Penguat Common-emitter

penguat common-emitter vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v (1,0) i(v1) .end 

Sinyal terpotong pada kolektor karena kurangnya bias basis DC.

Simulasi memplot tegangan input (sinyal AC dengan amplitudo puncak 1,5 volt dan frekuensi 2000 Hz) dan arus melalui baterai 15 volt, yang sama dengan arus yang melalui speaker. Apa yang kita lihat di sini adalah gelombang sinus AC penuh bolak-balik dalam arah positif dan negatif dan bentuk gelombang arus keluaran setengah gelombang yang hanya berdenyut dalam satu arah. Jika kita mengendarai speaker dengan bentuk gelombang ini, suara yang dihasilkan akan terdistorsi.

Apa yang salah dengan sirkuit? Mengapa tidak mereproduksi seluruh bentuk gelombang AC dari mikrofon dengan tepat? Jawaban atas pertanyaan ini ditemukan dengan pemeriksaan dekat model sumber arus dioda transistor pada gambar di bawah ini.

Model menunjukkan bahwa arus basis mengalir dalam satu arah.

Arus kolektor dikendalikan atau diatur, melalui mekanisme arus konstan sesuai dengan kecepatan yang ditetapkan oleh arus melalui dioda basis-emitor. Perhatikan bahwa kedua jalur arus melalui transistor adalah satu arah:hanya satu arah! Meskipun niat kami untuk menggunakan transistor untuk memperkuat AC sinyal, pada dasarnya adalah DC perangkat, mampu menangani arus dalam satu arah. Kita mungkin menerapkan sinyal input tegangan AC antara basis dan emitor, tetapi arus tidak dapat mengalir di sirkuit itu selama bagian dari siklus yang membias balik sambungan dioda basis-emitor. Oleh karena itu, transistor akan tetap dalam mode cutoff selama bagian siklus tersebut. Ini akan "menghidupkan" dalam mode aktifnya hanya ketika tegangan input memiliki polaritas yang benar untuk bias maju dioda basis-emitor, dan hanya ketika tegangan itu cukup tinggi untuk mengatasi penurunan tegangan maju dioda. Ingatlah bahwa transistor bipolar adalah perangkat yang dikendalikan arus :mereka mengatur arus kolektor berdasarkan keberadaan arus basis-ke-emitor , bukan tegangan basis-ke-emitor .

Satu-satunya cara agar transistor dapat mereproduksi seluruh bentuk gelombang sebagai arus yang melalui speaker adalah dengan menjaga transistor dalam mode aktif sepanjang waktu. Ini berarti kita harus mempertahankan arus melalui basis selama seluruh siklus bentuk gelombang input. Akibatnya, sambungan dioda basis-emitor harus dijaga bias maju setiap saat. Untungnya, ini dapat dicapai dengan tegangan bias DC ditambahkan ke sinyal masukan. Dengan menghubungkan tegangan DC yang cukup secara seri dengan sumber sinyal AC, bias maju dapat dipertahankan di semua titik sepanjang siklus gelombang. (Gambar di bawah)

Vbias menyimpan transistor di wilayah aktif.

penguat common-emitter vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

Arus keluaran tidak terdistorsi I(v(1) karena Vbias

Dengan sumber tegangan bias 2,3 volt di tempatnya, transistor tetap dalam mode aktifnya sepanjang seluruh siklus gelombang, dengan setia mereproduksi bentuk gelombang di speaker. Perhatikan bahwa tegangan input (diukur antara node 1 dan 0) berfluktuasi antara sekitar 0,8 volt dan 3,8 volt, tegangan puncak ke puncak 3 volt seperti yang diharapkan (tegangan sumber =puncak 1,5 volt). Arus keluaran (speaker) bervariasi antara nol dan hampir 300 mA, 180° berbeda fase dengan sinyal masukan (mikrofon).

Ilustrasi pada gambar di bawah ini adalah tampilan lain dari sirkuit yang sama, kali ini dengan beberapa osiloskop (“scopemeters”) yang terhubung pada titik-titik penting untuk menampilkan semua sinyal terkait.

Input bias ke atas di pangkalan. Keluaran dibalik.

