În introducere, am văzut că o familie de curbe, cunoscute în mod obișnuit drept curbe caracteristice de ieșire, se referă la curentul de Colector al tranzistoarelor (Ic), la tensiunea de Colector (Vce) pentru diferite valori ale curentului de Bază (Ib) al tranzistoarelor.

Toate tipurile de amplificatoare cu tranzistor funcționează utilizând intrări de semnal AC care alternează între o valoare pozitivă și o valoare negativă, astfel încât este necesară o anumită metodă de "presetare" a circuitului de amplificare pentru a funcționa între aceste două valori maxime sau vârf. Acest lucru este realizat folosind un proces cunoscut sub numele de polarizare. Polarizarea este foarte importantă în schema amplificatorului deoarece ea stabilește punctul de funcționare corect al amplificatorului gata să recepționeze semnale, reducând astfel orice distorsiune la semnalul de ieșire.

Am mai văzut că o linie de sarcină statică sau DC poate fi trasă pe aceste curbe caracteristice de ieșire pentru a arăta toate punctele de operare ale tranzistorului de la "ON" complet la "OFF" complet și unde poate fi găsit punctul de operare static sau punct Q al amplificatorului.

Scopul fiecărui amplificator de semnal mic este amplificarea tuturor semnalelor de intrare cu cantitate minimă de distorsiune posibilă a semnalului de ieșire, cu alte cuvinte, semnalul de ieșire trebuie să fie o reproducere exactă a semnalului de intrare, dar mai mare (amplificată).

Pentru a obține distorsiuni reduse atunci când este utilizat ca amplificator, punctul static de funcționare trebuie selectat corect. Acesta este de fapt punctul de operare DC al amplificatorului și poziția sa poate fi stabilită în orice punct de-a lungul liniei de sarcină printr-un aranjament de polarizare adecvată.

Cea mai bună poziție posibilă pentru acest punct-Q este cât se poate de apropiată de poziția centrală a liniei de sarcină, producând astfel o operare de amplificator tip clasa A, adică VCE = 1/2 Vcc. Considerați circuitul Amplificator cu emitor-comun prezentat mai jos.

Circuitul amplificatorului cu emitor-comun

Această metodă de polarizare a tranzistorului reduce foarte mult efectele variației lui Beta (β) prin menținerea polarizării Bazei la un nivel de tensiune constant, care permite cea mai bună stabilitate.Tensiunea bazei în stare statică (VB) este determinată de rețeaua divizor de potențial formată de cele două rezistoare R1, R2 și tensiunea de alimentare Vcc, așa cum este arătat, cu curentul care trece prin ambele rezistoare.

Deci rezistența totală RT va fi egală cu R1+ R2 dând curentul i = Vcc/RT. Nivelul de tensiune generat la joncțiunea rezistoarelor R1 și R2 menține tensiunea de bază (VB) constantă la o valoare sub tensiunea de alimentare.

Atunci, rețeaua divizor de potențial utilizată în circuitul amplificatorului cu emitor-comun împarte tensiunea de alimentare proporțional cu rezistența. Această tensiune de referință de polarizare poate fi calculată cu ușurință utilizând formula simplă a divizorului de tensiune de mai jos:

Tensiunea de polarizare a tranzistorului

Aceeași tensiune de alimentare (Vcc) determină, de asemenea, curentul maxim de Colector Ic când tranzistorul este comutat complet "ON" (saturație), VCE = 0. Curentul de bază Ib pentru tranzistor se găsește din curentul de colector Ic și câștigul de curent DC Beta, β al tranzistorului.

Valoarea lui Beta

Beta este uneori denumit hFE, care este câștigul de curent al tranzistorului în configurația emitor-comun. Beta nu are unități deoarece este un raport fix între cei doi curenți, Ic și IB, astfel încât o mică variație a curentului de bază va cauza o variație mare în curentul de colector.

Tranzistoarele de același tip și număr de serie vor avea variații mari în valoarea lor Beta, de exemplu, tranzistorul bipolar NPN BC107 are o valoare Beta a câștigului de curent DC între 110 și 450 (valoarea fișei de date) deoarece Beta este o caracteristică din construcție a tranzistoarelor și nu a funcționării acestuia.

