هدف از ایجاد این تاپیک آموزشتحلیل AC مدارات الکترونیکی در حالت سیگنال کوچک است.الکترونیک  به عنواندرس تخصصی در رشته مهندسی الکترونیک مورد برسی قرار میگیرد. بحث ها بسیارگسترده ایی وجود دارد که سعی میکنم در حد توان و وقت آنها را ارائه کنیم.


امیدوارم مطالب مورد استفاده واقع شود.


*برای تقویت یک سیگنال الکتریکی نیاز به یک مدار تقویت کننده است این مدارتقویت کننده انواع مختلف و آرایش های مختلفی دارد.گاهی اوقات نیاز بهتقویت جریان داریم, گاهی نیاز به تقویت ولتاژ و گاهی هم نیاز به تقویتتوان!

تقویت توان یعنی تقویت ولتاژ و جریان با هم.

آرایشی که ولتاژ را تقویت میکند بیس مشترک نام دارد.
آرایشی که جریان را تقویت می کند کلکتور مشترک نام دارد.
آرایشی که هر دو مولفه را تقویت میکند امیتر مشترک نام دارد.

*دلیل استفاده از لفظ مشترک به این خاطر است که یک پایه با همان نام بین ورودی و خروجی قرا میگرد.
*آرایش ها هر کدام مشخصات خاص خود را دارند.

- آرایش بیس مشترک دارای مقاومت ورودی کم و مقاومت خروجی بالاست.
- آرایش کلکتور مشترک دارای مقاومت ورودی بالا  و مقاومت خروجی کم است.
- آرایش امیتر مشترک دارای مقاومت ورودی و خروجی متوسط است.

*کاربردتقویت کننده بیس مشترک در تقویت کننده های فرکانس بالا است. این تقویتکننده با عنوان طبقه ی اول در تقویت کننده های چند طبقه مورد استفاه قرارمیگیرد.
*تقویت کنندهکلکتور مشترک بیشتر در مدارات آمپلی فایری و جایی که نیاز به تقویت جریانداشته باشیم مورد استفاده است. این تقویت کننده به خاطر امپدانس پایینخروجی در بخش آخر تقویت کننده چند طبقه قرار میگیرد.

*تقویتکننده امیتر مشترک که کاربرد فراوانی هم دارد در بخش میانی تقویت کنندههای چند طبقه قرار میگیرد ودر موارد متعدد هم کاربرد دارد.



تشرح قطعات:

به  مقاومتهای  موجود در مدار , عناصر بایاس گفته می شود. این مقاومت ها باید مقادیرحساب شده ایی داشته باشند تا تقویت کنندگی به طور صحیحی انجام شود و گر نهترانزیستور وارد نواحی قطع و اشباع خواهد شد.

مقاومت های R1,R2 :

مقاومت های مقسم ولتاژ هستند.این مقاومت ها در تغذیه ی سرخودنمایان می شوند که بهترین حالت تغذیه ی مدار تقویت کننده است.
این مقاومت های ولتاژ تغذیه بیس ترانزیستور را فراهم میکنند.

RE: مقاومت امیتر جهت پایداری حرارتی ترانزیستور استفاده می شود.
RC: مقاومت کلکتور است.

تاثیرات کاهش یا افزایش مقادیر را بر عملکرد تقویت کننده توضیح خواهم داد.

CB وCc خازن های کوپلاژ هستند. این خازن های برای جداسازی سیگنال dc از سیگنال ac استفاده می شوند.

معمولا" یک خازن با نام خازن بای پس CE در آرایش امیتر مشترک با RE موازی میشود. وجود این خازن باعث افزایش بهره تقویت کننده می شود.



در بحث بعد, روابط و تحلیل مدرات به همراه ارائه مثال های متعدد را از نظر خواهیم گذراند.

با بخش دوم در خدمت شما هستم.

اما قبل از شروع بحث یک اصلاحیه یا به عبارتی اشتباه چاپی داریم. خازنی که در مدارات به کلکتور متصل است خازن Cc است که به اشتباه هنگام رسم CE نوشته شده است.

