازن بای پس (CE) به صورت زیر محاسبه میشود:
پس برای تقویت کننده امیتر مشترک ساده بالا، مقدار خازن بای پس امیتر متصل به موازات مقاومت امیتر برابر است با: 160μF.
تقویت کننده با امیتر دو قسمتی
در حالی که افزودن خازن بای پس (CE) به کنترل بهره تقویت کننده با مقابله با اثرات عدم قطعیت بتا (β) کمک می‌کند، یکی از معایب اصلی آن این است که در فرکانس‌های بالا راکتانس خازن آن قدر کم میشود که با افزایش فرکانس، مقاومت امیتر (RE) عملا اتصال کوتاه میشود.
نتیجه این است که در فرکانس‌های بالا، راکتانس خازن امکان کنترل فیدبک AC بسیار کمی را فراهم می‌کند، زیرا RE اتصال کوتاه میشود. این خود بدان معنا است که بهره ولتاژ AC ترانزیستور به شدت افزایش یافته و تقویت کننده وارد ناحیه اشباع میشود.
یک راه آسان برای کنترل بهره تقویت کننده در کل محدوده فرکانس کار، تقسیم مقاومت امیتر به دو قسمت است.
مقاومت امیتر دو قسمتی
مقاومت در پایه امیتر به دو قسمت تقسیم شده است: RE1 و RE2 و یک شبکه تقسیم ولتاژ در پایه امیتر ایجاد کرده است و خازن بای پس به صورت موازی با مقاومت پایینی متصل شده است.
مقاومت بالایی (RE1) همان مقدار قبلی است، اما خازن آن را دور نمی‌زند، بنابراین هنگام محاسبه پارامترهای سیگنال باید در نظر گرفته شود. مقاومت پایینی (RE2) به طور موازی با خازن متصل شده است و هنگام محاسبه پارامترهای سیگنال، به دلیل اینکه در فرکانس‌های بالا اتصال کوتاه میشود، صفر اهم در نظر گرفته میشود.
مزیت در اینجا این است که می‌توانیم بهره AC تقویت کننده را در طیف وسیعی از فرکانس‌های ورودی کنترل کنیم. در فرکانس صفر (DC) مقدار کل مقاومت امیتر برابر RE1+RE2 است، در حالی که در فرکانس‌های AC بالاتر، مقاومت امیتر تنها RE1 است، همان چیزی که در مدار اصلی بدون بای پس بود.
پس مقدار RE2 چقدر است؟ خوب، این بستگی به بهره ولتاژ DC مورد نیاز در نقطه قطع فرکانس‌های پایین‌تر دارد. پیشتر گفتیم که بهره مدار بالا برابر است با RL/RE، که برای مدار امیتر مشترک بالا مقدار 10 (1kΩ/100Ω) به دست آمد. اما اکنون در فرکانس DC بهره برابر است با: RL / (RE1 + RE2).
بنابراین اگر مقدار بهره DC را مثلا 1 (یک) در نظر بگیریم، مقدار مقاومت امیتر (RE2) به شرح زیر به دست می‌آید:
مقاومت امیتر دو قسمتی، RE2
پس به ازای بهره DC به مقدار 1 (یک)، RE1=100Ω و RE2=900Ω. توجه داشته باشید که مقدار بهره AC همان 10 خواهد بود.
پس در یک تقویت کننده با امیتر دو قسمتی، بسته به فرکانس کار، مقادیر بهره ولتاژ و امپدانس ورودی جایی بین تقویت کننده امیتر با بای پس کامل و تقویت کننده امیتر بدون بای پس قرار دارد.
خلاصه مقاومت امیتر
سپس برای جمع بندی، پارامتر تقویت جریان (β) یک ترانزیستور می‌تواند به دلیل تلورانس تولید و همچنین به دلیل تغییرات ولتاژ منبع تغذیه و دمای کار، از یک دستگاه به دستگاه دیگر با همان نوع و شماره قطعه، متفاوت باشد.
پس در یک مدار تقویت کننده امیتر مشترک کلاس A، لازم است از یک مدار بایاس استفاده شود که نقطه Q را تثبیت و جریان کلکتور DC (IC) را از بتا مستقل کند. تاثیر β بر مقدار جریان امیتر را می‌توان با افزودن مقاومت امیتر (RE) در پایه امیتر برای ایجاد پایداری، کاهش داد.
افت ولتاژ در مقاومت امیتر معمولا بین 1 تا 2 ولت است. مقاومت امیتر را می‌توان به طور کامل توسط یک خازن بای‌پس (CE) مناسب که به موازات مقاومت امیتر متصل است، برای دستیابی به بهره AC بیشتر، دور زد. یا با استفاده از یک شبکه تقسیم ولتاژ امیتر دو قسمتی، که باعث کاهش بهره DC و اعوجاج میشود، بخشی از آن را دور زد. مقدار این خازن از طریق راکتانس خازنی (XC) در کمترین فرکانس سیگنال تعیین میشود.
دیدگاه خود را بنویسید