Deoarece joncțiunea Bază-Emitor este polarizată direct, tensiunea de Emitor VE va fi o cădere de tensiune de joncțiune diferită de tensiunea Bazei. Dacă se cunoaște tensiunea pe rezistorul emitorului, atunci curentul de emitor IE poate fi ușor calculat folosind Legea lui Ohm. Curentul de colector Ic poate fi aproximat, deoarece este aproape aceeași valoare cu curentul de Emitor.

Amplificatorul cu emitor-comun. Exemplul nr. 1

Un circuit amplificator cu emitor-comun are o rezistență de sarcină RL de 1,2 kΩ și o tensiune de alimentare de 12V. Calculați curentul de colector maxim Ic care circulă prin rezistorul de sarcină atunci când tranzistorul este comutat complet "ON" (saturație), presupunem VCE = 0. De asemenea, găsiți valoarea rezistorului de emitor RE dacă are o cădere de tensiune de 1V peste acesta. Calculați valorile tuturor celorlalte rezistoare ale circuitului, presupunând un tranzistor cu siliciu NPN.

Aceasta stabilește apoi punctul "A" pe axa verticală a curentului de colector a curbelor caracteristice și apare atunci când VCE = 0. Când tranzistorul este comutat complet "OFF", nu este o cădere de tensiune pe nici un rezistor RE sau RL, deoarece nu circulă curent prin ele. Atunci, căderea de tensiune pe tranzistor VCE este egală cu tensiunea de alimentare Vcc. Aceasta stabilește punctul "B" pe axa orizontală a curbelor caracteristice.

În general, punctul static Q al amplificatorului este cu semnal de intrare zero aplicat Bazei, astfel încât Colectorul se află la jumătatea drumului de-a lungul liniei de sarcină între zero volți și tensiunea de alimentare (Vcc/2). Prin urmare, curentul de colector la punctul Q al amplificatorului va fi dat de:

Această linie de sarcină statică DC produce o ecuație de linie dreaptă a cărei pantă este dată de: -1/(RL+ RE) și traversează axa verticală Ic la un punct egal cu Vcc/(RL+ RE). Poziția reală a punctului-Q pe linia de sarcină DC este determinată de valoarea medie a lui IB.

Deoarece curentul de colector Ic al tranzistorului este egal cu câștigul DC al tranzistorului (Beta) înmulțit cu curentul de Bază (β*IB), dacă presupunem o valoare Beta (β) pentru tranzistor de 100 (100 este o valoare medie rezonabilă pentru tranzistoare de semnal de putere redusă), curentul de Bază IB care circulă în tranzistor va fi dat de:

În loc să se utilizeze o furnizare separată a polarizării Bazei, este uzual să se asigure tensiunea de polarizare a Bazei de la șina principală de alimentare (Vcc) printr-o rezistență de cădere R1. Rezistoarele R1 și R2 pot fi acum alese pentru a da un curent de Bază static adecvat de 45,8 μA sau 46 μA rotunjit la cel mai apropiat număr întreg. Curentul care trece prin circuitul divizor de potențial trebuie să fie mare în comparație cu curentul de Bază IB, astfel încât rețeaua divizoare de tensiune să nu fie încărcată de fluxul de curent al Bazei.

O regulă generală este ca o valoare de cel puțin 10 ori IB să treacă prin rezistorul R2. Tensiunea Bază-Emitor a tranzistorului VBE este fixată la 0,7 V (tranzistor cu siliciu), atunci aceasta dă valoarea lui R2 ca:

Dacă curentul care trece prin rezistorul R2 este de 10 ori valoarea curentului de Bază, atunci curentul care trece prin rezistorul R1 din rețeaua divizoare trebuie să fie de 11 ori valoarea curentului de Bază. Aceasta este: IR2+IB.

Astfel, tensiunea pe rezistorul R1 este egală cu Vcc - 1,7v (VRE + 0,7 pentru tranzistor cu siliciu) care este egală cu 10,3 V, deci R1 poate fi calculată ca:

Valoarea rezistorului de emitor RE poate fi ușor calculată folosind Legea lui Ohm. Curentul care curge prin RE este o combinație a curentului de Bază IB și curentul de Colector Ic și este dat de:

Rezistorul RE este conectat între terminalul emitor al tranzistorului și masă și am spus anterior că există o cădere a tensiunii de 1 volt peste acesta. Astfel, valoarea rezistorului de emitor RE este calculată ca:

Deci, pentru exemplul de mai sus, valorile standard ale rezistoarelor alese pentru a da o toleranță de 5% (E24) sunt:

Atunci, circuitul nostru inițial Amplificator cu emitor-comun, de mai sus poate fi rescris pentru a include valorile componentelor pe care tocmai le-am calculat mai sus.

