معرفی مقاومت امیتر

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، هدف یک مدار تقویت‌کننده سیگنال AC، تثبیت ولتاژ ورودی بایاس شده DC است و بنابراین، فقط سیگنال AC را تقویت می‌کند. این تثبیت، با استفاده از مقاومت امیتر فراهم می‌شود که مقدار بایاس کافی تقویت‌کننده را تامین می‌کند. برای درک بیشتر این موضوع، مدار پایه‌ای تقویت‌کننده زیر را ببینید.

مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک

مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک شکل بالا، یک مدار مقسم ولتاژ برای بایاس بیس ترانزیستور دارد که راه‌حل محبوبی در طراحی مدار‌های تقویت‌کننده ترانزیستوری است. یک ویژگی مهم مدار مذکور، این است که یک جریان محسوس از بیس ترانزیستور عبور می‌کند.

ولتاژ نقطه اتصال دو مقاومت بایاس R۱ و R۲، ولتاژ بیس ترانزیستور (VB) را در یک مقدار ثابت و متناسب با ولتاژ تغذیه (Vcc) نگه می‌دارد. دقت کنید که VBولتاژ اندازه‌گیری شده بیس نسبت به زمین است که برابر با ولتاژ دو سر مقاومت R۲ خواهد بود.

این تقویت‌کننده «کلاس A» همیشه به گونه‌ای طراحی می‌شود که جریان بیس (Ib) کمتر از ۱۰ درصد جریان گذرنده از مقاومت بایاس R۲ باشد. برای مثال، اگر نیاز داشته باشیم که جریان کلکتور ۱mA باشد، جریان بیس (IB) یک هزارم آن، یعنی ۱۰μA خواهد بود. بنابراین، جریان گذرنده از مقاومت R۲ باید حداقل ۱۰ برابر این مقدار، یعنی ۱۰۰μAباشد.

مزیت استفاده از مقسم ولتاژ، تثبیت‌کنندگی آن است. از آنجایی که مقسم ولتاژ، از دو مقاومت R۱ و R۲ تشکیل شده، ولتاژ بیس Vb را می‌توان به سادگی با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ زیر محاسبه کرد:



اگرچه مدار این بایاس به دلیل کوچک بودن جریان بیس، بار زیادی را تحمل نمی‌کند، اما اگر تغییراتی در ولتاژ تغذیه Vcc رخ دهد، سطح ولتاژ بیس نیز متناسب با آن تغییر می‌کند. بنابراین، تثبیت ولتاژ بایاس بیس ترانزیستور یا نقطه کار امری ضروری است.

تثبیت با مقاومت امیتر

همان‌گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، ولتاژ بایاس تقویت‌کننده‌ها را می‌توان با تعبیه یک مقاومت در پایه امیتر تثبیت کرد. این مقاومت با نام مقاومت امیتر (RE) شناخته می‌شود. افزودن این مقاومت امیتر به مدار، به این معنی است که پایه امیتر، دیگر زمین یا ولتاژ آن صفر نیست، بلکه دارای ولتاژ کوچکی است که طبق قانون اهم به صورت (VE=IE.RE) محاسبه می‌شود و در آن، IEجریان امیتر است.

مقاومت امیتر

اگر ولتاژ تغذیه Vcc افزایش یابد، جریان کلکتور Ic ترانزیستور نیز به ازای یک مقاومت بار مشخص افزایش پیدا می‌کند. اگر جریان کلکتور افزایش یابد، جریان امیتر متناظر با آن نیز افزایش یافته و سبب افزایش افت ولتاژ روی مقاومت REخواهد شد. این افزایش ولتاژ، ولتاژ بیس را افزایش خواهد داد:



از آنجایی که بیس باید با مقاومت‌های مقسم ولتاژ R۱ و R۲ ثابت نگه داشته شود، ولتاژ DC بیس-امیتر Vbe برای کاهش جریان بیس و جلوگیری از افزایش جریان کلکتور باید پایین‌تر بیاید. مورد مشابه برای حالتی که ولتاژ تغذیه و جریان کلکتور شروع به کاهش می‌کنند نیز وجود دارد.

