Ortak Emiterli Yükselteç / Common Emitter Amplifier

NPN transistörler için en yaygın amplifikatör konfigürasyonu, ortak emiterli/yayıcı amplifikatör devresidir

Yükselteç Devrelerine girişte, genellikle çıkış karakteristik eğrileri olarak bilinen bir eğri ailesinin, transistörlerin temel akımının (Ib) farklı değerleri için transistör kolektör akımını (Ic), kolektör voltajına (Vce) bağlı olduğunu gördük.

Her türlü transistörlü yükselteç, pozitif bir değer ile negatif bir değer arasında değişen AC sinyal girişleri kullanarak çalışır, bu nedenle yükselteç devresini bu iki maksimum veya tepe değeri arasında çalışacak şekilde “önceden ayarlamanın” bir yolu gereklidir. Bu, polarizasyon(biasing) olarak bilinen bir işlem kullanılarak elde edilir. Yükselteç tasarımında polarizasyon(biasing) çok önemlidir, çünkü sinyalleri almaya hazır transistör yükseltecin doğru çalışma noktasını belirler, böylece çıkış sinyalindeki bozulmayı azaltır.

Ayrıca, transistörün tüm olası çalışma noktalarını tamamen “açık” dan tamamen “kapalı” ya kadar göstermek için bu çıkış özellikleri eğrilerine bir statik veya DC yük hattının çizilebileceğini ve amplifikatörün sessiz çalışma noktasının veya Q noktasının bulunabileceğini gördük.

Herhangi bir küçük sinyal yükseltecinin amacı, tüm giriş sinyalini çıkış sinyaline mümkün olan minimum bozulma miktarı ile yükseltmektir, başka bir deyişle, çıkış sinyali giriş sinyalinin tam bir reprodüksiyonu olmalıdır, ancak sadece daha büyük (güçlendirilmiş) olmalıdır.

Ortak Emiterli Yükselteç Devresi

Ortak Emiter

Yukarıda gösterilen tek kademeli ortak yayıcı amplifikatör devresi, genellikle “voltaj bölücü polarizasyon(biasing)”olarak adlandırılan şeyi kullanır. Bu tür bir polarizasyon(biasing) düzenlemesi, transistöre gerekli temel polarizasyon(biasing) voltajını sağlayan merkez noktaları ile besleme boyunca potansiyel bir bölücü ağ olarak iki direnç kullanır. Gerilim bölücü biasing, bipolar transistör amplifikatör devrelerinin tasarımında yaygın olarak kullanılır.

Ortak Emiter

Transistörün bu polarizasyon(biasing) yöntemi, en iyi stabiliteye izin veren sabit voltaj seviyesinde Baz ön polarlamasını tutarak değişen Beta’nın (β) etkilerini büyük ölçüde azaltır. Hareketsiz Baz gerilimi (Vb), her iki dirençten geçen akımla gösterildiği gibi, iki direnç, R1, R2 ve güç kaynağı gerilimi Vcc tarafından oluşturulan potansiyel bölücü ağ tarafından belirlenir.

O zaman toplam direnç RT, akımı i = Vcc/RT olarak veren R1 + R2’ye eşit olacaktır. R1 ve R2 dirençlerinin birleşiminde üretilen voltaj seviyesi, Temel voltajı (Vb) besleme voltajının altındaki bir değerde sabit tutar.

Daha sonra ortak emiter yükselteç devresinde kullanılan potansiyel bölücü ağ, besleme gerilimini dirence orantılı olarak böler. Bu polarlama referans voltajı, aşağıdaki basit voltaj bölücü formülü kullanılarak kolayca hesaplanabilir.

Polarlanma(Biasing) Voltajı

Ortak Emiter

Aynı besleme gerilimi (Vcc), transistör tamamen “AÇIK” (doygunluk) konumuna getirdiğinde maksimum kollektör akımını, Ic’yi de belirler, Vce = 0.

Beta β Değeri

Beta bazen ortak emitör konfigürasyonunda transistörlerin ileri akım kazancı olan hFE olarak adlandırılır. Beta iki akımın, Ic ve Ib’nin sabit bir oranı olduğu için birimi yoktur, bu nedenle baz akımındaki küçük bir değişiklik, kollektör akımında büyük bir değişikliğe neden olur.

Beta hakkında son bir hatırlatma. Aynı tip ve parça numarasına sahip transistörlerin Beta değerlerinde büyük farklılıklar vardır. Örneğin, BC107 NPN Bipolar transistör, 110 ile 450 arasında bir Beta değerine sahiptir. Yani bir BC107’nin Beta değeri 110 iken, diğerinin Beta değeri 450 olabilir, ancak ikisi de BC107 NPN transistörleridir. Bunun nedeni, Beta’nın çalışmasının değil, transistör yapısının bir özelliği olmasıdır.

