#43 تابع المصدر: فائدة العزل رغم كسب أقل من واحد

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

1. 1. مضخم مفيد بكسب أقل من واحد

   

   الكسب أقل من⁦1⁩؛ لماذا نضيف تابعا بدلا من وصل الحمل مباشرة؟

   نقارن الجهد الواصل إلى الحمل نفسه لا كسب الترانزستور بلا حمل

   نص الشرح الصوتي

   قد يبدو مضخم جهد بكسب أقل من واحد مخيبا للآمال. فلماذا نضعه بين مولد إشارة وحمل؟ نبدأ بالمهمة كاملة: إيصال إشارة إلى ذلك الحمل. يمكننا توصيل الحمل مباشرة، أو إدخال تابع مصدر بينهما. المقارنة المفيدة هي الجهد الذي يصل فعليا إلى الحمل نفسه في الحالتين، لا الكسب دون حمل المكتوب بجوار الترانزستور. سنرى كيف يمكن لسحب تيار قليل من الدخل وتوفير مقاومة خرج أقل أن يجعلا الترتيب الثاني أكثر فائدة.

2. 2. مضخم مفيد بكسب أقل من واحد

   

   دخل البوابة وخرج المصدر والمصرف أرضي متناوب؛ لا نتجاوز R_S

   R_G مسار رجوع مستمر والربط يعزل المولد والحمل عن الانحياز؛ مصرف مشترك

   نص الشرح الصوتي

   في تابع المصدر تكون البوابة هي الدخل، وطرف المصدر هو الخرج. يتصل المصرف مباشرة بالتغذية الثابتة، التي تصبح أرضي المتناوب في نموذج الإشارة الصغيرة. تصل آر إس المصدر بالأرضي. لا نتجاوزها بمكثف هنا، لأن تغير جهد المصدر هو خرجنا نفسه. توفر آر جي مسار رجوع انحياز البوابة المستمر. ويفصل مكثفا ربط الدخل والخرج مولد الإشارة والحمل الخارجيين عن الانحياز المستمر. يسمى هذا الترتيب أيضا المصرف المشترك، لأن المصرف هو مرجع الإشارة المشترك.

3. 3. يتبع الخرج الدخل بفضل التغذية الراجعة

   

   جهاز استنزاف: ⁦V_TH=−2 V; k=1 [mA]/V⁩² يتضمن النصف؛ ⁦R_S=1 kΩ; V_DD=12 V⁩

   $\displaystyle I_{\mathrm{DQ}}=1 \left[\mathrm{mA}\right]; V_{S}=1 V; V_{\mathrm{GS}}=-1 V; V_{\mathrm{DS}}=11 V>V_{\mathrm{OV}}=1 V$

   ⁦g_m=2 mS⁩؛ مقاومة محلية محددة بصورة مستقلة ⁦r_o=50 kΩ⁩

   نص الشرح الصوتي

   يستخدم مثالنا الإضافي موسفت استنزاف بقناة إن، لأن البوابة المربوطة بصفر مستمر مع مصدر موجب تحتاج إلى عتبة سالبة لكي توصل. نختار عتبة سالب فولتَين، وكيه بمقدار ملي أمبير واحد لكل فولت مربع، وآر إس بمقدار واحد كيلو أوم، وتغذية اثني عشر فولت. يتضمن كيه عامل النصف. يعطي انحياز التربيع الصالح واحد ملي أمبير، وجهد مصدر فولت واحد، وجهد بوابة إلى مصدر سالب فولت واحد. جهد المصرف إلى المصدر أحد عشر فولت، أعلى بوضوح من الجهد الزائد البالغ فولت واحدا. الناقلية المتبادلة المحلية اثنان ملي سيمنز. ونحدد بصورة منفصلة مقاومة خرج محلية مقدارها خمسون كيلو أوم.

