The common-emitter amplifier: bias, gain and clippingวงจรขยายแบบอิมิตเตอร์ร่วม: ไบแอส อัตราขยาย และการตัดยอด

Bias a transistor in the middle of its load line, feed in a small sine wave and get a large, inverted copy out. Then push the input until the output distorts and clips.ไบแอสทรานซิสเตอร์ไว้กลางเส้นโหลด ป้อนคลื่นไซน์ขนาดเล็ก แล้วได้สัญญาณที่ใหญ่และกลับเฟสออกมา จากนั้นเพิ่มอินพุตจนเอาต์พุตผิดเพี้ยนและถูกตัดยอด

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Step 1: the DC bias point

An amplifier first needs a quiet operating point in the middle of the active region, so the signal can swing both ways. A voltage divider R1–R2 holds the base at a fixed voltage, and the emitter resistor RE sets the current: VE = VB − 0.7 V, so IE = VE/RE. Because this hardly depends on β, the bias stays put when the transistor is swapped.

VTH = VCC·R2/(R1 + R2),   RTH = R1 ∥ R2
IB = (VTH − VBE) / (RTH + (β + 1)·RE)
IC = β·IB,   VCE = VCC − IC·RC − IE·RE

Step 2: small-signal gain

For a small signal, the transistor looks like an emitter resistance re = VT/IE in series with whatever emitter resistance the signal sees. The collector current change flows through RC in parallel with the load RL (the coupling capacitors pass the signal but block DC), so the gain is the ratio of the two resistances, with a minus sign: the output is inverted.

re = VT / IE ≈ 25.9 mV / IE
Av = −(RC ∥ RL) / (re + RE,ac)
Rin = R1 ∥ R2 ∥ (β + 1)(re + RE,ac)

The bypass capacitor

A capacitor CE across RE shorts it for the signal but not for DC. With it (RE,ac = 0) the gain is large, −RC∥RL/re, but depends on re, which changes with current: big signals distort. Without it (RE,ac = RE) the gain falls to about −RC∥RL/RE, but becomes predictable and much more linear. That trade of gain for stability is negative feedback.

Distortion and clipping

The signal moves the operating point along the AC load line. Push too far and it runs into a wall: cutoff, where the collector current reaches zero and the output’s top flattens, or saturation, where VCE reaches about 0.2 V and the bottom flattens. Even before clipping, a bypassed stage distorts, because the collector current is exponential in VBE. Biasing Q in the middle of the AC load line gives the largest clean swing.

Worked example (the simulator’s default values)

  1. VCC = 12 V, R1 = 100 kΩ, R2 = 22 kΩ, RC = 4.7 kΩ, RE = 1 kΩ, RL = 10 kΩ, β = 100.
  2. VTH = 12 × 22/122 = 2.16 V, RTH = 18.0 kΩ → IC = 1.26 mA; VB = 1.94 V, VE = 1.28 V, VC = 6.06 V, VCE = 4.79 V.
  3. re = 25.9 mV/1.28 mA = 20.3 Ω; RC ∥ RL = 3.20 kΩ.
  4. Bypassed: Av = −3.20 k/20.3 ≈ −156 (43.9 dB). A 2 mV input gives about 0.31 V out.
  5. Unbypassed: Av = −3.20 k/(20.3 + 1000) ≈ −3.1, and Rin rises from 1.84 kΩ to 15.3 kΩ.
  6. Bypassed with 10 mV in: the output reaches −1.91 V but only +1.30 V, already visibly distorted; by 50 mV it clips.

Common mistakes

  • Forgetting the load. The gain uses RC ∥ RL, not RC alone.
  • Including RE in the gain when it is bypassed, or leaving it out when it is not.
  • Biasing near one end of the load line. The output then clips on that side long before the other.

Common questions

What is the voltage gain of a common-emitter amplifier?

Av ≈ −(RC ∥ RL)/(re + RE,ac), where re = VT/IE ≈ 26 mV/IE. With the emitter resistor bypassed RE,ac = 0 and the gain is large; unbypassed it is about −RC/RE. The minus sign means the output is inverted.

Why use voltage-divider bias?

It fixes the base voltage and lets the emitter resistor set the current, so the Q-point barely depends on β, which varies from transistor to transistor.

What causes clipping in a transistor amplifier?

The output can only swing until the transistor reaches cutoff (IC = 0) or saturation (VCE ≈ 0.2 V). A signal larger than that has its peaks flattened.

ขั้นที่ 1: จุดไบแอสไฟตรง

วงจรขยายต้องมีจุดทำงานขณะไม่มีสัญญาณอยู่กลางย่านแอกทีฟก่อน สัญญาณจึงแกว่งได้ทั้งสองทาง วงจรแบ่งแรงดัน R1–R2 ตรึงแรงดันเบสไว้ และตัวต้านทานอิมิตเตอร์ RE กำหนดกระแส: VE = VB − 0.7 V ดังนั้น IE = VE/RE เพราะค่านี้แทบไม่ขึ้นกับ β จุดไบแอสจึงคงที่เมื่อเปลี่ยนทรานซิสเตอร์

