วงจรขยายสัญญาณขนาดเล็กคืออะไร?

 เมื่อพูดถึงวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็ก หลายคนก๊คงเข้าใจแล้วว่ามันหมายถึงวงจรขยายสัญญาณที่ แรงดันทางด้านเข้านั้นมีแรงดันต่ำ สาเหตุที่เรามีการพูดถึงกันมากในเรื่องของวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็ก กับวงจรขยายที่ใช้ทรานซิสเตอร์อยู่เสมอคือ โดยปรกติแล้วในวงจรขยายทั่วไปทางความเป็นจริงนั้นการขยายของมันจะไม่เป็นลักษณะของเชิงเส้น แต่ถ้าหากสัญญาณที่ขนาดนั้นเป็นสัญญาณยิ่งมีขนาดที่เล็กเท่าไดแล้ว ลักษณะของการไม่เป็นเชิงเส้นนั้นก๊จะยิ่งน้อยลงไปเรื่อยๆ จนเราสามารถประมาณการทำงานไห้มันมีลักษณะที่เป็นเส้นตรงได้ โดยสัญญาณขนาดเล็กที่ยังอยู่ในเกณฑ์ที่ยังสามารถไห้ทำงานแบบเส้นตรงได้ก๊ประมาณถึงสัญญาณ input ที่มีขนาดไม่เกิน 20mVpp  และวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็กจะต้องทำการจัดไบอัสไฟตรงไห้กับวงจรทรานซีสเตอร์ด้วยตลอดเวลา

 เราจะมาลองดูวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็กวงจรหนึ่ง ที่เราเรียกกันว่าวงจรขยาย class A นั่นเอง

วงจรขยาย classA เป็นวงจรที่มีความเป็น linear และใช้กับการขนาดสัญญาณ input ที่มีขนาดต่ำ ดังนั้นมันจึงเป็นวงจรขยายที่ ให้สัญญาณ output ออกมาเหมือนกับสัญญาณ input มากที่สุด แต่เมื่อมันใช้กับสัญญาณที่มีขนาดเล็ก ดังนั้น ขนาดของอัตราการขยายของมันก๊จะต่ำที่สุดในบรรดาวงจรขยาย class อื่นๆ

มักจะถูกนำไปใช้งานในวงจรขยายที่ต้องการ output ออกมาเหมือน input มากที่สุด

พื้นฐานการออกแบบวงจรขยาย classA

 ในที่นี่สมมุติว่าเราใช้ transistor เบอร์ 2N2222A ซึ่งเป็นเบอร์ที่เรารู้จักกันดี คุณสมบัติของมันที่เราต้องคำนึงถึงคือ

1. Id - เป็นทรานซิสเตอร์แบบ NPN  silicon 
2. Pd - 0.5W หมายถึงมันไห้กำลังสูงสุดไดั 500mW
3. Vce - 40V หมายถึงการใช้งานเราจะต้องใช้ dc supply ที่จ่ายไห้ไม่เกิน 50% คือ 20V
4. Ic - 0.8A หมายถึงกระแสที่ collector จะต้องไม่เกิน 800 mA.
5. Hfe - 100 @ Ic of 150 mA อัตราการขยายของทรานซิสเตอร์ตัวนี้คือ 100 เท่า
6. Ft - 300 Mhz หมายถึงเมื่อมันถูกนำไปขนาดที่สัญญาณ input ถึง 300 Mhz อัตราการขยาย Hfe จะลดลง 1 เท่า
7. Case - TO-18 คือชนิดของ package

กฎข้อที่ 1 อย่าเชื่อถือในเรื่องของ spec ที่เป็น datasheet ทั้งหมดเพราะเป็น spec ที่เกิดจากทางวิชาการ แต่ทางปฎิบัติแล้วค่าต่างๆอาจจะไม่เป็นไปตาม spec นั้นเช่นในเรื่อง Hfe แล้ว 2N2222A บางตัวอาจจะมี gain ที่แตกต่างกันไป จาก 60-170 เท่า สำหรับสัญลักษณ์ 2|N2222A มีลักษณะดังรูป

กฎข้อที่ 2 อย่ากลับขาของ transistor เป็นอันขาด และสำหรับวงจร Class A ของเรานั้น เราจะใช้วงจรที่มีลักษณะดังรูป ซึ่งการวิเคราหะวงจร ทรานซิสเตอร์ก๊จะมีสองแบบคือ วงจร DC และ AC  Model และ AC อย่างเดียว

