بخشی از مقاله
ترانزيستور
12.1 مقدمه
در فصل گذشته با ساختمان اتمي كريستال‌هاي نيمه هادي و اتصال PN آشنا شديم. در اين فصل به مطالعه يكي ديگر از قطعات مهم اكترونيكي يعني ترانزيستور مي‌پردازيم. در ترانزيستور پيوندي هم الكترون‌ها و هم حفره‌ها در ايجاد جريان دخالت دارند. بدين لحاظ اين نوع ترانزيستور را پيوندي دو قطبي BJT (Bipolar Junction Transistor) مي‌نامند. در بخش اول اين فصل به بررسي ساختمان ترانزيستور مي‌پردازيم و بخش‌هاي بعدي را به عملكرد ترانزيستور در مدارات تقويت كننده اختصاص خواهيم داد.
12.2 ساختمان ترانزيستور
يك ترانزيستور پيوندي از سه كريستال نيمه هادي نوع N و P كه در كنار هم قرار مي‌گيرند، تشكيل شده است. با توجه به نحوه قرار گرفتن نيمه‌هادي‌ها در كنار هم ترانزيستور به دو صورت NPN و
PNP خواهند بود. در شكب 12.1 ترانزيستورهاي PNP و NPN بطور شماتيك نشان داده شده است. در مدارات الكترونيكي ترانزيستورهاي NPN و PNP را با علامت اختصاري شكل 12.2 نمايش مي‌دهد. پايه‌هاي خروجي ترانزيستور به ترتيب اميتر (منتشر كننده)، بيس (پايه) و كلكتور (جمع كننده) نام دارد. اميتر (Emiter) را با حرف E، بيس (Base) را با حرف B و كلكتور (Collector) را با حرف C نشان مي‌دهند.
شكل 12.1 نمايش شماتيك ساختمان ترانزيستور
12.3 تغذيه (باياسينگ) ترانزيستور
براي اينكه بتوان از ترانزيستور به عنوان تقويت كننده استفاده نمود، ابتدا بايد ترانزيستور را از نظر ولتاژ dc تغذيه نمود. عمل تغذيه ولتاژ پايه‌هاي ترانزيستور را باياسينگ مي‌نامند. براي درك اين مطالب ترانزيستور باياس شده شكل 12.3 را مورد مطالعه قرار مي‌دهيم. اين نحوه باياتس ترانزيستور را اصطلاحاً باياس در ناحيه فعال مي‌نامند. در اكثر تقويت كننده‌هاي خطي ترانزيستور در ناحيه فعال باياس مي‌شود. در ناحيه فعال اتصال بيس ـ اميتر به صورت مستقيم و اتصال كلكتور ـ بيس به
صورت معكوس باياس مي‌گردد. براي اينكه بتوانيم از ترانزيستور به عنوان تقويت كننده سيگنال‌هاي الكتريكي و يا .... استفاده كنيم، بايد ترانزيستور را با ولتاژ dc تغذيه نمود. در هرحالت، ولتاژهايي كه به قسمت‌هاي مختلف ترانزيستور بايد اعمال شود، فرق مي‌كند. ولتاژي كه بين پايه‌هاي بيس و اميتر قرار مي‌گيرد، با VBE نشان مي‌دهند و مقدار آن برابر 7/0 ولت مي‌باشد. ولتاژي كه در
قسمت كلكتور ـ بيس قرار مي‌گيرد با VCB، ولتاژي كه بين كلكتور ـ اميتر وصل مي‌شود با VCE نشان مي‌دهيم. شكل 12.4 ولتاژهاي قسمت‌هاي مختلف ترانزيستور را نشان مي‌دهد.
شكل 12.2 علامت مداري ترانزيستور
شكل 12.3 باياس ترانزيستور PNP در ناحيه فعال
12.4 جريان ترانزيستور
جرياني كه از كلكتور عبور مي‌كند با IC و جرياني كه از بيس عبور مي‌كند با IB و جرياني كه از اميتر عبور مي‌كند را با IE نشان مي‌دهند. همانطور كه در شكل 12.3 نشان داده شده است، جرياني كه از اميتر عبور مي‌كند به دو انشعاب تقسيم مي‌شود. قسمت بسيار كمي از جريان از بيس و قسمت اعظم آن از كلكتور عبور مي‌كند. لذا جريان اميتر برابر است با:
IE = IB + IC (1.2)
معادله جريان كلكتور در ناحيه فعال به صورت زير مي‌باشد:
IC = βIB (2.12)
كه در آن β بهره جريان اميتر مشترك مي‌نامند. معمولاً وقتي ترانزيستور در ناحيه فعال باشد، جريان كلكتور با جريان اميتر متناسب است. ضريب اين تناسب را با α نشان مي‌دهند.
شكل 12.4 نمايش ولتاژهاي مختلف ترانزيستور
IC = αIE (3.12)
مقدار α براي ترانزيستورهاي مختلف بين 9/0 تا 98/0 تغيير مي‌كند و به آن بهره جريان سيگنال بزرگ مدار بيس مشترك مي‌نامند.