Circuitul cu emitor-comun finalizat

Condensatoare de cuplare la amplificator

În circuitele amplificatorului cu emitor-comun, condensatoarele C1 și C2 sunt utilizate ca condensatoare de cuplare pentru a separa semnalele AC de tensiunea de polarizare DC. Acest lucru asigură faptul că condiția de polarizare stabilită pentru funcționarea corectă a circuitului nu este afectată de nici-un etaj suplimentar de amplificare, deoarece condensatoarele vor trece numai semnalele AC și vor bloca orice componentă DC. Semnalul AC de ieșire este apoi suprapus pe polarizarea următoarelor etaje. De asemenea, un condensator de ocolire (by-pass) CE este inclus în circuitul terminalului Emitor.

Acest condensator este efectiv o componentă de circuit deschis pentru condițiile de polarizare DC, ceea ce înseamnă că tensiunile și curenții de polarizare nu sunt afectate de adăugarea condensatorului, menținând o stabilitate bună a punctului-Q.

Totuși, acest condensator by-pass conectat paralel devine efectiv un scurtcircuit pe rezistorul Emitor la semnale de frecvență ridicată datorită reactanței sale. Astfel, numai RL plus o rezistență internă foarte mică acționează pe măsură ce sarcina tranzistorului crește câștigul de tensiune la maximul său. În general, valoarea condensatorului de by-pass CE este aleasă pentru a oferi o reactanță de cel mult 1/10 din valoarea RE la cea mai mică frecvență de operare a semnalului.

Curbele caracteristice de ieșire

Acum putem construi o serie de curbe care arată curentul de colector Ic funcție de tensiunea colector-emitor VCE cu diferite valori ale curentului de Bază IB.

Aceste curbe sunt cunoscute sub numele de "curbe caracteristice de ieșire" și sunt utilizate pentru a arăta cum va funcționa tranzistorul în gama sa dinamică. O linie de sarcină statică sau DC este trasă pe curbe pentru rezistorul de sarcină RL de 1,2 kΩ pentru a afișa toate punctele de operare posibile ale tranzistoarelor.

Când tranzistorul este comutat "OFF", VCE este egală cu tensiunea de alimentare Vcc și acesta este punctul "B" pe linie. De asemenea, atunci când tranzistorul este complet "ON" și saturat, curentul de colector este determinat de rezistorul de sarcină RL și acesta este punctul "A" pe linie.

Am calculat înainte din câștigul DC al tranzistorului că curentul de Bază necesar pentru poziția medie a tranzistorului a fost de 45,8 μA și acesta este marcat ca punct Q pe linia de sarcină și reprezintă punctul (static) Quiescent sau punctul Q al amplificatorului. Am reușit destul de ușor să ne facem viața mai ușoară și să rotunjim această valoare la 50μA exact, fără nici un efect asupra punctului de operare.

Curbe caracteristice de ieșire

Punctul Q de pe linia de sarcină ne dă punctul-Q al curentului de bază IB = 45,8 μA sau 46 μA. Trebuie să găsim oscilațiile de vârf maxime și minime ale curentului de bază care vor avea ca rezultat o variație proporțională a curentului de colector Ic fără nici o distorsiune față de semnalul de ieșire.

Pe măsură ce linia de sarcină traversează diferite valori ale curentului de Bază pe curbele caracteristice DC, putem găsi oscilațiile de vârf ale curentului de Bază care sunt distanțate în mod egal de-a lungul liniei de sarcină. Aceste valori sunt marcate ca puncte "N" și "M" pe linie, oferind un curent de Bază minim și maxim de 20 μA și respectiv 80 μA.

Aceste puncte, "N" și "M" pot fi oriunde de-a lungul liniei de sarcină pe care o alegem, atâta timp cât acestea sunt distanțate în mod egal de Q. Aceasta ne dă apoi un semnal teoretic de intrare maxim la terminalul Bază de 60 μA vârf-vârf, (30 μA vârf) fără a produce nici o distorsiune la semnalul de ieșire.

Orice semnal de intrare care dă un curent de Bază mai mare decât această valoare va determina tranzistorul să treacă dincolo de punctul "N" și în regiunea "cut-off" sau dincolo de punctul "M" și în regiunea sa de saturație, rezultând astfel distorsiuni față de semnalul de ieșire sub formă de "clipping".

