Yükseltecin Giriş Empedansı / Input Impedance of an Amplifier

Bir yükseltecin Giriş Empedansı, giriş terminallerine bakarak akım ve voltaj açısından giriş özelliklerini tanımlar.

Giriş Empedansı, ZIN veya Giriş Direnci olarak adlandırılan, bir transistör yükseltecinin tasarımında önemli bir parametredir ve bu nedenle, yükseltecin etkin giriş ve çıkış empedanslarının yanı sıra güç ve akım derecelerine göre karakterize edilmesini sağlar.

Bir yükseltecin empedans değeri, özellikle sinyal bozulmasını en aza indirmek için ayrı aşamalarını birbiri ardına basamaklandırırken analiz için özellikle önemlidir.

Bir yükseltecin giriş empedansı, yükseltecin girişini çalıştıran kaynak tarafından “görülen” giriş empedansıdır. Çok düşükse, önceki aşama üzerinde olumsuz bir yükleme etkisi olabilir ve muhtemelen o aşamanın frekans yanıtını ve çıkış sinyali seviyesini etkileyebilir. Ancak çoğu uygulamada, ortak yayıcı ve ortak toplayıcı yükseltici devreleri genellikle yüksek giriş empedanslarına sahiptir.

Ortak toplayıcı yükselteç devresi gibi bazı yükselteç tasarımları, tasarımlarının doğası gereği otomatik olarak yüksek giriş empedansına ve düşük çıkış empedansına sahiptir. Yükselteçler yüksek giriş empedansına, düşük çıkış empedansına ve hemen hemen her keyfi kazanca sahip olabilir, ancak bir yükseltecin giriş empedansı istenenden daha düşükse, önceki aşamanın çıkış empedansı telafi etmek için ayarlanabilir veya bu mümkün değilse tampon aşamaları gerekli olabilir.

Voltaj amplifikasyonuna (Av) ek olarak, bir yükselteç devresinde ayrıca akım amplifikasyonu (Ai) olmalıdır. Güç amplifikasyonu ( Ap ) bir amplifikatör devresinden de beklenebilir. Ancak, bu üç önemli özelliğe sahip olmanın yanı sıra, bir amplifikatör devresi ayrıca yüksek giriş empedansı (ZIN), düşük çıkış empedansı (ZOUT) ve bir dereceye kadar bant genişliği (Bw) gibi başka özelliklere de sahip olmalıdır. Her iki durumda da “mükemmel” amplifikatör sonsuz giriş empedansına ve sıfır çıkış empedansına sahip olacaktır.

Giriş ve Çıkış Empedansı

Bir yükselteç, birçok yönden, gösterildiği gibi iki giriş terminali ve iki çıkış terminali olan bir tür “kara kutu” olarak düşünülebilir. Bu fikir, DC ayar noktasını ve çalışma parametrelerini bulmak için kullanabileceğimiz transistörün basit bir h parametreli modelini sağlar. Gerçekte terminallerden biri, toprak veya sıfır voltu temsil eden giriş ve çıkış arasında ortaktır.

Dışarıdan bakıldığında, bu terminallerin bir giriş empedansı, ZIN ve bir çıkış empedansı, ZOUT vardır. Bir yükseltecin giriş ve çıkış empedansı, bu terminallere giren veya çıkan voltajın akıma oranıdır. Giriş empedansı, yükselteci besleyen kaynak kaynağına bağlı olabilirken, çıkış empedansı da çıkış terminalleri boyunca yük empedansına, RL’ye göre değişebilir.

İşlem görmüş yani yükseltilmiş giriş sinyalleri genellikle, yükselteç devresi kaynağa Z olan bir yükü temsil eden alternatif akımlardır (AC). Bir yükseltecin giriş empedansı onlarca ohm (Ohm Ω) ila birkaç bin ohm, (kilo-ohm kΩ) bipolar tabanlı transistör devreleri için milyonlarca ohm’a kadar, FET tabanlı transistör devreleri için (Mega-ohm MΩ) olabilir. .

Bir yükseltetece bir sinyal kaynağı ve yük bağlandığında, yükselteç devresinin karşılık gelen elektriksel özellikleri gösterildiği gibi modellenebilir.

Çıkış ve Giriş Empedansı Modeli

Burada, VS sinyal voltajıdır, RS, sinyal kaynağının iç direncidir ve RL, çıkışa bağlı yük direncidir. Yükseltecin kaynağa ve yüke nasıl bağlandığına bakarak bu fikri daha da genişletebiliriz.