اما ادامه ی بحث:

عناصر بایاس تا حدودی معرفی شدند.مقاومت ها ی R1,R2,RE,RC ,

مقاومتRC محدود کننده جریان Ic است  و مقاومت Re پایدار کننده حرارتی , چونزمانی که دما بالا می رود جریان Ic زیاد می شود و این افزایش باعث ماهشVBE می شود که به دنبال آن دوباره IC کم میشود.


چون مقاومت های R1 و R2 مقاومت های مقسم ولتاژ هستند کاهش یا افزایش آنها بر IC و ولتاژ خروجی تاثیر گذار است.

*با افزایش مقدار R1 مقدار ولتاژ VB کم میشود و به دنبال آن VE کم میشود وبا کاهش آن IE یا IC کم خواهند شد و با کاهش جریان کلکتور افت ولتاژ دو سرRC هم کم شده و نهایتا" VC یا ولتاژ خروجی زیاد میشود.

- کاهش R1 اثرات مخالف حالت بالا را به دنبال دارد.

* امابا افزایش مقدار R2 افزایش مقدار VB را داریم که که باعث افزایش VE وجریان های کلکتور و امیتر میشود ( جریان کلتور همان جریان امیتر است)  اینافزایش جریان باعث افزایش افت ولتاژ دو سر RC شده و کاهش ولتاژ خروجی رابه دنبال دارد.

- کاهش R2 اثرات مخالف حالت بالا را به دنبال دارد.

* اما افزایش مقدار RC باعث افزایش افت ولتاژ RC و به دنبال آن کاهش VO یا ولتاژ خروجی میشود.
- کاهش آن نتیجه عکس را دارد.

* افزایش مقدار RE ,  فقط کاهش حریان کلکتور را به دنبال دارد که با کاهش جریان کلکتور افزایش Vo  را خواهیم داشت.
- کاهش RE عکس نتیجه بالا را می دهد.

تحلیل AC مدار امیتر مشترک

برای تحلیل AC بای دروابط زیر را بدانیم:


hie مقاومت دینامیکی پیوند بیس - امیتر است.
gm  بهره هدایت انتقالی در حالت اتصال کوتاه کلکتور - امیتر است.
B  هم بهره جریانخروجی به ورود ی است این ضریب اکثر مواقع در مسائل داده میشود. و هر ترانزیستور دارای B ها ی متفاوتی است.


رابطه دیگری از gm


روابطزیر را هم باید به خاطر داشته باشیم. روابط جدیدی نیستند و فقط ارتباطیبین دیگر فرمول ها هستند. چون ممکن است در برخی مسائل با آنها مواجه شویم.



نکته مهم در تحلیل AC تقویت کننده ها این است که هر مقاومت که در امیتر هست , اگر بخواهد از دیدی بیس دیده شود باید در  رابطه زیر ضرب شود:



و هر مقاومتی که در بیس است ( به عنوان مثالhie ) بخواهد در امیتر ظاهر شود در رابطه زیر ضرب می شود:



شکلزیر نمای داخلی ترانزیستور BJT در فرکانس پایین است این شکل مهم بوده وباید به خاطر سپرده شود. به این مدل مدل هیبرید h میگویند. یه مدل دیگر همداریم بنام مدل هیبرید پی  ولی ترجیحا با این مدل کار میکینم , هر چند هیچتفاوتی بین دو مدل نیست و هر دو هم ساده هستند.

بخش سوم تحلیل AC مدار بیس مشترک


همانطورکه بیان شد بیس مشترک عمل تقویت ولتاژ را انجام می دهد و درمواردی کهامپدانس ورودی کم نیاز باشد به عنوان طبقه اول مورد استفادهقرار می گیرد. بهره ولتاژ این تقویت کننده زیاد است و بهره جریان آن کم و حدود 1 است.

* این بدین معناست که تقویت کننده بیس مشترک عمل تقویت جریان را انجام نمی دهد.