Membias

Kebutuhan untuk membiaskan rangkaian penguat transistor untuk mendapatkan reproduksi bentuk gelombang penuh merupakan pertimbangan penting . Bagian terpisah dari bab ini akan dikhususkan sepenuhnya untuk subjek teknik biasing dan biasing. Untuk saat ini, cukup untuk memahami bahwa biasing mungkin diperlukan untuk tegangan dan arus keluaran yang tepat dari amplifier.

Sekarang kita memiliki rangkaian penguat yang berfungsi, kita dapat menyelidiki tegangan, arus, dan penguatan dayanya. Transistor generik yang digunakan dalam analisis SPICE ini memiliki 100, seperti yang ditunjukkan oleh cetakan statistik transistor pendek yang disertakan dalam output teks pada Tabel di bawah (statistik ini dipotong dari dua analisis terakhir untuk singkatnya).

Parameter model BJT SPICE.

 type npn adalah 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β tercantum di bawah singkatan “bf”, yang sebenarnya merupakan singkatan dari “beta, forward” . Jika kita ingin memasukkan rasio kita sendiri untuk analisis, kita bisa melakukannya pada baris .model dari netlist SPICE.

Karena adalah rasio arus kolektor terhadap arus basis, dan beban kita terhubung secara seri dengan terminal kolektor transistor dan sumber terhubung secara seri dengan basis, rasio arus keluaran terhadap arus input sama dengan beta. Jadi, penguatan saat ini untuk penguat contoh ini adalah 100, atau 40 dB.

Penguatan Tegangan

Penguatan tegangan sedikit lebih rumit untuk dihitung daripada penguatan arus untuk rangkaian ini. Seperti biasa, penguatan tegangan didefinisikan sebagai rasio tegangan keluaran dibagi dengan tegangan masukan. Untuk menentukan ini secara eksperimental, kami memodifikasi analisis SPICE terakhir kami untuk memplot tegangan keluaran daripada arus keluaran sehingga kami memiliki dua plot tegangan untuk dibandingkan pada gambar di bawah.

penguat common-emitter vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

V(3), tegangan keluaran melintasi r spkr , dibandingkan dengan masukan.

Diplot pada skala yang sama (dari 0 hingga 4 volt), kita melihat bahwa bentuk gelombang keluaran pada Gambar di atas memiliki amplitudo puncak-ke-puncak yang lebih kecil daripada bentuk gelombang masukan, selain berada pada tegangan bias yang lebih rendah, tidak dinaikkan dari 0 volt seperti input. Karena penguatan tegangan untuk penguat AC ditentukan oleh rasio amplitudo AC, kita dapat mengabaikan bias DC yang memisahkan kedua bentuk gelombang. Meski begitu, bentuk gelombang input masih lebih besar dari output, yang memberi tahu kita bahwa penguatan tegangan kurang dari 1 (angka dB negatif).

Penguatan tegangan rendah bukanlah karakteristik dari semua amplifier emitor bersama. Ini adalah konsekuensi dari perbedaan besar antara input dan resistansi beban. Resistansi input (R1) di sini adalah 1000 , sedangkan beban (speaker) hanya 8 . Karena penguatan arus penguat ini hanya ditentukan oleh transistor, dan karena angka itu tetap, penguatan arus untuk penguat ini tidak akan berubah dengan variasi pada salah satu hambatan ini. Namun, penguatan tegangan adalah tergantung pada resistensi ini. Jika kita mengubah resistansi beban, menjadikannya nilai yang lebih besar, itu akan menjatuhkan tegangan yang lebih besar secara proporsional untuk rentang arus bebannya, menghasilkan bentuk gelombang keluaran yang lebih besar. Coba simulasi lain, hanya kali ini dengan beban 30 pada gambar di bawah, bukan beban 8 .

penguat common-emitter vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

Meningkatkan r_spkr hingga 30 meningkatkan tegangan keluaran

Kali ini bentuk gelombang tegangan keluaran pada gambar di atas secara signifikan lebih besar dalam amplitudo daripada bentuk gelombang masukan. Melihat lebih dekat, kita dapat melihat bahwa puncak gelombang keluaran antara 0 dan sekitar 9 volt:kira-kira 3 kali amplitudo tegangan input.

