Ortak Emiter Amplifikatörleri
Bir NPN transistörü için en yaygın amplifikatör konfigürasyonu, Ortak Emiter Amplifikatör devresidir. Amplifikatör türlerini gördüğümüz önceki yazımızda, yaygın olarak Çıkış Karakteristik Eğrileri olarak bilinen bir eğri ailesinin, transistörlerin Kollektör Akımını (Ic), transistörlerin Beyz Akımını (Ib) farklı değerleri için Emiter Voltajı (Vce) ile ilişkilendirdiğini gördük.
Tüm transistörlü amplifikatör tipleri, pozitif bir değer ile negatif bir değer arasında değişen AC sinyal girişlerini kullanarak çalışır, bu nedenle amplifikatör devresinin bu iki maksimum veya tepe değer arasında çalışması veya "önceden ayarlanması" için bir yol gereklidir. Bu, Ağırlık Verme olarak bilinen bir işlem kullanılarak elde edilir. Öngerilim, sinyalleri almaya hazır transistör amplifikatörünün doğru çalışma noktasını oluşturduğu ve böylece çıkış sinyalindeki herhangi bir distorsiyonu azalttığı için amplifikatör tasarımında çok önemlidir.
Ayrıca, transistörün tamamen “AÇIK”tan tamamen “KAPALI”ya kadar tüm olası çalışma noktalarını göstermek için bu çıkış karakteristik eğrileri üzerine bir statik veya DC yük çizgisinin çizilebileceğini ve hareketsiz çalışma noktasının veya amplifikatörün Q noktası bulunmuş olabilir.
Herhangi bir küçük sinyal amplifikatörünün amacı, tüm giriş sinyalini, çıkış sinyaline mümkün olan minimum bozulma miktarıyla yükseltmektir, başka bir deyişle, çıkış sinyali, giriş sinyalinin tam bir kopyası olmalı, ancak yalnızca daha büyük (güçlendirilmiş) olmalıdır.
Bir amplifikatör olarak kullanıldığında düşük distorsiyon elde etmek için, çalışma sükûnet noktasının doğru seçilmesi gerekir. Bu aslında amplifikatörün DC çalışma noktasıdır ve konumu, uygun bir eğimlendirme düzenlemesi ile yük hattı boyunca herhangi bir noktada oluşturulabilir.
Bu Q noktası için mümkün olan en iyi konum, yük hattının merkez konumuna makul şekilde mümkün olduğu kadar yakındır, böylece A Sınıfı bir amplifikatör çalışması yani Vce = 1/2 Vcc. Bu da giriş voltajının yarısı kadar, örneğin Vcc 12v ise 12/2=6v. Aşağıda gösterilen Ortak Emiter Amplifikatör devresini düşünün.
Ortak Emiter Amplifikatör Devresi
Transistörü önyargılı hale getirmenin bu yöntemi, Beyz önyargısını sabit bir voltaj seviyesinde tutarak en iyi kararlılığa izin vererek, değişken Beta'nın (β) etkilerini büyük ölçüde azaltır. Hareketsiz Beyz voltajı (Vb), her iki dirençten geçen akımla gösterildiği gibi iki direnç, R1, R2 ve güç kaynağı voltajı Vcc tarafından oluşturulan potansiyel bölücü ağ tarafından belirlenir.
Daha sonra toplam direnç RTop, akımı i = Vcc / RTop olarak veren R1 + R2'ye eşit olacaktır. R1 ve R2 dirençlerinin birleşme noktasında üretilen voltaj seviyesi, beyz voltajını (VB), besleme voltajının altındaki bir değerde sabit tutar.
Daha sonra ortak emiter amplifikatör devresinde kullanılan potansiyel bölücü ağ, besleme voltajını dirençle orantılı olarak böler. Bu öngerilim referans voltajı, aşağıdaki basit voltaj bölücü formül kullanılarak kolayca hesaplanabilir:
Transistör Öngerilim Gerilimi:
Beta Değeri
Beta bazen, ortak yayıcı konfigürasyonunda transistör ileri akım kazancı olan hFE olarak adlandırılır. Beta, iki akımın, Ic ve Ib'nin sabit bir oranı olduğu için birim içermez, bu nedenle Beyz akımdaki küçük bir değişiklik Kolektör akımında büyük bir değişikliğe neden olur.
Beta hakkında son bir nokta. Aynı tip ve parça numarasına sahip transistörlerin Beta değerlerinde büyük farklılıklar olacaktır. Örneğin, BC107 NPN Bipolar transistörün DC akım kazancı Beta değeri 110 ile 450 arasındadır (veri sayfasındaki değer). Dolayısıyla, bir BC107'nin Beta değeri 110 olabilirken, diğerinin Beta değeri 450 olabilir, ancak her ikisi de BC107 npn transistördür. Bunun nedeni, Beta'nın transistör yapısının bir özelliği olması ve çalışmasının değil.