*بیسمشترک دارای پهناد باند بیشتری نسبت به دو تقویت کننده  دیگر است وتنهاعیب ان داشتن مقاومت ورودی کم است که این مقاومت ورودی کم با عناوینوراهکار های مختلف تا حدودی جبران می شود.

اما برای تحلیل AC باید مدار معادل هیبرید h را رسم کنیم



بایدتوجه داشته باشم که مقاومت های R1 و R2 به خاطر وجود خازن بای پس CBحذفشده اند.چون خازن در حالت AC اتصال کوتاه است. من در این مدار بهطوردلخواه یک مقاومت بار RL نیز اضافه کرده ام.

مانند مدار امیتر مشترک ابتدا مقاومت ورودی / مقاومت خروجی و سپس بهره ولتاژ را بدست می آوریم.

نکته ایی که بهتر است جا نندازیم , محاسبه ی بهره جریان است که حتما" در پایان این بحش توضیح خواهم داد.


مقاومت ورودی

از دید امیتر مقاوت ورودی را محاسبه میکنیم. مقاومت دینامیکیhie برای اینکه از دید امیتر دیده شود باید بر B+1 تقسیم شود.ایننکته ساده و مهم در تمام تحلیل ها هست که اگر رعایت شود , ساد گی درحلمسائل را مشاهده خواهیم کرد. نهایتا" مقاومت hie با مقاومت امیتر موازیمیشوند و کل نتیجه با مقاومت RS  سری خواهد شد. این مقاومت ورودی ماست.

توجه کنید که مقاومت ورودی بستگی به دید ما دارد, که آیا اینکه ما در کجا مقاومت ورودی را نگاه کنیم.از بعد از RS یا قبل از RS .
این دید در محاسبه ی بهره تاثیر گذار است .

مثلا"وقتیما می گوییم بهره ولتاژ Vo/Vs , کاملا" واضح است که مقاومت Zin totalرااحتیاج داریم و زمانی که می گویم Vo/VB , مقاومت Zin  را بایدجایگذاریکنیم.

بنابراین داریم:




مقاومت خروجی:

مقاومت خروجی را موازی شده ی دو مقاومت RL و RC داریم.


بهره ولتاژ:

تکرارمی کنم ,ولتاژ خروجی  حاصل عبور جریان منبع وابسته در مقاومت RL وRC است.خصیصه یمدار بیس مشترک این است که بین خروجی و ورودی اختلاف فاز نیست یعنیاینکههرچه مشکل موج وردی باشد همان شکل فقط با تغییر دامنه در خروجی ظاهرمیشود و تغییر فاز نداریم.اگر در روابط دقت کنیم می بینم که علامت منفیهمبین صورت و مخرج هم حذف می شود و علت آن عبور جریان hie از سمت منفیبهبیس است.



بهره ی جریان

بهره جریان را ما میتوانیم با داشتم بهره ولتاژ و مقاومت ها ورودی و خروجی محاسبه کنیم. چون طبق رابطه زیر بهره ولتاژ را داریم :


که در آن Io/Ii همان بهره جریان یا AI هست که اگر یک طرفین - وسطین کنیم به راحتی بهره جریان بدست خواهد آمد.



این شیوه برای کلیه مدارات تقویت کننده امیتر, بیس و کلکتور   مشترک صدق می کند و ثابت است و فقط یک جایگذاری ساده است.


پایان تحلیل AC بیس مشترک

حقوق مطلب متعلق به مرکز انجمن های تخصصی است.

نوشته ی : SAMAN.M.S

بخش  چهارم

تحلیل AC مدار کلکتور مشترک

مدارکلکتور مشترک دارای بهره ولتاژ 1 یا کمتر از 1 است. این تقویت کننده دارایبهره جریان بالاست.از کلکتور مشترک به عنوان تطبیق کننده امپدانس هماستفاده می شود.دلیل آن داشتن امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم است.
از ویژگی این مدار ای  هست که بین ورودی و خروجی اختلاف فاز نداریم:

برای تحلیل ابتدا مدار را رسم کرده و سپس مدل هیبرید را رسم می کنیم:



با دقت بر روی مدار معادل هیبریدh می توانیم مقاومت ورودی  ومقامت خروجی را محاسبه کنیم:

مقاومت ورودی کل و مقاومت ورودی از دیدگاه های مختلف ترسیم و محاسبه شده است.