Baz/Emitör bağlantısı ileri yönlü olduğundan, verici voltajı, ve baz voltajından düşüş olacaktır. Emitör direnci üzerindeki voltaj biliniyorsa, verici akımı Ohm Yasası kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Kollektör akımı, Ic, emitör akımı ile hemen hemen aynı değerde olduğu için yaklaşık olarak hesaplanabilir.

Ortak Emiter

Ortak Vericili Yükselteç Örneği

Ortak bir emitör yükseltici devresinin yük direnci, 1.2kΩ RL ve 12V besleme voltajı vardır. Transistör tamamen “AÇIK” (doygunluk) konumuna getirildiğinde, yük direncinden geçen maksimum Kolektör akımını (Ic) hesaplayın, Vce = 0 kabul edin.  Ayrıca, 1V’luk bir voltaj düşüşü yaşandığında verici direncinin RE değerini bulun. Tüm devre dirençlerinin değerlerini hesaplayın.

Ortak Emiter

Bu daha sonra karakteristik eğrilerinin kolektör akımı dikey ekseninde “A” noktasını oluşturur ve Vce = 0 olduğunda meydana gelir. Transistör tamamen “KAPALI” olduğunda, hiçbir akım akmadığı için RE veya RL direncinde voltaj düşüşü olmaz. Daha 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, Baz’a uygulanan sıfır giriş sinyali ile bağlantılıdır, bu nedenle Toplayıcı, sıfır volt ile besleme voltajı (Vcc/2) arasındaki yük hattı boyunca yaklaşık yarı seviyede sabitlenir. Bu nedenle, amplifikatörün Q noktasındaki Kolektör akımı şu şekilde hesaplanacaktır:

Ortak Emiter

Bu statik DC yük çizgisi, eğimi -1/(RL + RE) olarak verilen ve dikey Ic eksenini Vcc/(RL + RE’ye eşit bir noktada kestiği) bir düz çizgi denklemi üretir. DC yük hattındaki Q noktasının gerçek konumu, Ib’nin ortalama değeri ile belirlenir.

Kollektör akımı olarak, transistörün Ic’si de transistörün DC kazancına (Beta) eşittir, eğer transistör için 100’lük bir Beta (β) değeri varsayarsak, Baz akımı (β*Ib) çarpımına eşittir. Transistöre akan temel akım Ib şu şekilde hesaplanacaktır:

Ortak Emiter

Voltaj bölücü devreden akan akımın, gerçek Baz akımına (Ib) kıyasla büyük olması gerekir, böylece gerilim bölücü şebeke, Baz akım akışı tarafından yüklenmez.

Genel bir kural, R2 direncinden akan akım, Ib’nin en az 10 katı bir değerdir. Transistör Baz/Emitör voltajı, Vbe 0.7V’de (silikon transistör) sabitlenir, bu durumda R2 değeri şu şekilde hesaplanır:

Ortak Emiter

R2 direncinden akan akım, baz akımın değerinin 10 katı ise, bölücü ağdaki R1 direncinden akan akım, baz akımının değerinin 11 katı olmalıdır. Yani: IR2 + Ib.

Böylece R1 direnci üzerindeki voltaj Vcc – 1.7v’ye (silikon transistör için VRE + 0.7) eşittir ve bu da 10.3V’a eşittir, bu nedenle R1 şu şekilde hesaplanabilir:

Ortak Emiter

Verici direncinin değeri RE, Ohm Yasası kullanılarak kolayca hesaplanabilir. RE üzerinden akan akım, Baz akımı, Ib ve Kollektör akımı Ic’nin bir kombinasyonudur ve şu şekilde hesaplanır:

Ortak Emiter

Direnç, RE transistörlerin emiter terminali ile toprak arasına bağlanır ve daha önce bunun üzerinde 1 voltluk bir voltaj düşüşü olduğunu söylemiştik. Böylece verici direncinin değeri, RE şu şekilde hesaplanır:

Ortak Emiter

Dolayısıyla, yukarıdaki örneğimiz için, %5’lik bir tolerans vermek üzere seçilen dirençlerin tercih edilen değerleri şunlardır:

Ortak Emiter

Ardından, yukarıdaki orijinal Ortak Yayıcı Yükselteç devremiz, yukarıda hesapladığımız bileşenlerin değerlerini içerecek şekilde yeniden yazılabilir.

