تعریف مدار اسپلیتر فاز

تعریف مدار اسپلیتر فاز:
یک مدار اسپلیتر فاز (Phase Splitter) یا جداساز فاز قادر است از یک سیگنال در ورودی، دو سیگنال را در خروجی خود تولید کند که دارای دامنه برابر هستند، اما فاز آن ها با یکدیگر اختلاف دارد.

در این مطلب قصد داریم به بررسی مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور بپردازیم.

مدار اسپلیتر فاز، یک نوع پیکربندی دیگر از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) است که یک سیگنال ورودی سینوسی تکی را به دو خروجی جداگانه تفکیک می کند که هر یک از این خروجی ها 180 درجه الکتریکی با یکدیگر اختلاف فاز دارند.

سیگنال ورودی به یک ترانزیستور در مدار اسپلیتر فاز، به ترمینال بیس آن اعمال می شود. در این مدار، یکی از خروجی ها را از ترمینال کلکتور ترانزیستور و خروجی دوم را از ترمینال امیتر آن دریافت می کنیم.

بنابراین می توان گفت که یک مدار اسپلیتر فاز ترانزیستوری یک تقویت کننده با خروجی دوگان (Dual Output Amplifier) است که در ترمینال های کلکتور و امیتر خود دو خروجی مکمل (Complementary) تولید می کند که هر کدام از این خروجی ها با یکدیگر 180 درجه اختلاف فاز دارند.

یک مدار اسپلیتر فاز تک ترانزیستوری ساختار ساده ای دارد و مباحث مقدماتی آن را قبلا در مطالب مختلف مجله فرادرس بیان نموده ایم. در واقع می توان گفت که در مدار اسپلیتر فاز، مدار معکوس کننده فاز مشخصه های تقویت کننده امیتر مشترک را با مشخصه های تقویت کننده کلکتور مشترک ترکیب می کند.

همانند تقویت کننده امیتر مشترک و تقویت کننده کلکتور مشترک، مدار اسپلیتر فاز نیز در بایاس مستقیم قرار دارد تا به عنوان یک تقویت کننده خطی کلاس A عمل کند و از اعوجاج سیگنال خروجی از مدار تا حد ممکن کاسته شود.

در این قسمت به صورت خلاصه مباحث مربوط به تقویت کننده کلکتور مشترک و امیتر مشترک را مرور می کنیم.

تقویت کننده امیتر مشترک:
مدار تقویت کننده امیتر مشترک با یک مقسم ولتاژ برای بایاس آن را می توان یکی از پرکاربردترین پیکربندی های مدارات تقویت کننده خطی دانست؛ زیرا بایاس و نیز درک عملکرد تقویت کننده امیتر مشترک بسیار ساده تر از سایر پیکربندی ها است.

سیگنال ورودی به ترمینال بیس اعمال می شود و سیگنال خروجی را می توان از دو سر مقاومت بار RL دریافت کرد که بین کلکتور و منبع تغذیه مثبت VCC متصل شده است. بنابراین امیتر بین هر دو مدار ورودی و خروجی مشترک است. نمایی از یک مدار تقویت کننده امیتر مشترک را می توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

به دلیل این که میزان تقویت کنندگی ولتاژ توسط نسبت RLRE تعیین می شود، در نتیجه مهم ترین مشخصه پیکربندی امیتر مشترک این است که یک تقویت کننده معکوس کننده محسوب می شود که 180 درجه اختلاف فاز الکتریکی بین سیگنال اصلی ورودی و سیگنال خروجی از آن ایجاد می کند.

برای این که ترانزیستور مانند یک تقویت کننده کلاس A عمل کند، مدار باید به صورتی بایاس شود که جریان خاموشی وارد شده به بیس یعنی IB ولتاژ ترمینال کلکتور را در حدود نصف مقدار ولتاژ تغذیه مدار نگه دارد.

نسبت بین دو مقاومت R1 و R2 به نحوی انتخاب می شود که ترانزیستور به درستی بایاس شود و بیشینه سیگنال خروجی غیر اعوجاجی (Undistorted) فراهم شود.

تقویت کننده کلکتور مشترک:
تقویت کننده کلکتور مشترک، از یک ترانزیستور تکی در آرایش کلکتور مشترک استفاده می کند. در این پیکربندی ترمینال کلکتور بین دو مدار ورودی و خروجی مشترک است.

