کاربرد ترانزیستورها { بخش دوم – تقویت کننده ترانزیستوری }

مقدمه

در جلسه قبل بحث کردیم که چگونه یک ترانزیستور میتونه نقش یک کلید رو ایفا کنه. از این لینک میتونید این جلسه رو مطالعه کنید. یکی دیگر از قابلیت های خیلی خوب ترانزیستور، خاصیت تقویت کنندگی اون هست. یک سیگنال با توان پایین رو در ورودی دریافت میکنند و در خروجی سیگنالی با توان بالاتر تحویل میدهند. مثلا یه سیگنال با ولتاژی در رنج میکرو ولت رو به سیگنال در رنج میلی ولت یا ولت تبدیل میکنند. البته ترانزیستورها میتونن جریان رو هم تقویت کنند. مثلا جریانی الکتریکی در حد میکروآمپر رو که به عنوان مثال یک دیود نوری تولید میکنه به جریان های بالاتری تبدیل کنه.

معرفی مدارات پایه تقویت کنندگی

[post_shop]

ترانزیستورها یکی از قطعات اصلی در اکثر مدارهای تقویت کننده هستند. شاید در ظاهر تعداد مدارهای تقویت کنندگی بی شمار به نظر بیاد ولی در عمل یک سری مدارات پایه ای مشخصی وجود داره که همه مدارات تقویت کننده بر مبنای اون مدارات هستند. به خاطر سپردن الگوهای این مدارات پایه بسیار کمک کننده خواهد بود ضمن این که درک مدارهای پیچیده تر رو هم ساده میکنه.

معرفی انواع مدارات پایه:

سه نوع مدار پایه برای تقویت کننده ها وجود داره:

• امیتر مشترک (common emitter)
• کلکتور مشترک (Common collector)
• بیس مشترک (Common base )

در هر سه این مدارات حتما یکی از پایه های ترانزیستور به یک ولتاژ خاص ( معمولا زمین) وصل میشه و دو پایه  دیگر یکی در نقش ورودی و دیگری در نقش خروجی عمل میکنه.

ترکیب امیتر مشترک :

امیتر مشترک یکی از مدارات پایه ای مشهور برای بحث تقویت کنندگی ترانزیستورها است. در امیتر مشترک پایه امیتر ( معمولا با یک مقاومت و یا یک خازن) به زمین متصل میشود. پایه بیس نقش ورودی و پایه کلکتور نیز نقش خروجی را ایفا میکند.

علت معروف بودن مدارهای امیتر مشترک خاصیت تقویت کنندگی ولتاژ اون هاست. به خصوص در فرکانس های پایین. یکی از موارد استفاده از این مدار تقویت سیگنال های صوتی است. به عنوان مثال اگه شما یک سیگنال با ولتاژ پیک تو پیک 1.5 ولت داشته باشید با مداری که در شکل زیر آمده است میتوانید آن را به ولتاژهای بسیار بالاتر تبدیل کنید:

البته یکی از عذاب هایی که این نوع مدار به ما میده اینه که سیگنال ورودی رو معکوس میکنه.

کلکتور مشترک ( دنبال کننده ی امیتر):

در این نوع مدار کلکتور به یک ولتاژ ثابت وصل شده. بیس در نقش ورودی عمل میکنه و خروجی هم از پایه امیتر گرفته میشه. به این نوع مدار دنبال کننده امیتر (emitter follower ) نیز گفته می شود.

این مدار ولتاژ رو تقویت نمیکنه. ( حتی ولتاژ خروجی حدود 0.6 ولت از ولتاژ ورودی هم کمتر هست). به همین دلیل به این مدار گاهی اوقات Voltage follower هم گفته میشه.

مزیت این مدار بیشتر در تقویت کنندگی جریان هست. تقویت کنندگی جریان در کنار ولتاژ تقریبا ثابت در ورودی و خروجی باعث شده که این مدار ، یک مدار مناسب برای بافر ولتاژ (Voltage Buffer) باشه. یک بافر ولتاژ مانع از تضعیف سیگنال می شود.به عنوان مثال اگه بخواید که در یک مدار ولتاژ 1 ولت به بار شما تحویل داده بشه در این صورت دو تا کار میشه انجام داد. یا این که از تقسیم ولتاژ استفاده کنید ( که راه آسونتری هست) و یا این که از از مدار emitter follower استفاده کنید.