Kita dapat melakukan analisis komputer lain dari rangkaian ini, kali ini menginstruksikan SPICE untuk menganalisisnya dari sudut pandang AC, memberi kita angka tegangan puncak untuk input dan output alih-alih plot bentuk gelombang berbasis waktu. (Tabel di bawah)

Netlist SPICE untuk mencetak tegangan input dan output AC.

 penguat common-emitter vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(4,3) .frekuensi akhir v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Pengukuran tegangan puncak input dan output menunjukkan input sebesar 1,5 volt dan output sebesar 4,418 volt. Ini memberi kita rasio penguatan tegangan 2,9453 (4,418 V / 1,5 V), atau 9,3827 dB.

Pemecahan untuk penguatan tegangan:

Karena penguatan arus penguat emitor-bersama ditetapkan oleh , dan karena tegangan input dan output akan sama dengan arus input dan output dikalikan dengan resistornya masing-masing, kita dapat memperoleh persamaan untuk perkiraan penguatan tegangan:

Seperti yang Anda lihat, hasil prediksi untuk penguatan tegangan cukup dekat dengan hasil simulasi. Dengan perilaku transistor linier sempurna, kedua set angka akan sama persis. SPICE melakukan pekerjaan yang wajar untuk memperhitungkan banyak "keanehan" fungsi transistor bipolar dalam analisisnya, sehingga sedikit ketidakcocokan dalam penguatan tegangan berdasarkan output SPICE.

Keuntungan tegangan ini tetap sama di mana pun kita mengukur tegangan keluaran di sirkuit:melintasi kolektor dan emitor, atau resistor beban seri seperti yang kita lakukan dalam analisis terakhir. Jumlah tegangan keluaran ubah untuk jumlah tertentu tegangan input akan tetap sama. Pertimbangkan dua analisis SPICE berikut sebagai buktinya. Simulasi pertama pada gambar di bawah ini berbasis waktu, untuk memberikan plot tegangan input dan output. Anda akan melihat bahwa kedua sinyal berbeda fase 180o satu sama lain. Simulasi kedua pada Tabel di bawah ini adalah analisis AC, untuk menyediakan pembacaan tegangan puncak yang sederhana untuk input dan output.

penguat common-emitter vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74 m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end 

Penguat emitor umum menunjukkan penguatan tegangan dengan R_spkr =30Ω Daftar bersih SPICE untuk analisis AC

 penguat common-emitter vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v( 1,0) v(3,0) .frekuensi akhir v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

Kami masih memiliki tegangan output puncak 4,418 volt dengan tegangan input puncak 1,5 volt.

Sejauh ini, contoh rangkaian yang ditunjukkan pada bagian ini semuanya menggunakan transistor NPN. Transistor PNP sama validnya untuk digunakan seperti NPN di apa pun konfigurasi penguat, selama polaritas yang tepat dan arah arus dipertahankan, dan penguat emitor-bersama tidak terkecuali. Pembalikan keluaran dan penguatan penguat transistor PNP sama dengan penguat NPN, hanya polaritas baterai yang berbeda.

Versi PNP dari penguat emitor umum.

TINJAUAN:

• Pemancar umum penguat transistor disebut demikian karena titik tegangan input dan output berbagi ujung emitor transistor yang sama satu sama lain, tidak mempertimbangkan catu daya apa pun.
• Transistor pada dasarnya adalah perangkat DC:mereka tidak dapat secara langsung menangani tegangan atau arus yang berbalik arah. Untuk membuatnya bekerja untuk memperkuat sinyal AC, sinyal input harus diimbangi dengan tegangan DC untuk menjaga transistor dalam mode aktif sepanjang seluruh siklus gelombang. Ini disebut bias .
• Jika tegangan keluaran diukur antara emitor dan kolektor pada penguat common-emitter, tegangan tersebut akan keluar fase 180° dengan bentuk gelombang tegangan masukan. Jadi, penguat emitor-bersama disebut pembalik rangkaian penguat.
• Penguatan arus penguat transistor emitor bersama dengan beban yang dihubungkan seri dengan kolektor sama dengan . Gain tegangan penguat transistor emitor bersama kira-kira diberikan di sini:

• Di mana “Rout” adalah resistor yang dihubungkan seri dengan kolektor dan “Rin” adalah resistor yang dihubungkan secara seri dengan basis.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Amplifier BJT Kelas A