12.5 منحني مشخصه خروجي ترانزيستور
در مدار اميتر مشترك (بعداً توضيح داده خواهد شد) منحني مشخصه خروجي ترانزيستور، رابطه بين جريان و ولتاژ خروجي (ICE, VCE) به ازاي مقادير مختلف جريان ورودي (IB) را نشان مي‌دهد. در شكل 12.5 منحني مشخصه خروجي ترانزيستور نمايش داده شده است. مشخصه خروجي ترانزيستور در اين مدار را مي‌توان به سه ناحيه فعال، قطع و اشباع تقسيم‌بندي نمود.
ناحيه فعال: ناحيه‌اي است كه در ان اتصال بيس ـ اميتر در حالت هدايت و اتصال كلكتور ـ بيس در حالت قطع باشت. بخش بالاي IB1=0 و سمت راست خط VCEVCE(sat)=0.1V را ناحيه فعال تشكيل مي‌دهد. در اين ناحيه ترانزيستور تقريباً به صورت خطي عمل مي‌كند. معمولاً براي ترانزيستور سيليكن VCE(sat)=0.2V و براي ترانزيستور ژرمانيم VCE(sat)=0.1V درنظر گرفته مي‌شود.
ناحيه قطع: ناحيه‌اي است كه در آن هر دو اتصال بيس ـ اميتر و كلكتور ـ بيس در حالت قطع باشد. در اين حالت در كلكتور، هيچ جرياني نبوده و IC=0 مي‌باشد. در مشخصه خروجي ناحيه قطع، ناحيه زير منحني IB1=0 است.
ناحيه اشباع: ناحيه‌اي است كه در آن هر دو اتصال كلتور ـ بيس و بيس ـ اميتر ترانزيستور در حالت هدايت باشند. ناحيه اشباع در سمت چپ خط‌چين عمودي قرار دارد.
شكل 12.5 مشخصه خروجي ترانزيستور در مدار اميتر مشترك
شكل 12.6 نمايش تقويت كننده
12.6 ترانزيستور به عنوان تقويت كننده
ترانزيستور مي‌تواند سيگنال‌هاي ضعيف را به سيگنال‌هاي قوي تبديل نمايد. اين عمل به صورت خاصي در ترانزيستور انجام شده و به آن عمل تقويت كنندگي مي‌گويند. فرض كنيم به طور كلي يك تقويت كننده شامل دستگاهي باشد كه به ورودي آن سيگنال الكتريكي داده شود و از خروجي آن، سيگنال تقويت شده را دريافت نماييم. اين تقويت كننده در شكل 12.6 نشان داده شده است.
اگر در تقويت كننده از يك ترانزيستور استفاده نماييم، از آنجايي كه ترانزيستور سه پايه بيشتر ندارد، لذا بايد يكي از پايه‌ها را بين ورودي و خروجي مشترك بگيريم. اگر پايه اميتر را بين ورودي و خروجي مشترك بگيريم، تقويت كننده اميتر مشترك و اگر بيس ورودي و خروجي مشترك باشد، تقويت كننده بيس مشترك و اگر كلكتور بين ورودي و خروجي مشترك باشد، تقويت كننده را كلكتور مشترك مي‌نامند. هر يك از تقويت كننده‌هاي فوق مي‌توانند جريان، ولتاژ و يا هر دو را تقويت نمايند. شكل 12.7 به طور ساده هر سه نوع تقويت كننده را نشان مي‌دهد. در شكل‌‌هاي فوق مدارات مربوط
رسم نشده‌اند و شكل‌ها فقط نشان دهنده اشتراك پايانه‌ها مي‌باشد تقويت كننده اميتر مشترك بيشترين كاربرد را در انواع تقويت كننده دارد، زيرا اين تقويت كننده علاوه بر تقويت ولتاژ، جريان را نيز تقويت مي‌كند. بنابراين در اين فصل تقويت كننده اميتر مشترك را مورد توجه قرار مي‌دهيم.
مثال 12.1: در مدار شكل 12.8 براي ترانزيستور بكار رفته β=100, VBE=0.7V مي‌باشد. مطلوب است محاسبه VCE, IC.
حل: با نوشتن معادله KVL در حلقه ورودي، جريان IB را محاسبه مي‌نماييم.
شكل 12.7 نمايش حالت‌هاي مختلف تقويت كننده‌هاي ترانزيستور
شكل 12.8 مدار مثال 12.1
در ناحيه فعال جريان كلكتور برابر است با:
IC=ΒiB=100*0.1=10mA
براي محاسبه VCE معادله KVL را براي حلقه خروجي چنين مي‌نويسيم:
-VCC+RCIC+VCE=0
VCE=VCC-ICRC=20-1*10=10V
12.7 تقويت كننده اميتر مشترك
براي اينكه بتوانيم يك سيگنال الكتريكي را از نظر دامنه و يا جريان تقويت نماييم، بايد ابتاد تقويت كننده را از نظر ولتاژ dc تغذيه نموده، سپس سيگنال را به ورودي وصل كرده و از خروجي تقويت كننده سيگنال تقويت شده را دريافت نماييم. در شكل 12.9 يك مدار تقويت كننده اميتر مشترك نشان داده شده است. در اين مدار خازن‌هاي C1, C3 خازن‌هاي كوپلاژ نام دارند و عمل آنها
جلوگيري از عبور جريان DC مي‌باشد. C2 خازن باي پاس نام دارد و عمل آن، عبور سيگنال‌هاي متناوب به زمين مي‌باشد. مقاومت‌هاي R1, R2 به عنوان مقسم ولتاژ به منظور تامين ولتاژ بيس مي‌باشند. مقاومت RL به منظور تغذيه مورد نياز كلكتور و همچنين به عنوان بار خروجي بكار رفته است. مدار معادل سيگنال اين تقويت كننده در شكل 12.10 نمايش داد شده است. در اين شكل مقاومتا RB معادل تركيب موازي R1, R2 مي‌باشد.
شكل 12.9 مدار يك تقويت كننده اميتر مشترك
12.8 مدل تقريبي هيبريد ترانزيستور
براي محاسبه مشخصات تقويت كننده اميتر مشترك از قبيل بهره ولتاژ (AV) و بهره جريان (Ai) شكل 12.9، در مدار معادل ac شكل 12.10 بجاي ترانزيستور مدل تقريبي هيبريد آن را جايگزين نموده و از روش‌هاي متداول تجزيه و تحليل مدارهاي خطي استفاده مي‌كنيم.
شكل 12.10 مدار معادل ac تقويت كننده شكل 12.9
مدل تقريبي هيبريد ترانزيستور در حالت اميتر مشترك در شكل 12.11 نشان داده شده است كه در آن Ri مقاومت ورودي مي‌باشد. مدار معادل سيگنال كوچك 12.10 با استفاده از مدل تقريبي هيبريد اميتر مشترك در شكل 12.12 نمايش داده شده است.
شكل 12.11 مدل تقريبي هيبريد ترانزيستور در حالت اميتر مشترك
بهره ولتاژ (AV): منظور از بهره ولتاژ نسبت ولتاژ خروجي VO به ولتاژ ورودي Vi مي‌باشد. پس:
(4.12)
در مدار شكل 12.12 داريم:
VO=-βIbRL (5.12)
به طوري كه:
(6.12)
بنابراين بهره ولتاژ چنين بيان مي‌شود:
(7.12)
شكل 12.12 مدار معادل سيگال كوچك شكل 12.9
بهره جريان (Ai): بهره جريان به صورت نسبت جريان خروجي به جريان ورودي تعريف مي‌شود:
(8.12)
جريان خروجي برابر است با:
IO=-βIb (9.12)
اما نسبت با تقسيم جريان چنين بدست مي‌آيد:
(10.12)
بنابراين:
(11.12)
مثال 12.2: مدار شكل 12.9 را درنظر بگيريد. فرض كنيد Ri=1.1KΩ, R2=30KΩ, R1=60KΩ, β=100, RL=1.1KΩ باشد. مطلوب است محاسبه Ai, AV.
حل: با استفاده از معادله 12.7 داريم:
و از معادله 12.11 داريم:
ترانزيستور پيوندي دو قطبي BJT يكي از مهمترين ادوات الكتروينكي است. مسائل اين فصل به روابط بين جريان‌هاي ترانزيستور و نوشتن معادلات KVL در مدارهاي ترانزيستوري مربوط مي‌شود. تقويت كننده‌هاي تك ترانزيستوري و روش كلي تحليل سيگنال ـ كوچك يك مدار الكترونيكي با گذاشتن مدار معادل سيگنال ـ كوچك از ديگر مطالب اين فصل است.
مسائل
1. در مدار شكل 12.13 ترانزيستور داراي VBE=0.7V, β=100 مي‌باشد. IC و VCE را محاسبه نماييد.
2. در مدار شكل 12.14 با فرض اينكه VBE=0.7, β=100 مي‌باشد. IC و VCE را محاسبه نماييد.
3. در مدار شكل 12.15 با فرض اينكه VBE=0.7V, β=200 باشد، مقادير IC و VCE را محاسبه نماييد.
4. در مدار شكل 12.16 با فرض اينكه VBE=0.7V, β=100 مي‌باشد. IC و VCE را محاسبه نماييد.
5. در مدار شكل 12.17 ترانزيستور داراي VBE=0.7V, β=100 مي‌باشد. VCE را محاسبه نماييد.
6. در مدار تقويت كننده شكل 12.18 ترانزيستور داراي Ri=1100Ω, β=100 و VBE=0.7V مي‌باشد.
الف) مدار معادل dc آن را رسم نماييد.
ب) مدار معادل ac آن را رسم نماييد.
ج) مدار معادل سيگنال كوچك آن را رسم كنيد.
د) بهره ولتاژ را محاسبه نماييد.