Ortak Emiter

Yükselteç Kaplin Kondansatörleri

Ortak Yayıcı Yükseltici devrelerinde, C1 ve C2 kapasitörleri, AC sinyallerini DC biasing voltajından ayırmak için Kuplaj Kapasitörleri olarak kullanılır. Bu, kapasitörler yalnızca AC sinyallerini geçirecek ve herhangi bir DC bileşenini bloke edeceğinden, devrenin doğru çalışması için ayarlanan biasing koşulunun herhangi bir ek amplifikatör aşamasından etkilenmemesini sağlar. Çıkış AC sinyali daha sonra aşağıdaki aşamaların polarlanması üzerine bindirilir. Ayrıca bir baypas kondansatörü, CE, verici bacak devresine bağlıdır.

Bu kapasitör, DC polarlama koşulları için etkin bir açık devre bileşenidir.

Bununla birlikte, bu paralel bağlı baypas kondansatörü, reaktansı nedeniyle yüksek frekanslı sinyallerde verici direncine etkin bir şekilde kısa devre olur. Bu nedenle, yalnızca RL artı çok küçük bir iç direnç, transistördeki artan voltaj kazancını maksimuma çıkararak hareket eder. Genel olarak, baypas kondansatörünün değeri CE, en düşük çalışma sinyali frekansında RE değerinin en fazla 1/10’u kadar bir reaktans sağlayacak şekilde seçilir.

Karakteristik Eğriler

Şimdi, basit ortak emitör yükseltici devremiz için Toplayıcı akımı, Ic’yi Toplayıcı/Verici voltajına karşı, Vce’yi farklı Baz akımı, Ib değerleriyle 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 için eğriler üzerine bir statik veya DC yük çizgisi çizilir.

Transistör “KAPALI” konumuna getirildiğinde, Vce, Vcc besleme gerilimine eşittir ve bu, hattaki “B” noktasıdır. Aynı şekilde, transistör tamamen “AÇIK” ve doygun olduğunda, Kollektör akımı yük direnci RL tarafından belirlenir ve bu hat üzerindeki “A” noktasıdır.

Daha önce transistörün DC kazancından, transistörün ortalama konumu için gereken Baz akımının 45.8μA olduğunu hesaplamıştık ve bu, yükseltecin sessiz noktasını veya Q noktasını temsil eden yük hattında Q noktası olarak işaretlemiş olduk. Hayatı kendimiz için oldukça kolay hale getirebilir ve bu değeri çalışma noktasına herhangi bir etkisi olmadan tam olarak 50μA’ya tamamlayabiliriz.

Ortak Emiter

Yük hattındaki Q Noktası bize Ib = 45.8μA veya 46μA’lık Temel akım Q-noktasını verir. Çıkış sinyalinde herhangi bir bozulma olmadan, Kollektör akımında, Ic’de orantılı bir değişiklikle sonuçlanacak baz akımın maksimum ve minimum tepe salınımlarını bulmamız gerekir.

Yük hattı, DC karakteristik eğrileri üzerindeki farklı Baz akım değerlerini keserken, yük hattı boyunca eşit aralıklı olan Baz akımın tepe salınımlarını bulabiliriz. Bu değerler hat üzerinde “N” ve “M” noktaları olarak işaretlenir ve sırasıyla 20μA ve 80μA minimum ve maksimum Baz akımı verir.

Bu noktalar, “N” ve “M”, Q’dan eşit aralıklı oldukları sürece seçtiğimiz yük hattı boyunca herhangi bir yerde olabilir. Bu bize, 60μA tepeden tepeye baz terminaline teorik bir maksimum giriş sinyali verir. Bu değerden daha büyük bir baz akımı veren herhangi bir giriş sinyali, transistörü “N” noktasının ötesine ve “kesme” bölgesine veya “M” noktasının ötesine ve Doygunluk bölgesinden çıkartır, böylece çıkış sinyalinin bozulmasına neden olur.

Örnek olarak “N” ve “M” noktaları kullanılarak, Kollektör akımının anlık değerleri ve Kollektör-yayıcı voltajının karşılık gelen değerleri yük hattından yansıtılabiliriz. Kollektör-yayıcı voltajının kollektör akımı ile antifazda (–180o) olduğu görülebilir.

Baz akımı Ib pozitif yönde 50μA’dan 80μA’ya değiştiğinde, aynı zamanda çıkış voltajı olan Kollektör-yayıcı voltajı 5,8 volt sabit durum değerinden 2,0 volta düşer.

O zaman tek aşamalı Ortak Yayıcı Amplifikatör aynı zamanda bir “Ters Çeviren yükselteç”tir, çünkü Baz voltajdaki bir artış Vout’ta bir azalmaya neden olur ve Baz voltajdaki bir azalma Vout’ta bir artışa neden olur. Başka bir deyişle, çıkış sinyali, giriş sinyaliyle 180o faz dışıdır.