Bir yükslteç bir sinyal kaynağına bağlandığında, kaynak yükseltecin giriş empedansını, Zin’i bir yük olarak “görür”. Benzer şekilde, giriş voltajı, Vin, yükseltecin giriş empedansı Zin boyunca gördüğü şeydir. Daha sonra yükselteç girişi gösterildiği gibi basit bir voltaj bölücü devre olarak modellenebilir.

Yükselteç Giriş Devresi Modeli

Aynı fikir, yükseltecin çıkış empedansı için de geçerlidir. Yükseltecin çıkışına bir yük direnci, RL bağlandığında, yükselteç yükü besleyen kaynak olur. Bu nedenle, çıkış voltajı ve empedansı, gösterildiği gibi yük için otomatik olarak kaynak voltajı ve kaynak empedansı olur.

Yükselteç Çıkış Devresi Modeli

Daha sonra bir yükseltecin giriş ve çıkış özelliklerinin her ikisinin de basit bir voltaj bölücü ağ olarak modellenebileceğini görebiliriz. Yükseltecin kendisi Common Emitter (Ortak Emitör), Common Collector (Emitör Toplayıcı) veya Common Base (Ortak Baz) konfigürasyonlarında bağlanabilir. Bu derste, daha önce görülen ortak bir emitör konfigürasyonunda bağlanan bipolar transistöre bakacağız.

Ortak Emiterli Yükselteç

Sözde klasik ortak emitör konfigürasyonu, transistörlerim tabanını yönlendirmek için potansiyel bir bölücü ağ kullanır. Güç kaynağı Vcc ve ön polarlama dirençleri, transistör çalışma noktasını ileri aktif modda iletecek şekilde ayarlar. Tabana sinyal akımı akışı olmadığında, kollektör akımı akmaz (transistör kesmede) ve kollektör üzerindeki voltaj, besleme voltajı Vcc ile aynıdır. Tabana bir sinyal akımı, kollektör direncinde bir akımın akmasına neden olur, Rc üzerinde bir voltaj düşüşü oluşturarak, kollektör voltajının düşmesine neden olur.

Daha sonra jollektör voltajının değişim yönü, baz üzerindeki değişim yönünün tersidir, yani polarite tersine çevrilir. Böylece, ortak emitör konfigürasyonu, çıkış boyunca yükü temsil eden direnç RL ile gösterildiği gibi, kollektör boyunca çıkış voltajını alarak büyük bir voltaj amplifikasyonu ve iyi tanımlanmış bir DC voltaj seviyesi üretir.

Tek Kademeli Ortak Yayıcı Yükselteç

Transistörün hareketsiz nokta veya Q noktası olarak adlandırılan doğrusal aktif bölgesinin ortasında çalışması için gereken dirençlerin değerlerini hesaplayabiliriz, ancak hızlı bir hatırlama yapmamız gerekebilir.

İlk olarak, transistörün çalışma noktasını tanımlamak için yukarıdaki tek kademeli ortak emitör yükselteç devresi hakkında birkaç basit varsayım yaparak başlayalım. Verici direnci boyunca voltaj düşüşü, VRE = 1.5V, hareketsiz akım, IQ = 1mA, NPN transistörünün akım kazancı (Beta) 100’dür (β = 100) ve yükselticinin köşe veya kesme noktası frekansı şu şekilde verilir: ƒ-3dB = 40Hz.

Giriş sinyali olmayan hareketsiz akım, transistörün kollektörü ve vericisinden geçtiği için şunu söyleyebiliriz: IC = IE = IQ = 1mA. Ohm Yasasını kullanarak:

Transistör tamamen AÇIK konuma getirildiğinde (doygunluk), kollektör direnci boyunca voltaj düşüşü, Rc Vcc – VRE’nin yarısı olacak ve çıkış sinyali kırpılmadan merkez nokta etrafında tepeden tepeye maksimum çıkış sinyali salınımına izin verecek .

Yükseltecin DC voltaj kazancının –RC/RE’den bulunabileceğini unutmayın. Ayrıca çıkış sinyalinin orijinal giriş sinyaline göre ters çevrilmiş olması nedeniyle voltaj kazancının değer olarak negatif olduğuna dikkat edin.

NPN transistörü ileri taraflı olduğundan, Baz-Verici bağlantısı ileri taraflı bir diyot gibi davranır, bu nedenle Baz, Verici voltajından ( Ve + 0.7V ) 0,7 volt daha pozitif olacaktır, bu nedenle Baz direnci R2 üzerindeki voltaj şöyle olacaktır:

İki polarlama direnci zaten verilmişse, R2 boyunca Baz gerilimi Vb’yi bulmak için aşağıdaki standart gerilim bölücü formülünü de kullanabiliriz.