4. 4. يتبع الخرج الدخل بفضل التغذية الراجعة

   ارتفاع البوابة يرفع المصدر فيقل جهد التحكم v_gs؛ تغذية راجعة سالبة

   ⁦v_g=v_gs+v_o⁩؛ R_S ∥ r_o لأرضي المتناوب؛ يتبع الخرج بمقدار أقل

   نص الشرح الصوتي

   نرفع الآن إشارة البوابة. يميل تيار المصرف المتحكم فيه إلى الزيادة، فيرفع جهد المصدر عبر آر إس. لكن ارتفاع المصدر يُطرح من تغير جهد البوابة إلى المصدر الذي سببه. هذه تغذية راجعة سالبة محلية. تساوي إشارة البوابة مجموع إشارة البوابة إلى المصدر والخرج. نحتفظ بآر أو المحدودة في النموذج: لأن المصرف أرضي المتناوب، تصل كل من آر أو وآر إس الخرج بأرضي الإشارة. يتبع الخرج البوابة في الاتجاه نفسه، لكن بمقدار أصغر. يستجيب الترانزستور لفرق جهد، لا لجهد البوابة وحده.

5. 5. يتبع الخرج الدخل بفضل التغذية الراجعة

   $\displaystyle R_{\mathrm{eff}}=R_{S} ∥ r_{o}; A_{v}=\frac{g_{m} R_{\mathrm{eff}}}{1+g_{m} R_{\mathrm{eff}}}$

   ⁦A_v=g_m/(g_m+1/R_S+1/r_o); 0<A_v<1⁩؛ نحتفظ بالمقاومة المحدودة

   نص الشرح الصوتي

   نسمي آر إس على التوازي مع آر أو مقاومة المصدر الفعالة. يعطي التيار المتحكم فيه مضروبا في تلك المقاومة جهد الخرج. نعوض عن إشارة البوابة إلى المصدر بإشارة البوابة ناقص الخرج، ثم نجمع حدود الخرج. يصبح الكسب جي إم في المقاومة الفعالة، مقسوما على واحد مضافا إليه حاصل الضرب نفسه. وبصورة مكافئة، هو جي إم مقسومة على مجموع جي إم ومقلوب آر إس ومقلوب آر أو. هذه الناقليات موجبة، ولذلك يكون الكسب موجبا وأقل من واحد. آر أو اللا نهائية حد تقريبي منفصل، وليست الدائرة ذات المقاومة المحدودة التي اشتققناها الآن.

6. 6. مقاومة دخل مرتفعة وخرج منخفضة

   

   دخل المضخم الكامل ⁦R_in=R_G=1 MΩ⁩ لا البوابة المجردة المفتوحة

   تقسم ⁦R_sig=100 kΩ⁩ الخارجية الدخل؛ تختلف وظائف R_G وR_S وR_sig

   نص الشرح الصوتي

   لا تستقبل بوابة الموسفت المثالية تيار إشارة، لكن دخل المضخم يتضمن آر جي. مع تقريب الربط في الحزمة المتوسطة، تكون مقاومة الدخل إذن آر جي. نختار لها واحد ميغا أوم. وما زالت مقاومة المولد الخارجية تشكل مقسم دخل مع هذه المقاومة؛ فعزل البوابة لا يعني انعدام تحميل الدائرة كلها. سنستخدم في المقارنة العملية مقاومة مولد مقدارها مئة كيلو أوم، لذلك يصل معظم جهد المولد إلى البوابة، لكن ليس كله. آر جي وآر إس ومقاومة المولد الخارجية ثلاث مقاومات مختلفة، لكل منها وظيفة مختلفة.