Utilizând punctele "N" și "M" ca exemplu, valorile instantanee ale curentului de colector și valorile corespunzătoare tensiunii colector-emitor pot fi proiectate din linia de sarcină. Se poate observa că tensiunea colector-emitor este în antifază (-180⁰) cu curentul colector.

Pe măsură ce curentul de Bază IB variază într-o direcție pozitivă de la 50 μA la 80 μA, tensiunea colector-emitor, care este tensiunea de ieșire, scade de la valoarea sa staționară de 5,8 volți la 2,0 volți.

Atunci, un amplificator cu emitor-comun cu un singur etaj este un "Amplificator inversor", deoarece o creștere a tensiunii de Bază determină o scădere a Vout și o scădere a tensiunii de bază produce o creștere a Vout. Cu alte cuvinte, semnalul de ieșire este 180° defazat cu semnalul de intrare.

Câștigul de tensiune pentru emitor-comun

Câștigul de tensiune al amplificatorului cu emitor-comun este egal cu raportul dintre variația tensiunii de intrare și variația tensiunii de ieșire a amplificatorului. Atunci ΔVL este Vout și ΔVB este Vin. Dar câștigul de tensiune este, de asemenea, egal cu raportul dintre rezistența la semnalul din colector și rezistența la semnalul din emitor și este dat de:

Această rezistență internă la terminalul emitor va fi în serie cu rezistorul extern de Emitor RE, atunci ecuația pentru câștigul real al tranzistorilor va fi modificată pentru a include această rezistență internă, astfel încât va fi:

La semnalele de frecvență joasă, rezistența totală din terminalul emitor este egală cu RE + Re. La frecvență înaltă, condensatorul de by-pass scurtcircuitează rezistorul din Emitor, lăsând numai rezistența internă Re în terminalul emitor, rezultând un câștig mare. Atunci, pentru circuitul nostru amplificator emitor-comun de mai sus, amplificarea circuitului la frecvențele de semnal atât joase cât și înalte este dată de:

Câștig la frecvențe joase

Câștig la frecvențe înalte

Un punct final, câștigul de tensiune depinde numai de valorile rezistorului de colector RL și rezistența emitorului (RE + Re), nu este afectat de câștigul de curent Beta β (hFE) al tranzistorului.

Deci, pentru exemplul nostru simplu de mai sus, putem acum sintetiza toate valorile pe care le-am calculat pentru circuitul nostru de amplificare cu emitor-comun și acestea sunt:

Rezumat Amplificator cu emitor-comun

Circuitul Amplificator cu emitor-comun are un rezistor în circuitul său de colector. Curentul care trece prin acest rezistor produce tensiunea de ieșire a amplificatorului. Valoarea acestui rezistor este aleasă astfel încât la punctul static de operare al amplificatoarelor, punctul Q, această tensiune de ieșire să se situeze la jumătate de-a lungul liniei de sarcină a tranzistorului.

Baza tranzistorului folosit într-un amplificator cu emitor-comun este polarizată folosind două rezistoare ca o rețea divizoare de potențial. Acest tip de aranjament de polarizare este utilizat în mod obișnuit în schema circuitelor amplificatoare cu tranzistor bipolar și reduce foarte mult efectele variațiilor lui Beta (β) prin menținerea polarizării Bazei la o tensiune constantă. Acest tip de polarizare produce cea mai mare stabilitate.

Un rezistor poate fi inclus în terminalul emitor, caz în care câștigul de tensiune devine -RL/RE. Dacă nu există nici o rezistență externă de emitor, câștigul de tensiune al amplificatorului nu este infinit deoarece există o rezistență internă foarte mică Re în terminalul emitor. Valoarea acestei rezistențe interne este egală cu 25mV/IE.

În următorul tutorial despre amplificatoare cu tranzistor vom analiza Amplificatorul cu efect de câmp cu joncțiune denumit în mod obișnuit amplificator JFET. La fel ca tranzistorul, JFET este folosit într-un singur etaj de circuit amplificator, făcându-l mai ușor de înțeles. Există mai multe tipuri diferite de tranzistor cu efect de câmp pe care l-am putea folosi, dar cel mai ușor de înțeles este tranzistorul cu efect de câmp cu joncțiune, sau JFET care are o impedanță de intrare foarte mare făcându-l ideal pentru circuitele amplificatorului.