به عبارت دیگر، افزودن این مقاومت امیتر، به کنترل بایاس بیس ترانزیستور کمک خواهد کرد. این کار با استفاده از فیدبک منفی انجام می‌شود که تغییر جریان کلکتور را با تغییر مخالف در ولتاژ بایاس بیس خنثی می‌کند و در نتیجه مدار در یک سطح ثابت پایدار می‌شود.

همچنین، از آنجایی که مقداری از ولتاژ تغذیه روی مقاومت REمی‌افتد، مقدار آن باید تا حد ممکن کوچک باشد تا بتوان ولتاژ بار RLرا تامین کرد. هرچند، این مقدار نمی‌تواند آنقدر کوچک باشد که سبب ناپایداری مدار شود.

جریان مقاومت امیتر را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:


به عنوان یک قانون سر انگشتی، ولتاژ دو سر مقاومت امیتر با رابطه VB−VBEیا یک دهم (۱/۱۰) مقدار ولتاژ تغذیه (Vcc) محاسبه می‌شود. ولتاژ معمول مقاومت امیتر بین ۱ تا ۲ ولت است. مقاومت امیتر (RE) را می‌توان از بهره ولتاژ AC نیز به این صورت محاسبه کرد: RL/RE.

مثال

یک تقویت‌کننده امیتر مشترک، دارای مشخصه‌های روبروست: β=۱۰۰، Vcc=۳۰V و RL=۱kΩ. اگر در مدار تقویت‌کننده از مقاومت امیتر برای بهبود تثبیت استفاده شود، به صورت زیر می‌توان مقدار آن را محاسبه کرد.

جریان نقطه کار کلکتور (ICQ) به شکل زیر محاسبه می‌شود:



ولتاژ دو سر مقاومت امیتر معمولاً بین ۱ تا ۲ ولت است. در اینجا فرض می‌کنیم این مقدار ۱.۵ ولت باشد. در نتیجه، داریم:



در نهایت، مقدار مقاومت امیتر ۱۰۰ اهم بدست می‌آید و شکل نهایی مدار تقویت‌کننده امیتر مشترک به صورت زیر خواهد بود:



بهره تقویت‌کننده را می‌توان با فرمول زیر بدست آورد:


خازن بای‌پس امیتر

در مدار فیدبک بالا، مقاومت امیتر (RE) دو نقش دارد: فیدبک DC منفی برای تثبیت بایاس و فیدبک منفی AC برای مشخصه رسانایی متقابل و بهره ولتاژ. اما از آنجایی که مقاومت امیتر، یک مقاومت فیدبک است، بهره تقویت‌کننده را به دلیل نوسانات جریان امیتر IEناشی از سیگنال ورودی AC کاهش می‌دهد.

برای غلبه بر این مشکل، یک خازن به نام «خازن بای‌پس امیتر» یا CEموازی با مقاومت امیتر به مدار وصل می‌شود. این خازن بای‌پس، سبب می‌شود پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده از طریق عبور دادن (Passing) جریان‌های سیگنال به زمین، در فرکانس قطع fcشکسته شود.

 

خازن بای‌پس در مدار تقویت‌کننده

خازن، در بایاس DC به صورت مدار باز عمل می‌کند، بنابراین، ولتاژ‌ها و جریان‌های بایاس شده با افزودن خازن بای‌پس به مدار، تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند. در بازه فرکانسی عملکرد تقویت‌کننده، راکتانس خازن XCبرای فرکانس‌های پایین، بسیار زیاد است و موجب تولید اثر فیدبک منفی خواهد شد که بهره تقویت‌کننده را کاهش می‌دهد.

مقدار این خازن بای‌پس، معمولاً به گونه‌ای انتخاب می‌شود که راکتانس آن، حداکثر یک دهم (۱/۱۰) مقدار مقاومت امیتر در پایین‌ترین فرکانس قطع باشد. بنابراین، فرض می‌کنیم کوچکترین فرکانس سیگنال که باید تقویت شود، ۱۰۰ هرتز باشد. مقدار خازن بای‌پس CEبه صورت زیر بدست می‌آید:



در نتیجه، برای مثالی که بیان شد، مقدار خازن بای‌پس که به صورت موازی به مقاومت امیتر وصل می‌شود برابر ۱۶۰ میکروفاراد است.