Beyz/Emiter bağlantısı ileri eğimli olduğundan, Emiter voltajı, VE Beyz voltajından farklı bir bağlantı voltaj düşüşüne neden olacaktır. Emiter direncindeki voltaj biliniyorsa, Emiter akımı yani Ohm Yasası kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Kollektör akımı Ic yaklaşık olarak Emiter akımıyla aynı değerde olduğundan tahmin edilebilir.
Ortak Emiter Amplifikatörü Örnek No1
Yaygın bir emiter amplifikatör devresinin yük direnci, RL 1.2kΩ ve Vcc 12v besleme voltajı vardır. Transistör tamamen "AÇIK" (doygunluk) konumuna getirildiğinde yük direncinden akan maksimum Kollektör akımını (Ic) hesaplayın, Vce = 0 olduğunu varsayın. Ayrıca, üzerinde 1v'lik bir voltaj düşüşü varsa Emiter direncinin (RE) değerini bulun. Standart bir NPN silikon transistör varsayarak diğer tüm devre dirençlerinin değerlerini hesaplayın.
Bu daha sonra karakteristik eğrilerinin Emiter akımı dikey ekseninde "A" noktasını oluşturur ve Vce = 0 olduğunda meydana gelir. Transistör tamamen "KAPALI" duruma getirildiğinde, içlerinden hiçbir akım geçmediği için RE veya RL dirençlerinde voltaj düşüşü yoktur. Sonra transistör boyunca voltaj düşüşü, Vce besleme voltajına, Vcc'ye eşittir. Bu, karakteristik eğrilerinin yatay ekseninde "B" noktasını oluşturur.
Genel olarak, amplifikatörün hareketsiz Q noktası Beyze uygulanan sıfır giriş sinyali ile olur, bu nedenle Kollektör sıfır volt ile besleme voltajı (Vcc/2) arasındaki yük hattı boyunca yaklaşık yarı yolda oturur. Bu nedenle, amplifikatörün Q noktasındaki kollektör akımı şu şekilde verilecektir:
Bu statik DC yük çizgisi, eğimi -1 / (RL + RE) olarak verilen ve dikey Ic eksenini Vcc / (RL + RE)'ye eşit bir noktada geçen bir düz çizgi denklemi üretir. Q noktasının DC yük çizgisi üzerindeki gerçek konumu Ib'nin ortalama değeri ile belirlenir.
Kollektör akımı olarak, transistörün Ic'si aynı zamanda transistörün (Beta) DC kazancına eşittir, çarpı Beyz akım (β * Ib), eğer transistör için bir 100 Beta (β) değeri varsayarsak, (yüz, düşük güçlü sinyal transistörleri için makul bir ortalama değerdir), transistöre akan Beyz akımı Ib şu şekilde verilecektir:
Ayrı bir Beyz öngerilim kaynağı kullanmak yerine, Beyz Eğilim Voltajını ana besleme rayından (Vcc) bir düşürme direnci R1 aracılığıyla sağlamak normaldir. Dirençler, R1 ve R2 artık en yakın tam sayıya yuvarlanmış 45.8μA veya 46μA'lık uygun bir sakin Beyz akımı vermek için seçilebilir. Potansiyel bölücü devreden akan akım, gerçek Beyz akımına (Ib) kıyasla büyük olmalıdır, böylece voltaj bölücü Beyz akım akışı tarafından yüklenmez.
Genel bir kural, direnç R2 içinden akan en az 10 kat Ib'lik bir değerdir. Transistör Beyz/Emiter voltajı, Vbe 0.7V'de (silikon transistör) sabitlenir ve bu R2'nin değerini şu şekilde verir:
Direnç R2'den akan akım, Beyz akımının değerinin 10 katı ise, bölücü ağdaki direnç R1'den akan akım, Beyz akım değerinin 11 katı olmalıdır. Yani: IR2 + Ib.
Bu nedenle, direnç R1 üzerindeki voltaj, 10.3V'a eşit olan Vcc - 1.7v'ye (silikon transistör için VRE + 0.7) eşittir, bu nedenle R1 şu şekilde hesaplanabilir:
Direnç, RE transistörlerin Emitter terminali ile toprak arasına bağlanır ve daha önce bunun karşısında 1 voltluk bir voltaj düşüşü olduğunu söylemiştik. Böylece Emiter direncinin değeri, RE şu şekilde hesaplanır:
Ardından, yukarıdaki orijinal Ortak Emiter Amplifikatör devremiz, yukarıda hesapladığımız bileşenlerin değerlerini içerecek şekilde yeniden yazılabilir.