Verilen bilgilerde durgun akımın 1mA olduğu belirtildi. Böylece transistör, 12 voltluk Vcc beslemesi boyunca 1mA’lık bir kollektör akımı ile polarlıdır. Bu kollektör akımı, Ic = β*Ib olarak baz akımı ile orantılıdır. Transistörün DC akım kazancı, Beta ( β ) 100 olarak verildi, ardından transistöre akan baz akım şöyle olacaktır:

R1 ve R2’nin gerilim bölücü ağı tarafından oluşturulan DC öngerilim devresi DC çalışma noktasını belirler. Baz voltajı daha önce 2.2 voltta hesaplanmıştı, o zaman bu voltaj değerini 12 voltluk Vcc’de üretmek için R1’in R2’ye uygun oranını oluşturmamız gerekiyor.

Genel olarak, ortak bir emitör yükseltici devresinin standart bir voltaj bölücü DC öngerilim ağı için, alt dirençten akan akım, R2, Tabana akan DC akımından on kat daha fazladır. Daha sonra direnç değeri R2 şu şekilde hesaplanabilir:

Direnç R1’e düşen voltaj, besleme voltajı eksi baz polarlama voltajı olacaktır. Ayrıca eğer R2 direnci baz akımının 10 katını taşıyorsa, seri zincirin üst direnci R1, R2 akımını artı transistörlerin gerçek baz akımı, Ib’yi geçmelidir. Yani görüldüğü gibi Baz akımın 11 katıdır.

Ortak bir emitör yükseltici için, Verici baypas kapasitörünün reaktansı Xc genellikle, kesme frekans noktasındaki Verici direncinin RE değerinin onda biridir (1/10). Amplifikatör özellikleri, 40Hz’lik bir -3dB köşe frekansı verdi, ardından CE kapasitörünün değeri şu şekilde hesaplanır:

Şimdi yukarıdaki ortak emitör yükselteç devremiz için belirlenmiş değerlere sahibiz, şimdi yükselticinin giriş ve çıkış empedansının yanı sıra C1 ve C2 kuplaj kapasitörlerinin değerlerini hesaplamaya bakabiliriz.

Temel Yayıcı Yükselteç Modeli

Herhangi bir devrenin giriş empedansı için genelleştirilmiş formül ZIN = VIN/IIN’dir. DC öngerilim devresi, transistörün DC çalışma “Q” noktasını ayarlar ve giriş kapasitörü olarak, C1 açık devre gibi davranır ve herhangi bir DC voltajını engeller, DC’de (0Hz) devrenin giriş empedansı (ZIN) son derece olacaktır. yüksek. Ancak girişe bir AC sinyali uygulandığında, kondansatörlerin yüksek frekanslarda kısa devre gibi davranıp AC sinyallerini geçirmesi nedeniyle devrenin özellikleri değişir.

Tabana bakan bir yükseltecin AC giriş empedansı için genelleştirilmiş formül ZIN = REQ||β(RE+ re) olarak verilir. REQ, Baz boyunca polarlama ağının toprağa eşdeğer direnci (0v) ve re, ileri taraflı Yayıcı katmanının dahili sinyal direncidir. Daha sonra, Vcc AC sinyallerine kısa devre olarak göründüğü için 12 voltluk güç kaynağını Vcc’ye kısa devre yaparsak, yukarıdaki ortak emitör devresini aşağıdaki gibi yeniden çizebiliriz:

Ardından, besleme voltajı kısa devre olduğunda, transistöre paralel olarak bağlanmış bir dizi direnç olduğunu görebiliriz. Sadece transistör yükselticinin giriş tarafını alarak ve C1 kapasitörünü AC sinyallerine kısa devre olarak ele alarak, yükselticinin giriş empedansını şu şekilde tanımlamak için yukarıdaki devreyi yeniden çizebiliriz:

Yükseltecin Giriş Empedansı

Önceki Ortak Yayıcı Amplifikatör eğitiminde, Verici katmanının dahili sinyal direncinin 25mV ÷ Ie ürününe eşit olduğunu ve bu 25mV değerinin dahili volt düşüşü ve IE = IQ olduğunu söylemiştik. Daha sonra amplifikatör devremiz için Emitter diyotun eşdeğer AC direnç değeri re değeri aşağıdaki gibi verilir:

Verici Bacak Sinyal Direnci

Burada re, Verici ile seri olarak küçük bir dahili direnci temsil eder. Ic/Ib = β olduğundan, transistörlerin Temel empedansının değeri β*re’ye eşit olacaktır. Amplifikatör tasarımına baypas kondansatörü CE dahil değilse, değerin: β(RE+ re) olur ve amplifikatörün giriş empedansını önemli ölçüde artırır.

