Fælles source

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

Fælles source, eller jordet source, er navnet på et forstærkertrin, baseret på en Felteffekttransistor. Navnet skyldes, at transistorens source-tilledning (for så vidt angår vekselstrømme, dvs. signaler) står i forbindelse med den ene "side" af både forstærkerens indgang og udgang.

Fælles source-trinnet er inverterende (dvs. leverer et udgangssignal, der er i modfase i forhold til indgangssignalet) og kan i teorien have en ubegrænset stor indgangsimpedans — i praksis fra 1 til 10 millioner ohm. Spændingsforstærkningen er til gengæld ikke særlig stor, typisk mellem 1 og 20 gange (0-26 decibel). Udgangsimpedansen er typisk af størrelsesordenen nogle få kiloohm.

[redigér] Sådan virker fælles source-trinnet

Diagram for et forstærkertrin af typen "Fælles source"

Til højre ses diagrammet for et fælles source-trin: Transistorens gate bibringes en vis spænding, der fastsættes af spændingsdeleren bestående af modstandene $R 1$ og $R 2$ . Hvis man indretter trinnet til at arbejde med 0 volt på gaten, kan man helt udelade $R 1$ og bruge en meget stor værdi for $R 2$ — fordelen ved dette er, at man kan opnå en tilsvarende stor indgangsimpedans.

Gatespændingen er en kende lavere end spændingen på source-ledningen, sådan at transistoren lader en vis strøm, kaldet hovedstrømmen, passere genmem drain og source. Denne strøm medfører et vist spændingsfald over drainmodstanden $R 3$ og sourcemodstanden $R 4$ — spændingsfaldet over sidstnævnte fastlægger samtidig spændingen ved transistorens source. Afkoblingskondensatoren $C 3$ begrænser modkoblingen i trinnet ved at begrænse små, hurtige udsving i spændingen over $R 4$ som en følge af det signal, trinnet behandler. Til gengæld vil mere langsigtede ændringer i hovedstrømmen resultere i en ændring i sourcespændingen, som vil søge at bringe transisorens strømme og spændinger tilbage mod det oprindelige arbejdspunkt.

Det signal, der skal forstærkes, føres ind gennem kondensatoren $C 1$ , kaldet indgangskondensatoren — denne kondensator nødvendiggøres af, at jævnspændingen fra signalkilden (her vist med diagramsymbolet for en tonegenerator) næsten altid har en anden jævnspænding (f.eks. 0 volt) end den, der skal være på transistorens gate. Signalet vil medføre små variationer i gatens spændinger, og derfor også i hovedstrømmen gennem transistoren. Ændringerne i hovedstrømmen medfører tilsvarende - men noget større - ændringer i spændingen over drainmodstanden $R 3$ , hvorfra udgangssignalet tages ud gennem udgangskondensatoren $C 2$

[redigér] Egenskaber

Hvis gatespændingen stiger som en følge af et stigende indgangssignal, vil hovedstrømmen samtidig stige: Dette skaber et stigende spændingsfald over $R 3$ , og da denne er tilsluttet en fast jævnspænding, vil spændingen falde der, hvor den er forbundet med udgangen; forstærkeren er altså inverterende, og udgangssignalet vil være i modfase i forhold til indgangssignalet.

[redigér] Indgangsimpedans

Da der ikke går nogen strøm i transistorens gate, afhænger indgangsimpedansen $Z i n d$ alene af den eller de modstande, der står i forbindelse med indgangen: $Z_{in} = R_1 \| R_2$ .
Er $R 1$ udeladt (fordi trinnet arbejder med en gatespænding på 0 volt), er indgangsimpedansen lig med den tilbageværende modstand $R 2$ . Dette kan føre til meget store indgangsimpedanser, idét sådan en "enlig" gatemodstand ikke skal trække nogen strøm, og derfor uden problemer kan være på flere megaohm.

[redigér] Udgangsimpedans

Udgangsimpedansen $Z u d$ afhænger af drainmodstanden $R 3$ samt af "udgangs-admittansen" i transistorens drain, $Y O S$ , idet $Z_{ud} = R_3 \| \frac{1}{Y_{OS}}$
Udgangsimpedansen er for et forstærkertrin bygget med en småsignal-transistor af størrelsesordenen nogle få kiloohm.

[redigér] Forstærkning

Spændingsforstærkningen $A u$ afhænger bl.a. af den belastning ( $R L$ på diagrammet), som udgangen skal drive. Hvis man har sat modkoblingen ud af kraft vha. $C 3$ , bliver udgangssignalet typisk en snes gange så stort som indgangssignalet. Mere præcist gælder at

$A_u = \frac{R_3 \| R_L \| \frac{1}{Y_{OS}}}{\frac{1}{Y_{FS}}}$ , hvor $\frac{1}{Y_{FS}}$ er transistorens stejlhed.

Lader man trinnet "modkoble sig selv" ved at udelade $C 3$ , bliver forstærkningen noget mindre med et udgangssignal, der blot er nogle få gange større end indgangssignalet. Der gælder at

$A_u = \frac{R_3 \| R_L \| \left ( r_4 + \frac{1}{Y_{OS}} \right )}{\frac{1}{Y_{FS}} + R_4}$ , hvor $\frac{1}{Y_{FS}}$ er transistorens stejlhed.

Er belastningen $R L$ samtidig så stor, at den ikke spiller nogen praktisk rolle, kan man beregne forstærkningen approksimativt på denne måde:

$A_u = Z_{ud} \cdot Y_{FS}$

I alle de nævnte formler repræsenterer symbolet $\|$ beregningen for parallelkobling af modstande/impedanser.

[redigér] Nedre grænsefrekvens

Skillekondensatorerne i ind- og udgang har den bivirkning, at de sætte en nedre grænse for frekvenserne i de signaler, trinnet kan bearbejde. Disse kondensatorer virker som et højpasled i samspil med ind- og udgangsimpedanserne samt den signalkilde hhv. belastning, der tilsluttes. Derfor skal disse kondensatorer have så tilpas store værdier, at denne nedre grænsefrekvens ikke får nogen praktisk betydning for anvendelsen af forstærkertrinnet.