       สิ่งที่เราจะต้องทำเป็นอันดับแรกก๊คือการจัด biasทางด้านDC  ซึ่งการจัดการไบอัสสำหรับ Class A ก๊คือต้องทำไห้ แรงดันระหว่างรอยต่อ  เบสและอิมิตเตอร์(Vbe)มีแรงดัน ประมาณ     0.65 ถึง 0.7V(สำหรับชนิด  Silicon) และวงจรสำหรับการคิดแบบ dc นั้น     ตรงสว่นที่เป็น capacitor นั้นจะไม่ถูกนำมาคิดเพราะจะไม่มีผลกับไฟ DC ดังรูป

       จากรูปเราใช้แรงดัน DC ที่เป็น supply คือ  12V  เราสามารถนำควณค่าของ R1 และ  R2  คือ

[R2/(R1 + R2)] * 12V = แรงดันที่ขาเบส-กราวด์(Vb)

ถ้าหากเราใช้ 82K for R1 และ 39K for R2 จะได้แรงดันที่เบสคือ

[39K/(82K + 39K)] * 12V = 3.87V (d.c.)

และจะได้กระแสืที่ไหลผ่าน R1 คือ

   Ib = 12/ (R1 + R2) = 0.1 mA (rounding up slightly)

กระแสที่ไหลผ่าน อีมิตเตอร์ ควรจะมากกว่า base  currentอยู่มากกว่าb  ase current อยู่ 5-10 เท่าในที่นี้เลือกค่ ากลางคือ 7   ดังนั้นกระแส ie คือ 0.7mA

จากที่บอกว่าแรงดันที่ baseจะต้องมากกว่าแรงดันที่ emitter ประมาณ 0.65V . จากการออกแบบที่เราได้แรงดันที่ base 3.87V ดังนั้นแรงดันที่ emitter จะเป็น (3.87 - 0.65) = 3.22V. และกระแสที่ไหลผ่าน emitter คือ 0.7 mA ดังนั้นจะต ้องใช้ R3  เท่ากับ

    Re = 3.22/.0007A = 4600 ohms

       ค่า 4600 อาจจะไม่มีขายในตลาดเราสามารถไปหาค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงคือ 4K7 ได้

ค่าของ R4  ซึ่งเราอาจจะเรียกว่าเป็น  load resistance  บางครั้ง R4 อาจจะแทนที่ด้วย choke หรือ tranformer หรือ  resonant  circuit

       เราจะไห้กระที่ emitter(ie)และกระแสที่Collecter(ic)มีค่าเท่ากัน ดังนั้นเราจะได้

      แรงดัน Emitter =Vcc - (Ic * RL) 

     3.22=Vcc - (Ic * RL) 

       3.22=   12V - (0.0007A * R4)

เราจะได้ค่าของ resirtor R4      คือ 6800 ohm

ต่อไปสิ่งที่เราต้องทำการคำนวนต่อไปก๊คือ ค่าของ capacitance ซึ่งมีความจำเป็นสำหรับในเรื่องของการ coupling สัญญาณทาง AC และมันจะไม่ยอมไห้แรงดันไฟที่เป็น DC ผ่านเข้าไปได้ โดยใช้ C1 coupling สัญญาณทางด้านเข้าและ C3 coupling ทางด้านออก

ในส่วนนี้เราจะไม่ทำการคำนวณเพียงแต่เลือกค่าที่เหมาะสมที่สุดจากการทดลอง ในที่นี้เราเลือกใช้ค่า  0.82uF ซึ่งจะมีค่าของ impedance 650ohm ที่ 300Hz( Xc=1/(2*3.14*f*C)  และมีค่า    65 ohm ที่ 3000Hz สิ่งที่ต้องคำนึงคือ            ค่าของXc จะต้องมีค่าต่ำๆเพื่อที่สัญญาณจะได้สามารถผ่านได้อย่างสะดวก ถ้าเลือกใช้งานชนิดของ c แบบ electrolysis ก๊จะต้องต่อขั้วให้ถูกต้อง

       C2  เป็น  capacitor ที่เราต่อซึ่งเราเรียกว่า Emitter degenerate ซึ่งถ้าคิดทางด้าน AC แล้วมันจะเป็น ตัวที่เพื่อมอัตราการขยายไห้สูงขึ้นได้ C ตัวสุดท้ายคือที่ต่อกับ Vcc  ลงground สามารถที่จะใช้ค่า เดียวกันได้ทั้งหมดและตัวสุดท้ายคือ R5 ซึ่งต่อกับ       supply ควรใช้ค่าต่ำๆในที่นี้ใช้  33ohm