سیگنال ورودی به ترمینال بیس ترانزیستور اعمال می شود و خروجی از ترمینال امیتر ترانزیستور دریافت می شود. در تصویر زیر نمایی از یک مدار تقویت کننده کلکتور مشترک نشان داده شده است.

به دلیل این که سیگنال خروجی را از مقاومت امیتر RE دریافت می کنیم، از هیچ مقاومت کلکتوری استفاده نمی شود و ترمینال کلکتور مستقیما به منبع تغذیه VCC متصل شده است.

این نوع از پیکربندی ترانزیستوری را با نام تعقیب کننده ولتاژ (Voltage Follower) یا به صورت متداول تر تعقیب کننده امیتر (Emitter Follower) نیز می شناسند؛ زیرا سیگنال خروجی این مدار، همان سیگنال ورودی را تعقیب می کند.

مهم ترین ویژگی پیکربندی کلکتور مشترک این است که این مدار در واقع یک تقویت کننده غیر معکوس کننده است؛ زیرا در این مدار سیگنال ورودی مستقیما از طریق پیوند بیس امیتر به خروجی داده می شود.

به همین دلیل است که سیگنال خروجی دقیقا دارای فاز یکسان (In-Phase) با سیگنال ورودی است. بنابراین می توان نتیجه گرفت که این پیکربندی دارای بهره ولتاژ اندکی پایین تر از یک یا واحد است.

همانند پیکربندی قبلی ترانزیستوری یعنی تقویت کننده امیتر مشترک، تقویت کننده کلکتور مشترک نیز با استفاده از شبکه مقسم ولتاژ بایاس می شود تا ولتاژ تغذیه را نصف کند و به مدار پایداری قابل قبولی را برای شرایط عملکرد DC اعطا کند.

مدار اسپلیتر فاز:
اگر پیکربندی تقویت کننده امیتر مشترک را با پیکربندی تقویت کننده کلکتور مشترک ترکیب کنیم و به صورت همزمان، هم از ترمینال کلکتور و هم از ترمینال امیتر خروجی دریافت کنیم، آن گاه قادر خواهیم بود که یک مدار ترانزیستوری در اختیار داشته باشیم که دو خروجی تولید می کند.

خروجی های این مدار دارای دامنه برابر هستند، اما نسبت به یکدیگر معکوس محسوب می شوند. یک مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور تکی قادر است خروجی های معکوس شده و غیر معکوس شده را به صورت همزمان تولید کند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار اسپلیتر فاز با استفاده از یک ترانزیستور NPN نشان داده شده است.

همان طور که قبلا اشاره شد، بهره ولتاژ در یک تقویت کننده امیتر مشترک برابر با نسبت بین مقاومت RL به مقاومت RE یعنی -RLRE است.

دلیل وجود یک علامت منفی در این رابطه، وجود تقویت کننده معکوس کننده در این مدار است. اگر مقدار این دو مقاومت با هم برابر باشد (RL=RE)، آن گاه بهره ولتاژ طبقه تقویت کننده امیتر مشترک برابر با 1- خواهد بود.

به دلیل اینکه مدار تقویت کننده کلکتور مشترک یا تعقیب کننده امیتر به صورت طبیعی دارای بهره ولتاژ غیر معکوس کننده برابر با یک یا واحد است، در نتیجه دو سیگنال خروجی از مدار اسپلیتر فاز، یعنی ولتاژ خروجی از ترمینال کلکتور و ولتاژ خروجی از ترمینال امیتر، دارای دامنه برابر با یکدیکر هستند، اما 180 درجه با یکدیگر اختلاف فاز (Out-of-Phase) دارند.

این ویژگی، مدار اسپلیتر فاز ترانزیستوری با بهره واحد را تبدیل به مداری بسیار کاربردی می کند؛ زیرا خروجی های این مدار، دو ورودی مکمل یا ضد فاز (Anti-phase) را برای یک طبقه تقویت کننده دیگر مانند تقویت کننده توان پوش پول کلاس B، فراهم می آورند.

به منظور ایجاد عملکرد صحیح در مدار اسپلیتر فاز، شبکه مقسم ولتاژی که بین منبع تغذیه و زمین متصل شده است، باید به صورتی انتخاب شود که پایداری مناسب را در شرایط DC برای نوسان (Swing) ولتاژ خروجی از هر دو ترمینال کلکتور و امیتر فراهم کند و منجر به تولید خروجی های متقارن شود.