Tamamlanan Ortak Emiter Devresi
Amplifikatör Kaplin Kapasitörleri
Ortak Emiter Amplifikatör devrelerinde, C1 ve C2 kondansatörleri, AC sinyallerini DC polarlama voltajından ayırmak için Kuplaj Kondansatörleri olarak kullanılır. Bu, devrenin doğru çalışması için ayarlanan önyargı koşulunun herhangi bir ek amplifikatör aşamasından etkilenmemesini sağlar, çünkü kapasitörler yalnızca AC sinyallerini geçecek ve herhangi bir DC bileşenini bloke edecektir. Çıkış AC sinyali daha sonra aşağıdaki aşamaların önyargısının üzerine bindirilir. Ayrıca bir baypas kondansatörü olan CE, Emiter bacak devresine dahildir.
Bu kapasitör, DC öngerilim koşulları için etkili bir açık devre bileşenidir; bu, öngerilim akımlarının ve gerilimlerinin, iyi bir Q-noktası kararlılığını koruyan kapasitörün eklenmesinden etkilenmediği anlamına gelir.
Bununla birlikte, bu paralel bağlı baypas kapasitörü, reaktansından dolayı yüksek frekans sinyallerinde Emiter direncine etkili bir şekilde kısa devre olur. Bu nedenle, yalnızca RL artı çok küçük bir dahili direnç, transistörler yüklenirken voltaj kazancını maksimuma çıkarır. Genel olarak, baypas kapasitörünün değeri CE, en düşük çalışma sinyali frekansında RE değerinin 1/10'u kadar bir reaktans sağlayacak şekilde seçilir.
Çıkış Karakteristik Eğrileri
Tamam, şimdiye kadar çok iyi gitti. Şimdi, Kollektör akımını, Kollektör/Emiter voltajına karşı Ic, basit ortak emiter amplifikatör devremiz için farklı Beyz akımı değerleri ile Vce, Ib gösteren bir dizi eğri oluşturabiliriz.
Bu eğriler "Çıkış Karakteristik Eğrileri" olarak bilinir ve transistörün dinamik aralığı üzerinde nasıl çalışacağını göstermek için kullanılır. Tüm transistörlerin olası çalışma noktalarını göstermek için 1.2kΩ'luk yük direnci RL eğrileri üzerine bir statik veya DC yük çizgisi çizilir.
Transistör "KAPALI" konumuna getirildiğinde, Vce besleme voltajı Vcc'ye eşittir ve bu hat üzerindeki "B" noktasıdır. Aynı şekilde, transistör tamamen "AÇIK" ve doygun olduğunda, Kolektör akımı yük direnci RL tarafından belirlenir ve bu, hat üzerindeki "A" noktasıdır.
Daha önce transistörün DC kazancından, transistörün ortalama konumu için gerekli Beyz akımının 45.8μA olduğunu ve bu, amplifikatörün Sessiz noktasını veya Q noktasını temsil eden yük çizgisinde Q noktası olarak işaretlendiğini hesapladık. Kendimiz için hayatı kolayca kolaylaştırabilir ve bu değeri, çalışma noktasını etkilemeden tam olarak 50μA'ya yuvarlayabiliriz.
Çıktı Karakteristik Eğrileri
Yük çizgisindeki Q noktası bize Ib = 45,8μA veya 46μA Beyz akımı Q noktasını verir. Çıkış sinyalinde herhangi bir bozulma olmadan Kolektör akımında, Ic'de orantılı bir değişikliğe neden olacak Beyz akımının maksimum ve minimum tepe dalgalanmalarını bulmamız gerekir.
Yük çizgisi, DC karakteristik eğrilerindeki farklı Beyz akım değerlerini kestikçe, yük çizgisi boyunca eşit aralıklarla yerleştirilmiş Beyz akımının tepe dalgalanmalarını bulabiliriz. Bu değerler satır üzerinde "N" ve "M" noktaları olarak işaretlenir ve sırasıyla minimum ve maksimum Beyz akımı 20μA ve 80μA olarak verir.
Bu noktalar, "N" ve "M", Q'dan eşit olarak aralıklı oldukları sürece, seçtiğimiz yük hattı boyunca herhangi bir yerde olabilir. Bu, daha sonra, Beyz terminaline tepeden tepeye 60μA değerinde teorik (30μA tepe) çıkış sinyalinde herhangi bir bozulma olmadan bir maksimum giriş sinyali verir.
Bu değerden daha büyük bir Beyz akımı veren herhangi bir giriş sinyali, transistörü "N" noktasının ötesine ve "kesme" bölgesinin ötesine veya "M" noktasının ötesine ve Doygunluk bölgesine geçmeye ve böylece çıkış sinyalinde "kırpma" şeklinde bozulmaya neden olur.