مقاومت ورودی:


مقاومت خروجی:

من در این مدار مقاومت بار را اضافه نکردم اگر هر مقاومت در بار وجود داشت می بایست با مقاومت مقامت امیتر موازی شود.



بهره ولتاژ

بهرهولتاژ را از خروجی به سمت ورودی حرکت کرده و محاسبه میکینم. ولتاژ خروجیحاصل عبور جریان منبع وابسته رد مقاومت امیتر است و ولتاژ ورودی که فعلا"ولتاژ بیس اسنت حاصل عبور جریان ib در مقاومت hie است.



توجه: من درقسمت اول رابطه بالا ضرب مقاومت امیتر را در B+1 فراموش کرده ام بنویسم.

قسمت ولتاز VB/VS هم که از یک تقسم ولتاژ ساده بدست می آید. حاصل ضرب هر دو برابربا بهره ولتاژ خروجی به ورودی است.


برای محاسبه بهره جریان هم با داشتن مقادیر مقاومت ورودی و خروجی و بهره ولتاژ می توانیم بهره جریان را بدست آوریم:



نکته ایی که باید دقت شود این است که بهره جریای کدام نقطه نسبت به کدام نقطه؟

مااینجا بهره جریان خروجی را به جریان بیس گرفته ایم! اگر بخواهیم بهرهجریان خروجی به منیع ورودی را بگیریم باید به جای Zin مقدار Zintotoal  را قرار دهیم


پایان تحلیل AC کلکتور مشترک

در مبحث بعدی مدار کسکود cascode ( آبشاری) و مدرارات زوج دارلیگتون را مورد برسی قرار خواهیم داد.

مثال های عددی هم خواهیم زد.
تحلیل DC هم انجام خواهیم داد و نهایتا" یک مورد طراحی  هم انجام می دهیـــــــــم.

حقوق مطلب متعلق به مرکز انجمن های تخصصی است.

پخش پنجم : تحلیل AC کسکود


برسی تقویت کننده دو طبقه ی آبشاری یا کسکود casecode


مااز تقویت کننده چند طبقه زیاد استفاده می کنیم.کاربرد این تقویت کنندهزمانی است که ما بهره بالایی احتیاج داشته باشیم + پهنای باندوسیع.میداینم که داشتن بهره بالا و پنهای باند زیاد با یک طبقه میسر نیستبنابراین از تقویت کننده های چند طبقه استفاده می کنیم.

یکنمونه تقویت کننده ی دو طبقه تقویت کننده ی کسکود است. مدار بیس مشترک ازنظر داشتن بهره بالا و پهنای باند وسیع تر نسبت به دیگر تقویت کننده هامورد مطلوب است اما ایرادی که دارد داشتن مقاوت ورودی کم است! برای جبرانمقاومت ورودی کم یک طبقه تقویت کننده امیتر مشترک قبل از آن قرار می دهیم.بهره تقویت کننده را برابر با -1 میگیرم. در واقع با این ترکیب به صورت -1 در خواهد آمد!

قابل توجه است که نهایتا"بهره ی کل را همان بهره ی امیتر مشترک نتیجه خواهد داد.

در شکل زیر  نمونه مدار  مدار کسکود  را داریم



نکته:  گاهی اوقات ترکیب شکل را کمی عوض می کنند اما با رسم حالت ac و مدل هیبرید میبینم که هیچ اختلافی با هم ندارند!




مقاومت ورودی مدار از رابطه زیر محاسبه می شود:





مقاومت خروجی نیز از رابطه زیر:




بهره ولتاژ

برای محاسبه ی بهره ولتاژ چون مداردو طبقه است باید یک طبقه یک طبقه به سمت Vs حرکت کنیم!

ایتدا باید VO/Vx را مححاسبه کنیم
بعد Vx/Vy
و سپس Vy/Vs

میدانیمکه طبقهی Vo/Vx یک طبقه بیس مشترک است. جریان منبع وابسته در خلاف جهتحرکت می کند و وارد  مجموع موازی شده ی دو مقاومت RL و RC می شود. نتیجهVO است!