مقاومت امیتر دو قسمتی

با اینکه خازن بای‌پس از طریق مقابله با اثرات نامعین بودن بتا (β) به کنترل بهره تقویت‌کننده کمک خواهد کرد، یکی از معایب آن، این است که در فرکانس‌های بالا، مقاومت امیتر را اتصال کوتاه خواهد کرد.

بنابراین، در فرکانس‌های بالا، راکتانس ترانزیستور یک کنترل فیدبک AC بسیار کوچک خواهد داشت. زیرا مقاومت امیتر اتصال کوتاه می‌شود و بهره ولتاژ AC ترانزیستور بسیار افزایش می‌یابد و آن را به وضعیت اشباع خواهد برد.

یک راه ساده برای مقابله با این مشکل، تقسیم مقاومت امیتر به دو بخش است. شکل زیر این کار را نشان می‌دهد.

مقاومت‌های تقسیم شده امیتر

مقاومت شاخه امیتر به دو قسمت تقسیم شده است؛ RE۱و RE۲یک مدار مقسم ولتاژ تشکیل می‌دهند که خازن بای‌پس با مقاومت پایینی موازی است.

ترانزیستور بالایی، مقداری برابر با حالت بدون تقسیم مقاومت دارد، اما با خازن بای‌پس نشده است. مقاومت پایینی موازی با خازن است و در فرکانس‌های بالا، اتصال کوتاه می‌شود.

مزیت این پیکربندی، این است که می‌توان بهره AC تقویت‌کننده را در تمام محدوده فرکانس‌های ورودی کنترل کرد. در حالت DC، مقدار مقاومت کل امیتر برابر با RE۱+RE۲خواهد بود، در حالی که در فرکانس‌های AC برابر با RE۱است.

اما مقدار مقاومت RE۲را چگونه می‌توان محاسبه کرد؟ مقدار آن به بهره ولتاژ DC مورد نیاز در نقطه قطع فرکانس پایین بستگی دارد. قبلاً گفتیم که بهره مدار با رابطه RL/RE محاسبه می‌شود که برای مدار امیتر مشترک مثال بالا، ۱۰ (۱kΩ/۱۰۰Ω) خواهد بود. برای مداری با مقاومت امیتر دو قسمتی، بهره DC برابر با RL/ (RE۱+RE۲)است.

بنابراین، اگر بهره DC را برابر با یک (۱) فرض کنیم، مقدار مقاومت RE۲به صورت زیر محاسبه می‌شود:



مقادیر بهره ولتاژ و امپدانس ورودی یک تقویت‌کننده امیتر دو قسمتی، بین یک تقویت‌کننده بای‌پس شده کامل و بدون بای‌پس است و به فرکانس کاری بستگی دارد.

جمع‌بندی

پارامتر تقویت‌کنندگی جریان (β) ترانزیستور، به دلیل وجود تلورانس‌های ساخت، دمای کاری و ولتاژ تغذیه، از یک قطعه به قطعه دیگر متفاوت است.

بنابراین، در یک تقویت‌کننده امیتر مشترک باید از یک مدار بایاس بهره ببریم که نقطه کار را تثبیت خواهد کرد و جریان DC کلکتور را مستقل از مقدار بتا می‌کند. اثر β. روی جریان امیتر را می‌توان با اضافه کردن یک مقاومت امیتر REکاهش داد.

ولتاژ مقاومت امیتر معمولاً بین ۱ تا ۲ ولت است. مقاومت امیتر را می‌توان با یک خازن مناسب، به صورت کامل بایاس کرد و به بهره AC بالاتری رسید. همچنین یک شبکه مقسم ولتاژ دو قسمتی، بهره DC و اعوجاج را کاهش خواهد داد. مقدار خازن را می‌توان با مقدار راکتانس خازنی (XC) در پایین‌ترین فرکانس سیگنال محاسبه کرد.

 

منبع: فرادرس