Örnek olarak "N" ve "M" noktalarını kullanarak, Kollektör akımının anlık değerleri ve buna karşılık gelen Kollektör-emitör voltajı değerleri yük hattından yansıtılabilir. Kollektör-emetör geriliminin kollektör akımı ile anti-fazda (–180o) olduğu görülebilir.
Beyz akımı Ib, 50μA'dan 80μA'ya pozitif yönde değiştiğinde, aynı zamanda çıkış voltajı olan Kollektör-Emiter voltajı 5,8 voltluk sabit durum değerinden 2,0 volta düşer.
O zaman tek aşamalı bir Ortak Emitör Amplifikatörü, Beyz voltajındaki bir artış, Vçıkış'ta bir azalmaya neden olduğu ve Beyz voltajındaki bir düşüş, Vçıkış'ta bir artışa neden olduğu için bir "Ters Çeviren Amplifikatör" dür. Başka bir deyişle, çıkış sinyali giriş sinyaliyle 180o faz dışıdır.
Ortak Verici Voltaj Kazanımı
Ortak emiter amplifikatörün Voltaj Kazancı, giriş voltajındaki değişimin amplifikatörlerin çıkış voltajındaki değişime oranına eşittir. O zaman ΔVL Vçıkış'tır ve ΔVB Vgiriş'tir. Ancak voltaj kazancı, Emiterdeki sinyal direncinin Emiterdeki sinyal direncine oranına da eşittir ve şu şekilde verilir:
Bununla birlikte, bipolar transistörler, Re adı verilen Emiter bölgelerine yerleşik küçük bir iç dirence sahiptir. Transistör yarı iletken malzemesi, içinden geçen akımın akışına bir iç direnç sunar ve genellikle ana transistör sembolünün içinde gösterilen küçük bir direnç sembolü ile temsil edilir.
Transistör veri sayfaları bize, küçük sinyal çift kutuplu transistörler için bu iç direncin 25mV÷Ie'nin ürünü olduğunu söyler (25mV Emiter bağlantı katmanındaki dahili voltaj düşüşüdür), o zaman ortak Verici amplifikatör devremiz için bu direnç değerinin üzerindeki değer şuna eşit olacaktır:
Düşük frekanslı sinyallerde Emiter bacağındaki toplam direnç RE + Re'ye eşittir. Yüksek frekansta, baypas kondansatörü Emiter direncini devre dışı bırakır ve Emiter bacağında yalnızca dahili direnç Re bırakarak yüksek kazanç sağlar. Daha sonra yukarıdaki ortak emiter amplifikatör devremiz için, devrenin hem düşük hem de yüksek sinyal frekanslarında kazancı şu şekilde verilir:
Düşük Frekanslarda Kazanç
Yüksek Frekanslarda Kazanç
Son bir nokta, voltaj kazancı sadece Kollektör direnci, RL ve Emiter direncinin değerlerine bağlıdır, (RE + Re) transistörün mevcut kazanç Beta, β (hFE)'den etkilenmez.
Dolayısıyla, yukarıdaki basit örneğimiz için, ortak emiter amplifikatör devremiz için hesapladığımız tüm değerleri şimdi özetleyebiliriz ve bunlar:
| Minimum | Ortalama | Maksimum | |
| Beyz Akımı | 20μA | 50μA | 80μA |
| Kollektör akımı | 2.0mA | 4,8 mA | 7,7 mA |
| Çıkış Voltaj Salınımı | 2.0V | 5,8V | 9.3V |
| Amplifikatör Kazancı | -5.32 | -218 |
Ortak Emiter Amplifikatör Özeti
Son olarak özetlemek gerekirse Ortak Emiter Amplifikatör devresinin Kollektör devresinde bir direnci vardır. Bu dirençten geçen akım, amplifikatörün voltaj çıkışını üretir. Bu direncin değeri, amplifikatörlerin hareketsiz çalışma noktasında, Q noktasında, bu çıkış voltajı, transistörlerin yük hattı boyunca yarı yolda olacak şekilde seçilir.
Ortak bir emiter amplifikatörde kullanılan transistörün Beyzi, potansiyel bir bölücü ağ olarak iki direnç kullanılarak önyargılıdır. Bu tür önyargı düzenlemesi, bipolar transistör amplifikatör devrelerinin tasarımında yaygın olarak kullanılır ve Beyz önyargısını sabit bir voltajda tutarak değişen Betanın (β) etkilerini büyük ölçüde azaltır. Bu tür bir önyargı, en yüksek kararlılığı sağlar.
Emitör ayağına bir direnç dahil edilebilir, bu durumda voltaj kazancı -RL / RE olur. Harici emiter direnci yoksa, çok küçük bir dahili direnç, emiter bacağında Re olduğu için amplifikatörün voltaj kazancı sonsuz değildir. Bu iç direncin değeri 25mV / IE'ye eşittir
Yorumlar
Yorum Gönder