מגבר פולט משותף

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

באלקטרוניקה, מגבר פולט משותף או מגבר 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.

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

ניוון פולט

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

המוצא של מגברי פולט משותף הוא הפוך לכניסה. מגברים אלה יכולים להיות בעלי הגבר גבוה מאוד שעשוי להשתנות באופן משמעותי 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 משום שמשוב חיובי לא מכוון שעלול להיות קיים יכול להוציא את המגבר מיציבות.

בעיות נוספות הקשורות למעגל הן הטווח הדינמי הנמוך של הקלט, שמגבלת האות הקטן מאלצת; אם האות לא קטן, העיוות גבוה משום שהטרנזיסטור מפסיק להתנהג על פי מודל האות הקטן, כלומר עקומת ההגבר שלו לא ליניארית. אחת הדרכים הנפוצות לפתור בעיות אלו היא באמצעות ניוון פולט (emitter degeneration), כלומר הוספת נגד 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 טפילי 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 (שינוי ב־DC) 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, ולא יכנס לקיטעון. לפלט מופע הפוך למופע רכיב ה-AC של הקלט שהוגבר ביחס של $R_{C}/R_{E}$ והוסט על פי ערכי ארבעת הנגדים. מכיוון שלרוב $R_{C}$ גדול, עכבת המוצא של מעגל זה יכולה להיות גבוהה באופן בלתי רגיל. כדי להקל על בעיה זו, נבחר בדרך כלל $R_{C}$ 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 התדר הרצוי. חשוב מכך, הוא מאפשר למעגל גם 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.