اما VX : اگر دقت کنیم میبینم که VX=-Vb است و خود مقدارVb=ib * hie  است! چون مقدار Vb منفی است پس مقدار این ولتاژ ib * hie میشود و در نهایت با تقسم دو عبارت Vo/Vx علامت مثبت یعنی نبود اختلاف فازرا در بیس مشترک به وضوح مشاهده می کنیم

این جواب دقیق نداشتن اختلاف فاز در بیس مشترک است!



نکته: متاسفانه 1 اشتباه چاپی دیگر اینجا داریم! مقاومت R1 حذف شده است! در تمام روابط منظور از مقاومت R1 همان مقاومت R3 است.


پایان تحلیل AC مدار تقویت کسکود

حقوق مطلب متعلق به مرکز انجمن های تخصصی است.

بخش ششم

برسی کوپلاژ مستقیم ترانزیستوری زوج دارلینگتون

در این بخش قصد دارم که اتصال دوترانزیستور را که با نام زوج دارلینگتون شناخته می شود را برسی کنم.

بتایزیاد زوج دارلینگتون به ما کمک می کند که بهره بالا داشته باشیم.همچنیناتصال زوج دارلینگتون به افزایش مقاومت ورودی کمک شایانی می کند.

بایدبدانیم که در هر نوع مدارات قبل ممکن است به جای یک ترانزیستور یک زوجدارلینتون قرار دهند! اما هیچ مشکلی نیست تنها کاری که ما باید انجام دهیمبه جای نوشتن B ( بتا) باید بتا به توان دو را بنویسم چون بتای هر دو ترانزیستور در هم ضرب می شوند.

ما این را ثابت می کنیم.

در شکل زیر اتصال زوج دارلینگتون را داریم و در شکل دوم مدل هیبرید h را رسم کرده ایم.



برایفهم موضوع باید فقط به این نکته توجه داشت که جریان بیس ترانزیستور دوم Q2, جریان کلکتور Q1 است و با دانستن رابطه ی ic=Bib کل قضیه حل شده است.

جریان بیس Q2 همان جریان کلکتور Q1 است و نتیجه Bib1 خواهد بود.

اگریک مقاومت به کلکتور به عنوان مقاومت بار متصل کنیم میبینم که هر دو منبعجریان با یکدیگر جمع می شوند و هر دو به سمت مقاومت جاری  خواهند شد. بانوشتن مقادیر و فاکتور گرفتن از ib1B1 میبینم که مقدار بتای کل مجموعه یکوپل شده برابر با B1B2 خواهد شد.

ضمنا" مقاومت ورودی نیز برابر با :

که ملاحضه می شود به دلیل ضرب شدن بتا در hie2 مقدار بیسار بزرگ شده و این مقدار با hie1 سری می شود که مقدار بیش از پیش خواهد شد.

بخش هفتم -تحلیل DC

درآخرین بخش تحلیل ترانزیستور های BJT  هستیم. در این بخش سعی کردم یکمدارتا ترکیبی را خدمت دوستان ارائه کنم.قبل از انجام تحلیل AC قرار شدهبود که تحلیل DC را نیز انجام دهیم. بنابراین ابتدا تحلیل DC را برای شماانجام داده ام و در آخرین پست این تاپیک سراغ تحلیل ac خواهیم رفت.



