مضخم الباعث المشترك هو دائرة BJT بسيطة تعزز الإشارات الضعيفة وتخلق إزاحة طور بمقدار 180° بين الإدخال والإخراج. يوفر كسب جهد عالي، وتشغيل مستقر، واستخداما واسعا في دوائر الصوت والمستشعرات والترددات الراديوية. تشرح هذه المقالة أجزائها، التحيز، الكسب، سلوك التردد، التشويه، وكيف يؤثر كل قسم على الأداء.
نظرة عامة على مضخم الباعث المشترك
يؤدي تغيير بسيط في التيار الأساسي إلى تغيير أكبر بكثير في تيار المجمع، مما يسمح للمرحلة بتضخيم الإشارات الضعيفة بفعالية. نظرا لأن الخرج عند المجمع ينخفض عند زيادة المدخل، ينتج التكوين إزاحة طور بمقدار 180°، وهي خاصية تستخدم في المضخمات متعددة المراحل وشبكات التغذية الراجعة.
مكونات مضخم الباعث المشترك
• المحطة الأساسية (منفذ الإدخال)
يستقبل إشارة الإدخال ويتحكم في مقدار التوصيل الذي يوصله.
• محطة المجمع (منفذ الإخراج)
ينتج إشارة الخرج مع تغير الجهد عبر مقاومة المجمع.
• محطة الباعثة (العقدة المشتركة)
يعمل كمسار إرجاع مشترك لكل من الإدخال والمخرج.
• مقاومة المجمع (RC)
يساعد في ضبط كسب الجهد عن طريق تحويل تغيرات تيار المجمع إلى تغيرات في الجهد.
• مقاومة الباعثة (RE)
يحافظ على استقرار نقطة التشغيل بإضافة تغذية راجعة سلبية طبيعية.
• مكثفات الاقتران (سين، Cout)
دع إشارات التيار المتردد تتحرك عبر الدائرة أثناء حجب التيار المستمر، حتى لا تتحرك نقطة الانحياز.
• مزود الطاقة (VCC)
يوفر الطاقة اللازمة لعمل الترانزستور.
مناطق تشغيل BJT في مضخم الباعث المشترك
| المنطقة | حالة الإدخال | سلوك الترانزستور | التأثير على مخرج مضخم CE | هل هو جيد للتضخيم؟ |
|---|---|---|---|---|
| القطع السريع | تقاطع القاعدة والباعث ليس منحازا للأمام | تيار جامع قليل أو معدوم | يتحرك الناتج نحو VCC | لا |
| المنطقة النشطة | جهد القاعدة والباعث حوالي 0.6-0.7 فولت للسيليكون؛ مجمع القواعد بعكس الانحياز | تيار المجمع يتبع β × التيار الأساسي | النتيجة تتغير خطيا | نعم |
| التشبع | كلا التقاطعين يصبحان منحازين للأمام | يتوقف تيار المجمع عن الزيادة خطيا | الخرج المرتبط بالقرب من الأرض | لا |
تؤدي العملية الخطية في المنطقة النشطة مباشرة إلى سلوك الطور المميز للمضخم.
عكس الطور في مضخم الباعث المشترك
ينتج مضخم CE مخرجا معكوسا لأن:
• زيادة التيار الأساسي تزيد من تيار المجمع.
• ارتفاع تيار المجمع يسبب انخفاض جهد أكبر عبر RC.
• هذا يقلل جهد المجمع.
• ينخفض جهد الخرج بينما يزداد المدخل.
الكسب في مضخم الباعث المشترك
يوفر مضخم الباعث المشترك كسب التيار، وكسب الجهد، وكسب الطاقة. تأتي هذه المكاسب من سلوك الترانزستور وكيف تشكل مكوناته الإشارة.
الكسب الحالي (الذكاء الاصطناعي)
يعتمد كسب التيار على قيمة β للترانزستور:
الذكاء الاصطناعي≈β
كسب الجهد (Av)
يمكن تقدير كسب الجهد باستخدام:
الذكاء الاصطناعي≈− β (RC/rπ)
• زيادة RC أكبر من كسب الجهد.
• زيادة rπ أصغر (التي تحدث عندما يكون تيار المجمع أعلى) تزيد أيضا من كسب الجهد.
كسب الطاقة (AP)
يرتفع كسب الطاقة لأن التيار والجهد يتضخمان:
AP=الذكاء الاصطناعي⋅AV
الوصول المستمر إلى هذه المستويات يتطلب نقطة انحياز مستقرة لا تنحرف.