اگه از مدار تقسیم ولتاژ استفاده کنید، هر چه بار بزرگتر باشه ولتاژ خروجی کاهش پیدا میکنه اما اگه از مدار emitter follower استفاده کنید، (جدا از این که مقاومت بار چقدر است)ولتاژ خروجی ثابت و پایدار میمونه. به عبارت ساده تر در مدارهای emitter follower بار بزگتر باعث کاهش ولتاژ خروجی نخواهد شد. به همین دلیل این مدارات میتوانند امپدانس خروجی بالاتری داشته باشند.

بیس مشترک:

مدارهای بیس مشترک آخرین نوع مداری هست که ما در اینجا بررسی خواهیم کرد و سپس پرونده این قسمت رو میبندیم.

مدارهای بیس مشترک هم یکی از معروف ترین مدارها در تقویت کنندگی است. در مدار بیس مشترک پایه بیس به زمین وصل میشه. امیتر در نقش ورودی و کلکتور هم در نقش خروجی است.

ترکیب بیس مشترک یه جورایی آنتی emitter follower هم هست چون در این نوع ترکیب ولتاژ ورودی تقویت میشه ولی جریان ورودی تقریبا ثابت میمونه. ( اگه بخوایم دقیق تر بگیم جریان ورودی یه خورده بیشتر از جریان خروجی هست) . این مداربهترین گزینه برای بافر جریان هست. چون میتونه جریان ورودی رو در یک امپدانس پایین در ورودی بگیره و در خروجی همون جریان رو در یک امپدانس بالا به ما تحویل بده.

جمع بندی:

این سه نوع پیکربندی که در بالا گفتیم قلب اکثر مدارات تقویت کننده رو تشکیل میدن. گاهی اوقات این مدارات ولتاژ رو تقویت میکنند. گاهی اوقات جریان رو و گاهی اوقات هم نقش یک بافر رو دارند. در جدول زیر به طور خلاصه مشخصات این سه نوع پیکردبندی آورده شده است:

تقویت کننده های چند طبقه

تقویت کننده های مختلفی در بیرون وجود داره. در زیر مثال هایی رو آوردیم که   چند تقویت کننده یک طبقه ترکیب شده اند و یک تقویت کننده چندطبقه رو تشکیل داده اند.

دارلینگتون:(Darlington)

دارلینگتون ( که گاهی اوقات با زوج دارلینگتون هم نامگذاری میشه) از دو تا مدار کلکتور مشترک تشکیل شده که در این ترکیب امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور دوم وصل شده. شکل زیر گویای همه چیز هست:

در این مدار ولتاژ خروجی تقریبا همون ولتاژ ورودی هست ( اگه دقیق تر بخوایم بگیم حدود 1.2 ولت تا 1.4 ولت کمتره).اما بهره جریان در این مدار بسیار زیاده. چون گین دو ترانزیستور(ß) در این مدار در هم ضرب میشه و گین جریان نهایی رو تشکیل میده. پس گین جریان این مدار برابر ß² میشه که اگه به عنوان مثال یک گین یک ترانزیستور رو برابر 100 بگیریم گین جریان این مدار برابر 10000 بدست میاد که مقدار قابل توجهی هست.

زوج دارلینگتون گزینه بسیار مناسبی برای راه اندازی بارهای بزرگ با جریان ورودی کم هست.

تقویت کننده های دیفرانسیلی یا تفاضلی  : (Differential amplifier)

در تقویت کننده تفاضلی دو سیگنال ورودی از هم دیگه کم میشن و تفاضل این دو تا سیگنال تقویت میشه. یکی از بخش های حساس در مدارهای فیدبک ( که در اون ورودی با خروجی برای تولید خروجی بعدی مقایسه میشه) همین تقویت کننده های تفاضلی هستند. در شکل زیر نمونه از یک تقویت کننده تفاضلی آورده شده:

گاهی اوقات به این مدار long tailed pair نیز گفته میشه. ( ترجمه خوبی نمیشه از این عبارت کرد) چون از یک جفت مدار امیتر مشترک تشکیل شده اند که دو ورودی رو با همدیگه مقایسه میکنه تا تفاضل اون ها رو تولید کنه. همونطور که در شکل هم مشاهده میکنید دو ورودی به دو پایه بیس ترانزیستور اعمال میشه و خروجی هم از تفاضل ولتاژ دو کلکتور حاصل میشه.