در تحلیل DC ما روابط ثابتی داریم اما در محاسبات در هرصورت باید دقت کرد.در تحلیل DC این مدار سعی شده که ولتاژ های  تک تک نقاط محاسبه شوند.
ابتدا ولتاژ بیس ترانزیستور های دارلینگتون را محاسبه می کنیم:
با داشتن ولتاژ بیس می توانیم ولتاژ امیتر دارلینگتون ها را هم بدست آوریم:
با داشتن ولتاژ امیتر دارلینگتون ها نهایتا" جریان کل طبقه اول را خواهیم داشت. همانطور که ملاحضه می کنید این  مدار از 2 طبقه ساخته شده است و خازن C2 یک خازن کوپلاژ هست که تحلیل DC دو طبقه را از هم جدا می کند.
برای بدست آوردن ولتاژ کلکتور- امیتر دارلینگتون  و Q3 می توانیم به صورت زیر عمل کنیم:
*اگر ولتاژ بیس Q3 را بدست آوریم ===>  ولتاژ امیتر Q3 را نیز می توانیم  محاسبه کنیم! این ولتاژ همان ولتاژ کلکتور دارلینگتون هست. ولتاژ امیتر دارلینگتون را هم قبلا" محاسبه کردیم بنابر این  به سادگی می توان  ولتاژ کلکتور- امیتر  دارلینگتور را محاسبه کرد.
اگر بخواهیم که ولتاژ کلکتور- امیتر Q3 را هم بدست آوریم کافی است که یک حلقه Kvl در طبقه اول بزنیم و خواهیم داشت:

به طور مشابه می توان جریان امیتر – ولتاژ امیتر و ولتاژ بیس Q4  را هم بدست آورد:

بخش هشتم- تحلیل AC

در آخرین بخش می خواهیم مدار ترکیبی زیر را تحلیل AC کنیم و بهره ولتاژ را بدست آوریم.

اگر دقت کنیم می بینیم که این مدار از سه طبقه ساخته شده که به یکدیگر کوپلشده اند.طبقه اول و دوم همان مدار کسکود هست که البته من برای تحلیل بیشترزوج دارلینگتون را استفاده کردم! و طبقه سوم یک مدار امیتر مشترک هست.

چونولتاژ خروجی  از کلکتور Q4 دریافت شده , دیگر با ترانزیستور Q5 کارآنچنانی نداریم. در واقع این ترانزیستور قطع هم هست! پس قدم اول شناختطبقات مدار بود. یک راهنمایی دیگر ,دقت به خازن های کوپلاژ هست. خازن C1 خازن جداکننده طبقه کسکود از طبقه امیتر مشترک می باشد.
در تقویت کننده های چند طبقه کافی است بهر ه های هر طبقه را حساب کنیم و نهایتا" مقادیر را در هم ضرب کنیم.




با توجه به طبقات و خروجی ها داریم:


اکنون می بایست که ولتاژ خروجی به ورودی هر طبقه را محاسبه کنیم.

قبل از آن باید مقادیر hie تمام ترانزیستور ها را حساب کنیم. ما ترانزیستور های Q1  و Q2 را به صورتزوج دارلینگتون داریم. زوج دارلینکتون در بخش های قبل معرفی و توضیح دادهشده است. بنابر این برای محاسبه hie زوج دارلینکتون کمی دقت لازم است چونمقادیر hie دو ترانزیستور با هم متفاوت است.

برایمحاسبه hie کافیست جریان کلکتور مدار کسکود را داشته باشیم. و ما در بخشقبل جریان کلکتور را محاسبه کردیم. بتا را برابر با 100 در نظر میگیریم.

مقدار hie Q1 برابر با :



میدانیمکه VT= 26mv می باشد و طبق روابط و ساختار زوج دارلینگتون جریان امیتر Q2برابر با 2.6 میلی آمپر است و همین جریان در امیتر Q1 برابر با 0.026 میلیآمپر است.

Hie کل زوج دارلینکتون برابر با مقدار زیر است:

نکته: جریان کلکتور یک ترانزیستور برابر با جریان امیترش است.

*به طور مشابه hie Q3  نیز برابر با 1K  اهم هست. چرا؟

Hie Q4 برابر با :

حال با داشتن مقادیر hie ها می توانیم بهره ولتاژ را حساب کنیم:







در نهایت همه مقادیر فوق را در هم ضرب کرده و بهره را بدست می آوریم.






نویسنده :دوست خوبم سامان
(که متاسفانه در سایتی فعالیت می کند که مدیر نالایقی دارد و به دلیل عدم تبلیغ ان سایت از ذکر نام ان سایت معذورم)