تأسيس تحيز مستمر مستقر في مضخم الباعث المشترك
يحتاج مضخم الباعث المشترك إلى انحياز مستمر ثابت، لذا يبقى الترانزستور في المنطقة النشطة طوال إشارة التيار المتردد. يستخدم انحياز مقسم الجهد لأنه يوفر جهدا قاعديا مستقرا حتى عند تغيرات β أو عند حدوث تحولات في درجة الحرارة. المقاومة الباعثة تضيف استقرارا أكبر من خلال خلق تغذية راجعة سلبية طبيعية. مع نقطة Q الصحيحة، يمكن لإشارة الخرج أن تتأرجح بشكل متساو، وتتجنب التشوه، وتحافظ على كسب قوي وموثوق.
بمجرد أن يصبح الانحياز آمنا، تصبح سلوكيات الإشارة الصغيرة والممانعة للمضخم متوقعة وأسهل في التحليل.
سلوك الإشارة الصغيرة والممانعة في مضخم الباعث المشترك
يتميز مضخم الباعث المشترك بخصائص إشارة صغيرة متوقعة تساعد في تحديد كيفية تعامله مع إشارات الإدخال وتفاعله مع المراحل المتصلة.
معلمات نموذج الإشارة الصغيرة
• rπ (مقاومة ديناميكية لقاعدة الباعث):
يؤثر على مدى سهولة تحكم إشارة الإدخال في الترانزستور.
• GM (التوصيل):
gm=IC/VT
تيار المجمع الأعلى ينتج GM أعلى، مما يزيد من الكسب.
• مقاومة الإخراج (RO):
يؤثر على إشارة الخرج عند الترددات العالية.
العوائق
• مقاومة الإدخال (ZIN)
يقع في نطاق متوسط ويعتمد على rπ وشبكة الانحياز.
زيادة ZIN تقلل من التحميل على مصدر الإدخال.
• مقاومة الإخراج (ZOUT)
مرتفع ومصمم بشكل رئيسي بواسطة RC وro.
وهذا يجعل مرحلة CE أكثر ملاءمة لتضخيم الجهد بدلا من توفير طاقة عالية.
تعمل هذه الخصائص مع المكثفات ومكونات الحمل التي تشكل تدفق التيار المتردد والاستقرار.
المكثفات وأجزاء التحميل في مضخم الباعث المشترك
يعتمد مضخم الباعث المشترك على عدة مكونات توجه إشارات التيار المتردد، وتحافظ على استقرار الانحياز، وتشكل الكسب الكلي.
مكثفات الاقتران
• CIN: يسمح لإشارة التيار المتردد الإدخال بالمرور مع منع الدوائر الخارجية من تغيير الانحياز.
• COUT: يمنع التيار المستمر من الوصول إلى المرحلة التالية أو الأجهزة المتصلة.
مكونات تثبيت الباعث
• RE: يساعد في الحفاظ على ثبات انحياز التيار المستمر ويحسن الاستقرار الحراري.
• CE (مكثف التجاوز (CE): يوفر مسارا منخفض المقاومة لإشارات التيار المتردد. يستعيد كسب التيار المتردد الكامل مع الحفاظ على استقرار انحياز التيار المستمر
مكونات التحميل
• RC: يضبط كسب الجهد الرئيسي للمضخم.
• RL: يؤثر على كسب الجهد الكلي ويؤثر على استجابة التردد.
تؤثر هذه العناصر التفاعلية بشكل طبيعي على كيفية تصرف المضخم عبر الترددات المختلفة.
استجابة التردد وعرض النطاق الترددي لمضخمات CE
| القسم | شرح |
|---|---|
| التردد المنخفض | تحدد مكثفات الاقتران والتجاوز استجابة الجهير. القيم الصغيرة تقلل من كسب التردد المنخفض. |
| النطاق المتوسط | يبقى الكسب مستقرا ومتوقعا؛ تهيمن عليه نسب المقاومات ومعاملات الترانزستور. |
| التردد العالي | ينخفض الكسب بسبب سعات الترانزستور، وتأثير ميلر، وطفيليات الأسلاك. |
التغيرات عبر نطاق التردد يمكن أن تسبب سلوكيات غير مثالية مثل التشوه.
التشوه في مضخمات CE وطرق تقليله
مصادر التشويه
• يحدث تشوه القطع عندما لا يحصل الترانزستور على انحياز كاف، مما يؤدي إلى اختفاء جزء من الإشارة.
• يحدث تشوه التشبع عندما تصل إشارة الإخراج إلى الحد الأدنى للإمداد ولا تستطيع التأرجح أكثر.
• الانحراف الحراري يغير نقطة Q مع تغير درجة الحرارة، مما يؤثر على شكل الإشارة.
• تظهر اللاخطية عندما تصبح إشارة الإدخال كبيرة جدا بحيث لا يستطيع الترانزستور التعامل معها بسلاسة.
الحلول
اضبط نقطة Q بالقرب من منتصف جهد التزويد للسماح بتأرجح الإشارة بشكل صحيح.
• استخدم مقاومة باعث للحفاظ على نقطة التشغيل أكثر استقرارا.
• تقليل سعة الإدخال لمنع الترانزستور من مغادرة منطقته الخطية.
• تطبيق شبكة تغذية راجعة لتحسين الخطية العامة.
• اختيار أنواع ترانزستورات مستقرة منخفضة الضوضاء للحفاظ على التشغيل مستقر ونظيف.
تطبيقات مضخمات CE
مضخمات الصوت المسبقة
يساعد على زيادة الإشارات الصوتية الصغيرة حتى يمكن معالجتها بوضوح.
تكييف إشارة المستشعر
يقوي المخرجات الضعيفة من أجهزة مثل الفوتوديودات والخلايا الشمسية والحراريات وحساسات هول.
مضخمات التردد الوسيط (IF)
يوفر كسبا ثابتا ومتوسطا للدوائر الراديوية التي تعمل عند مراحل التردد الثابت.
دوائر الواجهة الأمامية التناظرية (AFE)
يحسن الإشارات منخفضة المستوى قبل دخولها محول تماثلي إلى رقمي.
معدات الاختبار والقياس
يدعم تعزيز الإشارة في أدوات مثل راسم الإشارات ومولدات الوظائف ودوائر القياس الأساسية.
مقارنة مضخمات CE مع تكوينات BJT الأخرى
| ميزة | الباعث المشترك | جامع مشترك | القاعدة المشتركة |
|---|---|---|---|
| كسب الجهد | هاي | حوالي 1 | هاي |
| الأرباح الحالية | هاي | هاي | منخفض |
| مقاومة الإدخال | متوسط | هاي | منخفض |
| مقاومة الإخراج | هاي | منخفض | هاي |
| تحول الطور | 180° | 0° | 0° |
| أفضل استخدام | التضخيم العام | التخزين المؤقت | المراحل عالية التردد |
| سهولة الربط | سهل | سهل جدا | أصعب |
الخاتمة
يعمل مضخم الباعث المشترك عن طريق إبقاء الترانزستور في المنطقة النشطة، واستخدام الانحياز المناسب، واختيار المقاومات والمكثفات المناسبة. تشكل هذه العناصر الكسب، والاستجابة الترددية، وجودة الإشارة. فهم كيفية تصرف كل جزء يجعل من السهل التحكم في التشويه، وإدارة تدفق الإشارة، وتحقيق تضخيم مستقر ونظيف في العديد من الدوائر التناظرية
الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]
كيف تغير درجة الحرارة كسب مضخم CE؟
درجة الحرارة الأعلى تزيد تيار المجمع والGM، مما يرفع الكسب لكنه يجعل نقطة الانحياز أقل استقرارا.
ماذا يحدث إذا كان مكثف التجاوز كبيرا جدا؟
يزداد الكسب في الترددات المنخفضة، لكن الدائرة تصبح أبطأ في الاستقرار وقد تتفاعل بشكل سيء مع التغيرات المفاجئة في الإشارة.
لماذا لا يستطيع مضخم CE تشغيل أحمال ثقيلة؟
تسبب مقاومة الخرج العالية ضعف الخرج والتشويه والتسخين عند تشغيل أحمال منخفضة المقاومة.
كيف تقلل الضوضاء في مضخم صوت CE؟
أضف مكثفات تجاوز الإمداد، استخدم أسلاك إدخال قصيرة، أضف مقاوم قاعدة صغير، واتبع تأريض نظيف.
ما الذي يتحكم في أقصى تحول جهد خارج؟
جهد التزويد، موضع نقطة Q، قيمة RC، ومدى اقتراب الترانزستور من التشبع أو القطع.
هل يمكن استخدام مضخم CE عند الترددات العالية؟
نعم، لكن الكسب ينخفض بسبب تأثير ميلر والسعة الداخلية. الترانزستورات عالية التردد تحسن الأداء.