Örneğimizde baypas kondansatörü CE dahildir, bu nedenle ortak Verici amplifikatörün giriş empedansı, ZIN, amplifikatörü çalıştıran AC kaynağı tarafından “görülen” giriş empedansıdır ve şu şekilde hesaplanır:

Bu 2.2kΩ, amplifikatörün giriş terminaline bakan giriş empedansıdır. Kaynak sinyalin empedans değeri biliniyorsa ve yukarıdaki basit örneğimizde 1kΩ olarak verilmişse bu değer istenirse ZIN ile eklenebilir veya toplanabilir.

Ancak bir dakikalığına devremizde CE bağlı bypass kondansatörü olmadığını varsayalım. Amplifikatörün onsuz giriş empedansı ne olurdu. Direnç artık yüksek frekanslarda kısa devre olmayacağından denklemin β(RE+ re) kısmına RE eklenmesi dışında denklem hala aynı olacaktır. Daha sonra CE’siz amplifikatör devremizin baypas edilmemiş giriş empedansı şöyle olacaktır:

Bypass Kapasitörsüz Giriş Empedansı

Daha sonra, örnek devremizde empedanssız 15.8kΩ’dan 2.2kΩ’a düştüğü için Verici bacak baypas kapasitörünün dahil edilmesinin devrenin giriş empedansında büyük bir fark yarattığını görebiliriz. Daha sonra bu baypas kondansatörünün (CE) eklenmesinin amplifikatör kazancını da arttırdığını göreceğiz.

Amplifikatörün giriş empedansını bulmak için yaptığımız hesaplamalarda, devredeki kapasitörlerin AC sinyal akımları için sıfır empedansa (Xc = 0) ve DC öngerilim akımları için sonsuz empedansa (Xc = ∞) sahip olduğunu varsaydık. Amplifikatör devresinin bypass edilmiş giriş empedansını bildiğimize göre, bu 2.2kΩ değerini, önceden 40Hz olarak verilen belirtilen kesme frekans noktasında gerekli olan giriş kuplaj kondansatörünün C1 değerini bulmak için kullanabiliriz. Bu nedenle:

Giriş Kuplaj Kapasitör Denklemi

Şimdi yukarıdaki tek kademeli ortak Emiter amplifikatör devremizin giriş empedansı için bir değere sahip olduğumuza göre, amplifikatörün çıkış empedansı için de benzer bir şekilde bir ifade elde edebiliriz.

Yükseltecin Çıkış Empedansı

Bir yükseltecin çıkış empedansı, giriş sıfır olduğunda yükün amplifikatöre “geri baktığında” gördüğü empedans (veya direnç) olarak düşünülebilir. Giriş empedansı için yaptığımızla aynı prensipte çalışarak, çıkış empedansı için genelleştirilmiş formül şu şekilde verilebilir: ZOUT = VCE/IC.

Ancak, kollektör direncinde akan sinyal akımı, Vcc boyunca seri olarak bağlandığından, RL yük direncinde de akar. Daha sonra, sadece transistör yükselticinin çıkış tarafını alarak ve C2 çıkış kuplaj kapasitörüne AC sinyallerine kısa devre olarak davranarak, yükselticinin çıkış empedansını şu şekilde tanımlamak için yukarıdaki devreyi yeniden çizebiliriz:

Ardından, amplifikatör çıkış empedansının RL’ye paralel olarak RC’ye eşit olduğunu ve bize bir çıkış direnci verdiğini görebiliriz:

Bu 833Ω değerinin, yük direncinin transistöre bağlı olmasından kaynaklandığına dikkat edin. RL atlanırsa, amplifikatörün çıkış empedansı, yalnızca RC Kollektör direncine eşit olacaktır.

Şimdi yukarıdaki amplifikatör devremizin çıkış empedansı için bir değerimiz olduğuna göre, 40Hz kesme frekans noktasında daha önce olduğu gibi C2 çıkış kuplaj kondansatörünün değerini hesaplayabiliriz.

Çıkış Kuplaj Kapasitör Denklemi

Yine kuplaj kapasitörü C2’nin değeri, yük direnci RL dahil edilerek veya dahil edilmeden hesaplanabilir.

Ortak Verici Voltaj Kazancı

Ortak bir emitör devresinin voltaj kazancı Av = ROUT/REMITTER olarak verilir; burada ROUT, Kollektör bacağında görüldüğü gibi çıkış empedansını temsil eder ve REMITTER, baypas kondansatörü bağlı olsun veya olmasın Verici bacağındaki eşdeğer dirence eşittir.

Bypass kondansatörü CE bağlı değilken, (RE+ re).

ve sadece baypas kondansatörü CE bağlıyken.

Ardından, amplifikatör tasarımına baypas kapasitörünün dahil edilmesinin, ortak emitör devremizin voltaj kazancı Av’da 0,5’ten 33’e çarpıcı bir değişiklik yaptığını görebiliriz. Ayrıca, ortak emitör kazancının sonsuza gitmediğini de gösterir. harici emitör direnci, yüksek frekanslarda baypas kapasitörü tarafından kısa devre yapar, ancak bunun yerine kazanç, ROUT/re’nin sonlu değerine gider.

Ayrıca kazanç arttıkça giriş empedansının onsuz 15.8kΩ’dan onunla birlikte 2.2kΩ’a düştüğünü gördük. Voltaj kazancındaki artış, daha düşük giriş empedansı pahasına çoğu amplifikatör devresinde bir avantaj olarak kabul edilebilir.

Özetle

Bu öğreticide, ortak bir emitör yükselteç giriş empedansının, besleme voltajını kısa devre yaparak ve voltaj bölücü öngerilim devresini paralel dirençler olarak ele alarak bulunabileceğini gördük. Bölücü ağa bakıldığında (R1||R2) “görülen” empedans, genellikle, AC giriş sinyali transistör kontrolünün Tabanındaki önyargıyı değiştirirken, doğrudan transistör Tabanına, β(RE+ re) bakan empedanstan çok daha azdır, akım transistörden geçer.

Transistörü yönlendirmenin birçok yolu vardır. Bu nedenle, her biri kendi giriş empedans denklemleri ve değerleri olan birçok pratik tek transistör amplifikatör devresi vardır. Tüm aşamanın giriş empedansına ve kaynak empedansına ihtiyacınız varsa, o zaman Rs’yi baz öngerilim dirençleriyle seri olarak da dikkate almanız gerekecektir, (Rs + R1||R2).

Ortak bir emitör aşamasının çıkış empedansı, eğer bağlanırsa, yük direncine (RC||RL) paralel olarak kollektör direncine eşittir, aksi takdirde sadece RC’dir. Amplifikatörün voltaj kazancı Av, RC/RE’ye bağlıdır.

Verici baypas kapasitörü CE, emitör direncini, RE yüksek frekanslarda kısa devre yaparak ve böylece Verici bacak devresinde yalnızca Verici direnci sinyalini bırakarak Verici için toprağa giden bir AC yolu sağlayabilir. Bunun etkisi, sinyal frekansı arttıkça amplifikatörün voltaj kazancında bir artışa (0,5’ten 33’e) neden olur. Bununla birlikte, bu aynı zamanda, amplifikatörün giriş empedans değerini, gösterildiği gibi 18.5kΩ’dan 2.2kΩ’a düşürme etkisine de sahiptir.

Bu baypas kapasitörü kaldırıldığında, amplifikatörün voltaj kazancı, Av azalır ve ZIN artar. Sabit bir kazanç ve giriş empedansı miktarını korumanın bir yolu, baypas edilmemiş ve tamamen baypas edilmiş bir amplifikatör devresi arasında bir değiş tokuş olan “bölünmüş yayıcı” amplifikatör devresi oluşturmak için CE ile seri olarak ek bir direnç eklemektir. . Bu baypas kapasitörünün eklenmesi veya çıkarılmasının amplifikatör çıkış empedansı üzerinde hiçbir etkisi olmadığını unutmayın.

Daha sonra, bir amplifikatörün giriş ve çıkış empedanslarının, çıkış akımı, Ic ve giriş akımı, Ib arasındaki ilişki açısından bir amplifikatörün transfer özelliklerini tanımlamada önemli bir rol oynayabileceğini görebiliriz. Bir amplifikatörün giriş empedansını bilmek, amplifikatör için bir dizi çıkış karakteristik eğrisini grafiksel olarak oluşturmaya yardımcı olabilir.