VTH = VCC·R2/(R1 + R2),   RTH = R1 ∥ R2
IB = (VTH − VBE) / (RTH + (β + 1)·RE)
IC = β·IB,   VCE = VCC − IC·RC − IE·RE

ขั้นที่ 2: อัตราขยายสัญญาณขนาดเล็ก

สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก ทรานซิสเตอร์ดูเหมือนความต้านทานอิมิตเตอร์ re = VT/IE ต่ออนุกรมกับความต้านทานอิมิตเตอร์ที่สัญญาณมองเห็น กระแสคอลเลกเตอร์ที่เปลี่ยนไปไหลผ่าน RC ที่ขนานกับโหลด RL (ตัวเก็บประจุคัปปลิงให้สัญญาณผ่านแต่กั้นไฟตรง) อัตราขยายจึงเป็นอัตราส่วนของความต้านทานทั้งสอง โดยมีเครื่องหมายลบ: เอาต์พุตกลับเฟส

re = VT / IE ≈ 25.9 mV / IE
Av = −(RC ∥ RL) / (re + RE,ac)
Rin = R1 ∥ R2 ∥ (β + 1)(re + RE,ac)

ตัวเก็บประจุบายพาส

ตัวเก็บประจุ CE ที่ต่อคร่อม RE จะลัดวงจร RE สำหรับสัญญาณแต่ไม่ลัดสำหรับไฟตรง เมื่อมี CE (RE,ac = 0) อัตราขยายสูง −RC∥RL/re แต่ขึ้นกับ re ซึ่งเปลี่ยนตามกระแส สัญญาณขนาดใหญ่จึงผิดเพี้ยน เมื่อไม่มี CE (RE,ac = RE) อัตราขยายลดลงเหลือประมาณ −RC∥RL/RE แต่คาดเดาได้และเป็นเชิงเส้นมากขึ้น การแลกอัตราขยายกับความเสถียรนี้คือการป้อนกลับเชิงลบ

ความผิดเพี้ยนและการตัดยอด

สัญญาณเลื่อนจุดทำงานไปตามเส้นโหลด AC ถ้าเลื่อนไกลเกินไปจะชนขีดจำกัด: คัตออฟ ที่กระแสคอลเลกเตอร์เป็นศูนย์และยอดบนของเอาต์พุตแบน หรืออิ่มตัว ที่ VCE ลดลงถึงประมาณ 0.2 V และยอดล่างแบน แม้ก่อนถูกตัดยอด วงจรที่บายพาสก็ผิดเพี้ยนแล้ว เพราะกระแสคอลเลกเตอร์เป็นเอกซ์โพเนนเชียลของ VBE การไบแอส Q ไว้กลางเส้นโหลด AC ให้การแกว่งที่สะอาดได้กว้างที่สุด

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. VCC = 12 V, R1 = 100 kΩ, R2 = 22 kΩ, RC = 4.7 kΩ, RE = 1 kΩ, RL = 10 kΩ, β = 100
  2. VTH = 12 × 22/122 = 2.16 V, RTH = 18.0 kΩ → IC = 1.26 mA; VB = 1.94 V, VE = 1.28 V, VC = 6.06 V, VCE = 4.79 V
  3. re = 25.9 mV/1.28 mA = 20.3 Ω; RC ∥ RL = 3.20 kΩ
  4. มีบายพาส: Av = −3.20 k/20.3 ≈ −156 (43.9 dB) อินพุต 2 mV ให้เอาต์พุตประมาณ 0.31 V
  5. ไม่มีบายพาส: Av = −3.20 k/(20.3 + 1000) ≈ −3.1 และ Rin เพิ่มจาก 1.84 kΩ เป็น 15.3 kΩ
  6. มีบายพาสและอินพุต 10 mV: เอาต์พุตลงถึง −1.91 V แต่ขึ้นเพียง +1.30 V ผิดเพี้ยนให้เห็นแล้ว และที่ 50 mV ถูกตัดยอด

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ลืมโหลด อัตราขยายใช้ RC ∥ RL ไม่ใช่ RC อย่างเดียว
  • รวม RE ในอัตราขยายเมื่อมีบายพาส หรือไม่รวมเมื่อไม่มีบายพาส
  • ไบแอสไว้ใกล้ปลายด้านใดด้านหนึ่งของเส้นโหลด เอาต์พุตจะถูกตัดยอดด้านนั้นก่อนอีกด้านมาก

คำถามที่พบบ่อย

อัตราขยายแรงดันของวงจรขยายอิมิตเตอร์ร่วมเป็นเท่าใด?

Av ≈ −(RC ∥ RL)/(re + RE,ac) โดย re = VT/IE ≈ 26 mV/IE เมื่อบายพาสตัวต้านทานอิมิตเตอร์ RE,ac = 0 อัตราขยายจะสูง เมื่อไม่บายพาสจะประมาณ −RC/RE เครื่องหมายลบหมายถึงเอาต์พุตกลับเฟส

ทำไมจึงใช้ไบแอสแบบแบ่งแรงดัน?

ช่วยตรึงแรงดันเบสและให้ตัวต้านทานอิมิตเตอร์กำหนดกระแส จุด Q จึงแทบไม่ขึ้นกับ β ซึ่งต่างกันไปในทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

อะไรทำให้เกิดการตัดยอดในวงจรขยายทรานซิสเตอร์?

เอาต์พุตแกว่งได้จนกว่าทรานซิสเตอร์จะถึงคัตออฟ (IC = 0) หรืออิ่มตัว (VCE ≈ 0.2 V) สัญญาณที่ใหญ่กว่านั้นจะถูกตัดยอดให้แบน