מגבר פולט משותף

באלקטרוניקה, מגבר פולט משותף או אמיטר משותף (באנגלית: Common emitter) הוא אחת משלוש טופולוגיות מגבר טרנזיסטור ביפולרי (BJT) בסיסיות, המשמש בדרך כלל כמגבר מתח. הוא מספק הגבר זרם גבוה (בדרך כלל פי 200), התנגדות כניסה בינונית והתנגדות מוצא גבוהה. הפלט של מגבר פולט משותף הוא הפוך; כלומר עבור אות כניסה של גל סינוס, מופע אות המוצא מוזז ב־180 מעלות ביחס למופע הקלט.

איור 1: מעגל מגבר פולט משותף בסיסי העושה שימוש בטרנזיסטור NPN (פרטי הממתח מוזנחים)

במעגל זה, בסיס הטרנזיסטור משמש כקלט והקולט כפלט. הפולט נותן נקודת ייחוס משותפת לשניהם (לדוגמה, הוא עשוי להיות מחובר לאדמה או לספק כח), ומכאן שמו. מעגל ה־FET המקביל הוא מגבר המקור המשותף, ומעגל שפופרת הריק המקביל הוא מגבר הקתודה המשותפת.

ניוון פולט

איור 2: הוספת נגד פולט מפחיתה את ההגבר, אך מגבירה את ליניאריות ויציבות המגבר

מגברי פולט משותף מספקים פלט הפוך לכניסה ויכולים להיות בעלי הגבר גבוה מאוד שעשוי להשתנות מאוד בין טרנזיסטור אחד למשנהו. ההגבר הוא פונקציה הן של הטמפרטורה והן של זרם המִקדם (bias current), ולכן ההגבר בפועל הוא מעט בלתי צפוי. יציבות היא בעיה נוספת הקשורה במעגלים בעלי הגבר גבוה עקב כל משוב חיובי לא מכוון שעלול להיות קיים.

בעיות נוספות הקשורות למעגל הן הטווח הדינמי הנמוך של הקלט, שמאלצת מגבלת האות הקטן; אם האות לא קטן, העיוות גבוה משום שהטרנזיסטור מפסיק להתנהג על פי מודל האות הקטן. אחת הדרכים הנפוצות לפתור בעיות אלו היא באמצעות ניוון פולט (emitter degeneration), כלומר הוספת נגד קטן בין הפולט למקור האות המשותף (אדמה למשל). עכבה זו $R_{\text{E}}$ מפחיתה את מוליכות ההעברה (Transconductance) הכוללת $G_{m}=g_{m}=1/r_{e}$ של המעגל בגורם של $g_{m}R_{\text{E}}+1$, מה שגורם לעלייה במתח:

$A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {-g_{m}R_{\text{C}}}{g_{m}R_{\text{E}}+1}}=-{\frac {R_{C}}{R_{E}+r_{e}}}\approx -{\frac {R_{\text{C}}}{R_{\text{E}}}}$

כאשר ${\frac {R_{E}}{r_{e}}}=g_{m}R_{\text{E}}\gg 1$.

$r_{e}$ הוא התנגדות ההעברה (Transresistance) והיא נתונה על ידי $r_{e}={\frac {V_{T}}{I_{E}}}$ כאשר $V_{T}$ הוא המתח התרמי (thermal voltage) שגודלו בטמפרטורת החדר הוא כ־26 מילי־וולט, ו־$I_{E}$ הוא זרם הפולט.

אף על פי שניוון הפולט מתואר לעיתים קרובות כ"משוב שלילי", מכיוון שהוא מפחית את ההגבר, מעלה את עכבת הכניסה ומפחית את העיוות, הוא קדם להמצאת מגבר המשוב השלילי ואינו מפחית את עכבת המוצא או מגדיל את רוחב הפס כמו שמגבר משוב שלילי אמיתי יעשה.