Ortak Verici Voltaj Kazancı

Ortak emitör yükselticisinin Voltaj Kazancı, giriş voltajındaki değişikliğin yükseltecin çıkış voltajındaki değişikliğe oranına eşittir. O zaman ΔVL = Vout’tur ve ΔVB = Vin’dir. Ancak voltaj kazancı aynı zamanda Kollektördeki sinyal direncinin Vericideki sinyal direncine oranına eşittir ve şu şekilde hesaplanır:

Ortak Emiter

Daha önce bahsetmiştik ki, sinyal frekansı bypass kapasitörünü arttırdıkça, CE, reaktansı nedeniyle Verici direncini kısa devre yapmaya başlar. Daha sonra yüksek frekanslarda RE = 0, kazancı sonsuz hale getirir.

Bununla birlikte, bipolar transistörler, Re olarak adlandırılan Verici bölgelerine yerleştirilmiş küçük bir iç dirence sahiptir. Transistörlerin yarı iletken malzemesi, içinden geçen akıma karşı bir iç direnç sunar ve genellikle ana transistör sembolünün içinde gösterilen küçük bir direnç sembolü ile temsil edilir.

Transistör veri sayfaları bize, küçük bir sinyal bipolar transistörleri için bu dahili direncin 25mV ÷ Ie (25mV, Verici bağlantı katmanı boyunca dahili volt düşüşüdür) ürünü olduğunu söyler, o zaman ortak Verici yükselteç devremiz için bu direnç değerinin üzerindeki değer eşit olacaktır. için:

Ortak Emiter

Bu dahili Verici bacak direnci, harici Verici direnci RE ile seri olacak, daha sonra transistörlerin gerçek kazancının denklemi bu dahili direnci içerecek şekilde değiştirilecek ve şöyle olacaktır:

Ortak Emiter

Düşük frekanslı sinyallerde Verici bacağındaki toplam direnç RE + Re’ye eşittir. Yüksek frekansta, baypas kondansatörü Verici rezistörünü kısa devre yaparak Verici bacağında yalnızca dahili direnç Re’yi bırakarak yüksek kazanç sağlar. Daha sonra yukarıdaki ortak emitör yükselteç devremiz için devrenin hem düşük hem de yüksek sinyal frekanslarındaki kazancı şu şekilde verilir:

Düşük Frekanslarda Kazanç

Ortak Emiter

Yüksek Frekanslarda Kazanç

Ortak Emiter

Son bir nokta, voltaj kazancı sadece Kollektör direnci, RL ve Verici direnci değerlerine bağlıdır, (RE + Re) transistörün akım kazancı Beta, β (hFE) tarafından etkilenmez.

Yani, yukarıdaki basit örneğimiz için şimdi ortak emitör yükseltici devremiz için hesapladığımız tüm değerleri özetleyebiliriz ve bunlar:

MinimumMeydanMaksimum
Baz Akımı20μA50μA80μA
Toplayıcı Akımı2.0mA4.8mA7.7mA
Çıkış Voltajı2.0V5.8V9.3V
Yükselteç Kazancı-5.32-218

Özet

Ortak bir yayıcı yükselticide kullanılan transistörün Tabanı, potansiyel bir bölücü ağ olarak iki direnç kullanılarak polarlanmıştır. Bu tip polarlama düzenlemesi, bipolar transistör yükselteç devrelerinin tasarımında yaygın olarak kullanılır ve Baz polarlanmasını sabit bir voltajda tutarak değişen Beta’nın (β) etkilerini büyük ölçüde azaltır. Bu tür bir polarlama, en büyük kararlılığı üretir.

Verici bacağına bir direnç dahil edilebilir, bu durumda voltaj kazancı -RL/RE olur. Harici Verici direnci yoksa, Verici bacağında çok küçük bir iç direnç olan Re olduğu için yükseltecin voltaj kazancı sonsuz değildir. Bu iç direncin değeri 25mV/IE’ye eşittir.

Transistör yükselteçleriyle ilgili bir sonraki derste, yaygın olarak JFET Yükseltici olarak adlandırılan Kavşak Alanı Etkisi Yükselticisine bakacağız. Transistör gibi, JFET de tek kademeli bir yükselteç devresinde kullanılır ve bu da anlaşılmasını kolaylaştırır. Kullanabileceğimiz birkaç farklı türde alan etkili transistör vardır, ancak anlaşılması en kolay olanı bağlantı alan etkili transistör veya çok yüksek giriş empedansına sahip olan ve onu amplifikatör devreleri için ideal kılan JFET’tir.