7. 7. مقاومة دخل مرتفعة وخرج منخفضة

   

   نفصل الحمل ونصفر دخل البوابة ونبقي المصدر المعتمد:

   $\displaystyle v_{\mathrm{gs}}=-v_{\mathrm{test}}$

   $\displaystyle R_{\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{R_{S}}+\frac{1}{r_{o}}+g_{m}}\approx 331.1 \Omega$

   نص الشرح الصوتي

   لإيجاد مقاومة الخرج، نفصل الحمل الخارجي ونصفر دخل البوابة المستقل. لا نوقف مصدر التيار المعتمد. نطبق جهد اختبار عند خرج المصدر. تكون البوابة عند صفر إشارة، لذلك يصبح جهد البوابة إلى المصدر سالب جهد الاختبار، وليس صفرا. يساوي تيار الاختبار المطلوب جهد الاختبار مضروبا في مجموع مقلوب آر إس ومقلوب آر أو وجي إم. إذن مقاومة الخرج هي التوازي بين آر إس وآر أو ومقلوب جي إم. بقيمنا تبلغ نحو ثلاثمئة وواحد وثلاثين فاصلة واحد أوم. المصدر المعتمد هو سبب انخفاض النتيجة عن آر إس وحدها.

8. 8. نقارن المولد والحمل نفسيهما

   

   المقام بلا حمل ⁦2+1+0.02=3.02 mS⁩؛ ⁦A_v≈+0.662⁩

   بوابة ⁦+1 [mV] →⁩ مصدر ⁦+0.662 [mV]⁩؛ الباقي ⁦v_gs≈0.338 [mV]⁩

   يتبع المصدر دون بلوغ تغير البوابة؛ جميعها تغيرات حول الانحياز

   نص الشرح الصوتي

   نقود البوابة أولا بمولد جهد مثالي، ونترك حمل الخرج الخارجي مفصولا. مقام صيغة الناقليات هو اثنان مضافا إليه واحد وصفر فاصلة صفر اثنين ملي سيمنز. تعطي قسمة اثنين على ثلاثة فاصلة صفر اثنين كسبا موجبا يقارب صفر فاصلة ستة ستة اثنين. لذلك يعطي تغير بوابة موجب بمقدار ملي فولت واحد نحو موجب صفر فاصلة ستة ستة اثنين ملي فولت عند خرج المصدر. يبقى تغير البوابة إلى المصدر نحو صفر فاصلة ثلاثة ثلاثة ثمانية ملي فولت. راقب كيف يتبع المصدر البوابة دون بلوغ تغيرها كله. هذه كلها تغيرات صغيرة حول الانحياز القائم.

9. 9. نقارن المولد والحمل نفسيهما

   

   يضيف الحمل R_L=1 kΩ ناقلية1 mS:

   $\displaystyle A_{\mathrm{loaded}}=\frac{2}{4.02}\approx 0.498$

   ⁦R_sig=100 kΩ; R_G=1 MΩ →⁩ كسر البوابة⁦10/11⁩

   المولد نفسه⁦1 [mV]⁩ يعطي الحمل≈⁦+0.452 [mV]⁩؛ الربط يحفظ الانحياز

   نص الشرح الصوتي

   نوصل الآن حملا مقداره واحد كيلو أوم عبر مكثف ربط. يضيف واحد ملي سيمنز آخر عند خرج المصدر، فيصبح الكسب من البوابة إلى الخرج اثنين مقسوما على أربعة فاصلة صفر اثنين، أي نحو صفر فاصلة أربعة تسعة ثمانية. ونضيف مقاومة مولد الإشارة البالغة مئة كيلو أوم عند الدخل. مع آر جي البالغة واحد ميغا أوم، تستقبل البوابة عشرة أجزاء من أحد عشر جزءا من إشارة المولد. نضرب العاملين. تعطي إشارة مولد موجبة بمقدار ملي فولت واحد نحو موجب صفر فاصلة أربعة خمسة اثنين ملي فولت عبر الحمل. لا يغير أي من مكثفي الربط نقطة التشغيل المستمرة في مقارنة الحزمة المتوسطة المثالية هذه.

