مقاومت امیتر (Emitter Resistance) — مفاهیم پایه

همان‌طور که در آموزش‌های قبلی گفتیم، 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 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 R1 و R2، ولتاژ بیس ترانزیستور ($$V_B$$)‌ را در یک مقدار ثابت و متناسب با ولتاژ تغذیه (Vcc) نگه می‌دارد. دقت کنید که $$V_B$$ ولتاژ اندازه‌گیری شده بیس نسبت به زمین است که برابر با ولتاژ دو سر مقاومت R2 خواهد بود.

این تقویت‌کننده «کلاس A»‌ همیشه به گونه‌ای طراحی می‌شود که جریان بیس (Ib) کمتر از 10 درصد جریان گذرنده از مقاومت بایاس R2‌ باشد. برای مثال،‌ اگر نیاز داشته باشیم که جریان کلکتور 1mA باشد، جریان بیس ($$I_B$$) یک هزارم آن، یعنی $$10\mu A$$ خواهد بود. بنابراین، جریان گذرنده از مقاومت R2 باید حداقل 10 برابر این مقدار، یعنی $$100\mu A$$‌ باشد.

مزیت استفاده از مقسم ولتاژ، تثبیت‌کنندگی آن است. از آنجایی که مقسم ولتاژ، از دو مقاومت R1 و R2 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 ($$R_E$$) شناخته می‌شود.

فیلم آموزش الکترونیک ۱ – مرور و حل تست در فرادرس

کلیک کنید

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 ($$V_E=I_E.R_E$$) محاسبه می‌شود و در آن، $$I_E$$ جریان امیتر است.

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 $$R_E$$ خواهد شد. این افزایش ولتاژ، ولتاژ بیس را افزایش خواهد داد:

$$V_B=V_E+V_{BE}$$

از آنجایی که بیس باید با مقاومت‌های مقسم ولتاژ R1 و R2 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 $$R_E$$‌ می‌افتد، مقدار آن باید تا حد ممکن کوچک باشد تا بتوان ولتاژ بار $$R_L$$ را 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 $$V_B-V_{BE}$$ یا یک دهم (۱/۱0) مقدار ولتاژ تغذیه (Vcc) محاسبه می‌شود. ولتاژ معمول مقاومت امیتر بین 1 تا 2 ولت است. مقاومت امیتر ($$R_E$$) را می‌توان از بهره ولتاژ AC‌ نیز به این صورت محاسبه کرد: $$R_L/R_E$$.

مثال

یک تقویت‌کننده امیتر مشترک، دارای مشخصه‌های روبروست: $$\beta=100$$، Vcc=30V و $$R_L=1k \Omega$$.‌ 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 ($$I_{CQ}$$) به شکل زیر محاسبه می‌شود:

ولتاژ دو سر مقاومت امیتر معمولاً بین 1 تا 2 ولت است. در اینجا فرض می‌کنیم این مقدار 1.5 ولت باشد. در نتیجه، داریم:

در نهایت، مقدار مقاومت امیتر 100 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 ($$R_E$$)‌ 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 $$I_E$$ ناشی از سیگنال ورودی AC کاهش می‌دهد.

فیلم آموزش الکترونیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

برای غلبه بر این مشکل، یک خازن به نام «خازن بای‌پس امیتر» یا $$C_E$$ موازی 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 $$f_c$$ شکسته شود.

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 $$X_C$$ برای 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 (1/10) مقدار مقاومت امیتر در پایین‌ترین فرکانس قطع باشد. بنابراین، فرض می‌کنیم کوچکترین فرکانس سیگنال که باید تقویت شود، 100 هرتز باشد. مقدار خازن بای‌پس $$C_E$$‌ به صورت زیر بدست می‌آید:

در نتیجه، برای مثالی که بیان شد،‌ مقدار خازن بای‌پس که به صورت موازی به مقاومت امیتر وصل می‌شود برابر 160 میکروفاراد است.

مقاومت امیتر دو قسمتی

با اینکه خازن بای‌پس از طریق مقابله با اثرات نامعین بودن بتا ($$\beta$$) 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.

مقاومت شاخه امیتر به دو قسمت تقسیم شده است؛ $$R_{E1}$$ و $$R_{E2}$$ یک 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 $$R_{E1}+R_{E2}$$ خواهد بود، در حالی که در فرکانس‌های AC برابر با $$R_{E1}$$‌ است.

اما مقدار مقاومت $$R_{E2}$$ را 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 $$R_L/R_E$$ محاسبه می‌شود که برای مدار امیتر مشترک مثال بالا، 10 ($$1k\Omega/100\Omega$$) خواهد بود. برای مداری با مقاومت امیتر دو قسمتی، بهره DC برابر با $$R_L/(R_{E1}+R_{E2})$$ است.

بنابراین، اگر بهره DC‌ را برابر با یک (1) فرض کنیم، مقدار مقاومت $$R_{E2}$$ به 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 ($$\beta$$) 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 $$\beta$$‌ روی جریان امیتر را می‌توان با اضافه کردن یک مقاومت امیتر $$R_E$$‌ کاهش داد.

ولتاژ‌ مقاومت امیتر معمولاً بین 1 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 ($$X_C$$) در پایین‌ترین فرکانس سیگنال محاسبه کرد. در آموزش بعدی، کلاس‌های مختلف تقویت‌کننده‌ها را معرفی خواهیم کرد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده‌ ها (Amplifiers) — به زبان ساده
• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس

^^