מאפיינים

בתדרים נמוכים ושימוש במודל פאי היברידי (Hybrid-pi model) פשוט, ניתן למצוא את מאפייני האותות הקטנים הבאים:

	הגדרה	ביטוי
		עם ניוון פולט	ללא ניוון פולט; כלומר $R_{E}=0$
הגבר זרם	$A_{\text{i}}\triangleq {\frac {i_{\text{out}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$\beta \,$	$\beta$
הגבר מתח	$A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\,$	$-{\frac {\beta R_{\text{C}}}{r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}}}\,$	$-g_{m}R_{\text{C}}$
עכבת כניסה	$r_{\text{in}}\triangleq {\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}\,$	$r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}\,$	$r_{\pi }$
עכבת מוצא	$r_{\text{out}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}\,$	$R_{\text{C}}\,$	$R_{\text{C}}$

אם נגד ניוון הפולט אינו קיים, כלומר $R_{\text{E}}=0\,\Omega$, אז הביטויים מפושטים לאלה שבעמודה השמאלית (הגבר המתח הוא אידיאלי; ההגבר בפועל הוא מעט בלתי צפוי). כאשר$R_{\text{E}}\,$ גדל, עכבת הכניסה גדלה והגבר המתח $A_{\text{v}}\,$ קטֵן.

רוחב פס

רוחב הפס של מגבר פולט משותף נוטה להיות נמוך עקב קיבול גבוה הנובע מאפקט מילר. קיבול הבסיס-קולט הטפילי $C_{\text{CB}}\,$ נראה כמו קבל טפילי גדול יותר $C_{\text{CB}}(1-A_{\text{v}})\,$ (כאשר $A_{\text{v}}\,$ הוא שלילי) מכיוון הבסיס לאדמה. קבל גדול זה מקטין מאוד את רוחב הפס של המגבר מכיוון שהוא הופך את קבוע הזמן של מסנן הקלט הטפילי RC $r_{\text{s}}(1-A_{\text{V}})C_{\text{CB}}\,$ כאשר $r_{\text{s}}\,$ הוא עכבת המוצא של מקור האות המחובר לבסיס האידיאלי.

יישומים

מגבר מתח בתדר נמוך

דוגמה טיפוסית לשימוש במגבר פולט משותף מוצגת באיור 3.

איור 3: מגבר פולט משותף חד-קצה העושה שימוש בטרנזיסטור NPN עם ניוון פולט. המעגל המוצמד AC (הקבל, החוסם את כל רכיב ה־DC של אות הכניסה) פועל כמגבר מסיט רמה לאות הכניסה. ההנחה כאן היא שמפל המתח בין הבסיס לפולט הוא 0.65 וולט.

קבל הכניסה C חוסם כל רכיב DC של אות הכניסה, והנגדים $R_{1}$ ו־$R_{2}$ גורמים למפל מתח על הטרנזיסטור כך שהוא יישאר במצב פעיל לכל טווח הקלט. הפלט הוא עותק הפוך של רכיב ה-AC של הקלט שהוגבר ביחס של $R_{C}/R_{E}$ והוסט על פי ערכי כל ארבעת הנגדים. מכיוון ש־$R_{C}$ לרוב גדול, עכבת המוצא של מעגל זה יכולה להיות גבוהה באופן בלתי רגיל. כדי להקל על בעיה זו, נבחר $R_{C}$ שהתנגדותו נמוכה ככל האפשר, והמגבר מלֻווה בחוצץ מתח (voltage buffer) כמו עוקב פולט (Common collector).

רדיו

מגברי פולט משותף משמשים גם במעגלי תדר רדיו, למשל להגברת אותות חלשים הנקלטים באנטנה. במקרה זה מקובל להחליף את נגד העומס במעגל מכוונן. דבר זה עשוי להיעשות כדי להגביל את רוחב הפס לפס צר המרוכז סביב תדר הפעולה הרצוי. חשוב מכך, הוא גם מאפשר למעגל לפעול בתדרים גבוהים יותר שכן ניתן להשתמש במעגל המכוונן כדי להדהד כל קיבול בין־אלקטרודות וקיבול טפילי, שבדרך כלל מגבילים את היענות התדרים. מגברי פולט משותף משמשים בדרך כלל גם כמגברי רעש נמוך.

שמע

מגברי פולט משותף משמשים גם כמגברי שמע. לדוגמה, יישום עשה זאת בעצמך של מגבר פולט משותף מוצג בהערה זאת.

קישורים חיצוניים

• סימולציה של מעגל מגבר פולט משותף וסימולציה של מגבר טרנזיסטור פולט משותף
• תצורות מגברי BJT בסיסיות
• מגבר פולט משותף NPN – היפרפיזיקה
• ECE 327: יסודות הטרנזיסטור – דוגמה למעגל פולט משותף עם הסבר.