10. 10. نقارن المولد والحمل نفسيهما

    

    مباشرة من مولد⁦100 kΩ⁩ إلى حمل⁦1 kΩ⁩: الكسر⁦1/101⁩؛ ⁦v_load≈0.0099 [mV]⁩

    يوصل التابع≈⁦0.452 [mV]⁩، أكثر من⁦40⁩ ضعفا رغم كسبه الذاتي الأقل من⁦1⁩

    يعزل المولد الضعيف عن الحمل الثقيل؛ الطاقة من تغذية المستمر

    نص الشرح الصوتي

    نقارن ذلك بإزالة التابع وتوصيل مقاومة المولد نفسها، مئة كيلو أوم، مباشرة بالحمل نفسه، واحد كيلو أوم. يستقبل الحمل جزءا من مئة وواحد من إشارة المولد: نحو صفر فاصلة صفر صفر تسعة تسعة ملي فولت عندما يكون جهد مولدنا ملي فولت واحدا. بدلا من ذلك يوصل التابع نحو صفر فاصلة أربعة خمسة اثنين ملي فولت، أي أكثر من أربعين ضعفا في هذا المثال. ومع ذلك يبقى كسب جهده الذاتي أقل من واحد. يفيد لأنه يعزل المولد الضعيف عن الحمل الثقيل. تدعم تغذية المستمر الطاقة الواصلة إلى الحمل؛ ولا ينشئها مقسم جهد سلبي.

11. 11. ما يستطيع التابع فعله وما لا يستطيع

    ليس مولد جهد مثاليا؛ كسب أقل من⁦1⁩ ومقاومة خرج وتيار وهامش جهد محدودان

    نهمل تأثير الجسم والتسرب والسعة؛ لنموذج r_o المحلي حدود تردد وانحياز

    نص الشرح الصوتي

    تابع المصدر ليس مولد جهد مثاليا. يبقى كسبه أقل من واحد، ومقاومة خرجه غير صفرية، وتخفض الأحمال الأثقل الخرج أكثر. التيار المتاح وهامش الجهد محدودان. وقد تخرج التغيرات الكبيرة الجهاز من منطقة التشبع المفترضة. قد يظهر أيضا تأثير الجسم والتسرب والسعة في الأجهزة الفعلية، وكلها مستبعدة من نموذجنا المحلي المعروض. تحتفظ المذكرة الأصلية بآر أو المحدودة، وفعلنا الشيء نفسه. مثال انحياز التربيع وآر أو المحلية المحددة بصورة مستقلة تقريب تفسيري، لا محاكاة كاملة للترانزستور. تحقق من المجال الترددي ونقطة التشغيل قبل تعميم النتائج.

12. 12. ما يستطيع التابع فعله وما لا يستطيع

    الجواب: الحمل نفسه يستقبل⁦0.0099 [mV]⁩ مباشرة مقابل⁦0.452 [mV]⁩ مع التابع

    دخل عالي المقاومة وخرج أقل مقاومة؛ الهدف إشارة مفيدة للحمل لا كسب كبير بلا حمل

    نص الشرح الصوتي

    نعود إلى سؤال البداية: لماذا نستخدم مرحلة بكسب جهد أقل من واحد؟ انظر إلى الحمل نفسه في ترتيبينا. أوصل الربط المباشر نحو صفر فاصلة صفر صفر تسعة تسعة ملي فولت، بينما أوصل التابع نحو صفر فاصلة أربعة خمسة اثنين ملي فولت. تتجنب مقاومة دخله المرتفعة التحميل الشديد للمولد، وتنتج تغذية المصدر الراجعة مقاومة خرج أقل. داخل التابع، يرتفع المصدر مع البوابة لكن بمقدار أصغر، فيبقى فرق البوابة إلى المصدر الذي يدفع التيار المطلوب. لم يكن الهدف العملي كسبا كبيرا دون حمل، بل إشارة مفيدة عبر حمل فعلي.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #43 | لماذا نستخدم تابع مصدر بكسب أقل من واحد؟ (9:03)