تقویت کننده Push-Pull :

تقویت کننده Push-Pull معمولا طبقه آخر از یک تقویت کننده چند طبقه هست. این مدل یکی از مدل های تقویت کننده قدرت هست (تقویت کننده مدل B ) و معمولا برای راه اندازی بلندگوها از اون استفاده میشه.

در مدار این نوع از یک ترانزیستور NPN و یک ترانزیستور PNP استفاده شده که هر دو این ترانزیستورها به صورت کلکتورمشترک پیکربندی شده اند.

[/post_shop]

تقویت کننده Push-Pull ولتاژ رو تقویت نمیکنه ( ولتاژ خروجی مقدار از ولتاژ ورودی کمتر هست. ) و فقط جریان رو تقویت میکنه . این نوع تقویت کننده در مدارات دوقطبی بسیار کاربردی هست ( منظور از مدارات دو قطبی مداراتی هستند که هم تغذیه مثبت و هم تغذیه منفی دارند.).

اگه یک مدار تقویت کننده  دوقطبی دارید، تقویت کننده Push-Pull میتونه یک گزینه مناسبی برای طبقه آخر تقویت کننده  شما باشه.

مدار یک آپ امپ : ( همه مدارات بالا در یک مدار)

اجازه بدید به یکی از مدارهای  تقویت کننده کلاسیک که در زیر آورده شده نگاه کنیم. این مدار ، مدار یک آپ امپ ساده هست. فهمیدن نحوه عملکرد دقیق این مدار دشوار هست. داخل آیسی LM3558 دو تا از این مدار وجود داره. اینجا جا داره واقعا بگیم شکل زیر گویای هیچ چیز نیست!

در ادامه قصد داریم یه توضیحاتی کلی رو در مورد این مدار بدیم. البته خیلی دقیق نخواهیم شد چون فهم کامل این مدار از حوصله این بحث خارج هست:

• ترانزیستورهای Q1 و Q2 و Q3 و Q4 در طبقه ورودی هستند. به نظر میرسد در این 4 ترانزیستور ترکیب کلکتور مشترک (ترانزیستورهای Q1 و Q4) درون یک تقویت کننده تفاضلی رو مشاهده میکنیم. فقط شاید شما هم حس کرده باشید که این ترکیب وارونه هست. علتش هم اینه که از ترانزیستورهای PNP استفاده شده. نقش این ترانزیستورها تشکیل طبقه تفاضلی از کل تقویت کننده است.
• Q11 و Q12 طبقه دوم تقویت کننده است. Q11 به صورت کلکتور مشترک و Q12 به صورت امیتر مشترک پیکربندی شده. این دو ترانزیستور سیگنالی که از کلکتور ترانزیستور Q3 میرسه رو بافر میکنند و یک سیگنال با بهره بالا رو میفرستن به طبقه نهایی تقویت کننده.
• Q6 و Q13 جزو طبقه نهایی هستند و حدسش هم خیلی سخت نخواهد بود که این ترانزیستور یک تقویت کننده Push-Pull رو تشکیل دادند ( به خصوص اگه اون مقاومت بین اون ها رو در نظر نگیریم). این طبقه خروجی رو بافر میکنند و باعث میشه خروجی بتونه بارهای بزرگ رو راه اندازی کنه.
• یه سری ترکیبات دیگه هم در این مدار وجود داره که ما اینجا دربارش صحبت نکردیم. ترانزیستورهای Q8 و Q9 تشکیل یک آینه جریان داده اند که به سادگی جریان یک ترانزیستور رو در ترانزیستور دیگری کپی میکنند.

خوب دوستان. این جلسه هم به پایان رسید. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید.