ترانزیستور

ترانزیستور دو قطبی

ترانزیستور دو قطبی یک وسیله نیمه‌هادی است که می‌تواند برای روشن کردن یا تقویت استفاده شود.

در آموزش دیودها دیدیم که دیود های ساده از دو قطعه مواد نیمه هادی تشکیل شده اند تا یک اتصالات – PN  ساده ایجاد کنند.

همچنین در مورد خصوصیات و ویژگی های آنها آموختیم.

اگر ما هم اکنون دو دیود یک سیگنال مجزا را به هم متصل کنیم، دو نقطه اتصال را به هم متصل می‌کند که در مجموعه‌ای که یک پایانه مشترک P یا N را به اشتراک می‌گذارند به هم متصل می‌شوند.

تلفیق این دو دیود:

• یک لایه سه
• دو اتصال
• سه دستگاه ترمینال

را تشکیل می دهد و اساس یک transistor اتصال دو قطبی یا BJT را به صورت کوتاه ایجاد می کند.

ترانزیستور ها سه ابزار فعال ترمینال هستند .از مواد نیمه‌هادی مختلف ساخته شده‌اند.

می‌توانند به عنوان یک عایق و یا یک هادی با استفاده از یک ولتاژ سیگنال کوچک عمل کنند.

توانایی ترانزیستور برای تغییر بین این دو حالت، آن را قادر می‌سازد دو عملکرد اساسی داشته باشد:

“سوییچینگ” (الکترونیک دیجیتال)یا “تقویت” (الکترونیک آنالوگ). آنگاه ترانزیستورهای دوقطبی توانایی عمل در سه ناحیه مختلف را دارند.

• منطقه فعال – ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل می کند و Ic = β * Ib
• اشباع – transistor “کاملاً روشن” به عنوان سوئیچ و Ic = I (اشباع) کار می کند
• برش – ترانزیستور “کاملاً خاموش” به عنوان سوئیچ و Ic = 0 کار می کند

واژه ترانزیستور ترکیبی از دو کلمه (Transfer-Varistor) است که نحوه عملکرد آنها را در روزهای ابتدایی توسعه الکترونیک شرح می‌دهد.

دو‌نوع اساسی ساخت ترانزیستور دو ‌قطبی‌،‌PNP‌و‌NPN وجود دارد‌که اساساً ترتیب‌فیزیکی مواد نیمه‌هادی از‌نوع‌P و‌N را که از‌آنها ساخته می‌شود‌، توصیف می‌کند.

ساخت و ساز پایه Bipolar Transistor از دو محل اتصال PN تشکیل شده‌است که از سه پایانه اتصال استفاده می‌کنند.

در هر ترمینال نامی برای شناسایی آن از دو مورد دیگر وجود دارد.

این سه ترمینال به ترتیب:

• Emitter (E)
• Base (B)
• Collector (C)

شناخته شده و برچسب گذاری شده اند.

ترانزیستورهای دو قطبی دستگاههای تنظیم کننده جریان هستند که میزان جریان جاری شده از طریق آنها از Emitter به پایانه های کلکتور را متناسب با میزان ولتاژ بایاس اعمال شده در ترمینال پایه خود کنترل می کنند ، بنابراین مانند یک سوئیچ کنترل شده جریان عمل می کنند.

به عنوان یک‌جریان کوچک که وارد ترمینال پایه می‌شود‌،‌یک جریان جمع‌کننده بسیار‌بزرگتر را کنترل می‌کند و اساس‌عمل ترانزیستور‌را تشکیل می‌دهد.

اصل عملکرد دو نوع ترانزیستور PNP و NPN ، دقیقاً با هم تفاوت دارد.

 تفاوت آنها در بایوس بودن و قطبی بودن منبع تغذیه برای هر نوع است.

ساخت ترانزیستور دو قطبی

ساختار و نمادهای مدار برای هر دو ترانزیستور دو قطبی PNP و NPN در بالا نشان داده شده است .

فلش در نماد مدار همیشه مسیر “جریان معمولی” را بین ترمینال پایه و ترمینال امیتر نشان می دهد.

جهت فلش همیشه از‌منطقه نوع‌P مثبت به منطقه منفی‌N نوع برای هر دو‌نوع ترانزیستور‌، دقیقاً مشابه با نماد‌دیود استاندارد اشاره‌می‌کند.

تنظیمات ترانزیستور دو قطبی

از آنجا که ترانزیستور دو قطبی یک وسیله نقلیه سه ترمینال است ، اساساً سه روش ممکن برای اتصال آن در یک مدار الکترونیکی وجود دارد که یک ترمینال هم برای ورودی و هم برای خروجی مشترک است.

هر‌ روش‌اتصال به سیگنال‌ورودی خود در یک‌مدار متفاوت پاسخ می‌دهد زیرا خصوصیات استاتیک ترانزیستور با هر ترتیب مدار متفاوت است.

• پیکربندی پایگاه مشترک – افت ولتاژ دارد، اما هیچ افزایش فعلی ندارد
• پیکربندی مشترک Emitter – دارای جریان فعلی و ولتاژ است.
• پیکربندی کلکتور مشترک – دارای سود فعلی است اما هیچ ولتاژ دیگری ندارد.

پیکربندی پایه های مشترک (CB)

همان‌طور که نام آن نشان می‌دهد، در‌پیکربندی پایگاه‌مشترک یا پایه‌مبنا،‌اتصال BASE هم برای سیگنال‌ورودی و هم سیگنال خروجی مشترک است.

سیگنال‌ورودی بین پایه ترانزیستور و ترمینال‌های ساطع کننده اعمال می‌شود،‌در‌حالی که سیگنال‌خروجی مربوطه بین پایه و ترمینال‌های جمع‌کننده آورده شده‌است.

ترمینال پایه زمین است یا می تواند به برخی از نقاط ولتاژ مرجع ثابت وصل شود.

جریان ورودی جاری به ساطع کننده به ترتیب برابر با مجموع مقدار جریان اصلی و جمع‌کننده است.

بنابراین خروجی فعلی کلکتور کم‌تر از ورودی جاری جریان است که منجر به افزایش جریان برای این نوع مدار “۱” (اتحاد)یا کم‌تر، به عبارت دیگر پیکربندی پایگاه مشترک موجب “تضعیف کردن” سیگنال ورودی می‌شود.

مدار ترانزیستور پایه مشترک

این نوع پیکربندی تقویت‌کننده یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ غیر‌وارونه است‌، به این ترتیب که ولتاژهای سیگنال‌Vin و Vout‌‌در فاز هستند.

این نوع از آرایش ترانزیستور به دلیل ویژگی‌های افزایش غیر معمول آن، بسیار رایج نیست.

خصوصیات ورودی آن نشان‌دهنده یک‌دیود متمایل به جلو است در‌حالی که مشخصه‌های خروجی نشان‌دهنده آن است که یک‌دیود نوری روشن‌شده‌است.

همچنین این نوع از پیکربندی ترانزیستور دوقطبی دارای نسبت بالایی از خروجی به مقاومت ورودی یا مهم‌تر از آن “مقاومت بار” (RL)به “مقاومت” (Rin)است که به آن ارزش “افزایش مقاومت” می‌دهد.

سپس بهره ولتاژ (Av)برای پیکربندی پایگاه مشترک به صورت زیر داده می‌شود.

افزایش ولتاژ پایه عمومی

جایی که: Ic / Ie سود فعلی است ، آلفا (α) و RL / Rin افزایش مقاومت است.

مدار پایه مشترک معمولاً فقط به دلیل پاسخ فرکانس بالای بسیار خوب ، فقط در مدارهای تقویت کننده تک مرحله ای از قبیل تقویت کننده میکروفون یا آمپلی فرکانس رادیویی (Rƒ) استفاده می شود.

پیکربندی امیتر مشترک (CE)

در پیکربندی مشترک emitter و یا grounded emitter ، سیگنال ورودی بین پایه و ساطع کننده اعمال می‌شود.

در حالی که خروجی از بین جمع‌کننده و ساطع کننده نشان داده می‌شود.

این نوع پیکربندی متداول‌ترین مدار برای تقویت‌کننده های مبتنی بر ترانزیستور ها است و بیانگر روش‌”عادی” اتصال ترانزیستور دو قطبی است.

پیکربندی تقویت کننده امیتر بیشترین میزان افزایش جریان و توان را از هر سه تنظیمات ترانزیستور دو قطبی تولید می‌کند.

این امر عمدتاً به این دلیل است که امپدانس ورودی کم است.

زیرا به یک اتصال PN متمایل به جلو متصل است.

در حالی که امپدانس خروجی بسیار زیاد است زیرا از یک اتصال PN- وارونه معکوس گرفته می شود.

مدار تقویت کننده امیتر مشترک

در‌این نوع پیکربندی ، جریان جاری شده از transistor باید برابر با جریانهایی باشد که به داخل ترانزیستور جریان می‌یابد.

زیرا جریان امیترر به عنوان Ie = Ic + Ib بیان می شود.

از آنجا که مقاومت بار (RL) به صورت سری با کلکتور متصل می شود ، سود فعلی پیکربندی ترانزیستور emitter مشترک بسیار بزرگ است زیرا این نسبت Ic / Ib است.

نماد سود فعلی ترانزیستور ها سمبل یونانی بتا ، (β) است.

همانطور که جریان امیترر برای یک پیکربندی emitter معمولی به عنوان Ie = Ic + Ib تعریف می شود.

با توجه به نماد یونانی α‌، نسبت Ic / Ie را Alpha می نامیم.

توجه: ارزش آلفا همیشه از واحد کمتر خواهد بود.

رابطه الکتریکی بین این سه جریان ، Ib ، Ic و Ie با ساخت فیزیکی ترانزیستور مشخص می شود.

هرگونه تغییر جزئی در جریان پایه (Ib) ، باعث تغییر بسیار بزرگتری در جریان جمع کننده (Ic) خواهد شد. .

سپس تغییرات کوچک در جریان جاری شده در پایه باعث می شود جریان در مدار امیتر-جمع کننده کنترل شود.

به طور معمول، بتا دارای مقدار بین ۲۰ و ۲۰۰ برای بیشتر ترانزیستورهای هدف است.

بنابراین اگر یک ترانزیستور دارای مقدار بتا = ۱۰۰ باشد، یک الکترون از ترمینال پایه برای هر ۱۰۰ الکترون که بین پایانه جمع‌کننده ایجاد می‌شود جریان پیدا می‌کند.

با ترکیب حالت‌های آلفا،‌α‌و‌β‌، رابطه ریاضی بین این پارامترها و در‌نتیجه بهره جریان ترانزیستور را می‌توان به‌صورت زیر مشخص کرد:

جایی که:‌”Ic” جریان جاری در‌ترمینال کلکتور است‌، “Ib” جریان جاری در پایانه پایه و “Ie” جریان جاری از‌پایانه امیتر است.

این نوع از پیکربندی ترانزیستور دوقطبی دارای مقاومت ظاهری ورودی، جریان و قدرت ورودی بیشتر از پیکربندی پایگاه مشترک است، اما بهره ولتاژ آن بسیار پایین‌تر است.

پیکربندی emitter یک مدار تقویت کننده معکوس است.

این بدان معنی است که سیگنال‌خروجی حاصل از آن دارای یک تغییر فاز 180o با‌توجه به سیگنال ولتاژ ورودی است.

پیکربندی جمع کننده مشترک (CC)

در تنظیمات جمع کننده مشترک یا پیکربندی جمع کننده زمین ، کلکتور از طریق منبع به زمین متصل می شود.

بنابراین ترمینال جمع کننده برای ورودی و خروجی مشترک است.

سیگنال‌ورودی مستقیماً به ترمینال پایه وصل می‌شود‌، در‌حالی که سیگنال‌خروجی همانطور که نشان داده‌شده‌است از سراسر مقاومت بار‌گیرنده گرفته می‌شود.

این نوع پیکربندی معمولاً به عنوان یک ولتاژ دنبال کننده یا مدار دنبال کننده امیتر شناخته می شود.

جمع‌کننده مشترک، یا پیکربندی پیرو emitter برای کاربردهای تطبیق امپدانس بسیار مفید است.

زیرا امپدانس ورودی بسیار بالا، در منطقه صدها هزار اهمی، در حالی که امپدانس ورودی نسبتا پایینی دارند.

مدار ترانزیستور کلکتور مشترک

پیکربندی فرستنده مشترک تقریباً برابر با ارزش β خود ترانزیستور است.

با این‌حال در‌پیکربندی جمع‌کننده مشترک‌،‌مقاومت در‌برابر بار به‌صورت‌سری با ترمینال امیترمتصل می‌شود بنابراین جریان آن برابر با جریان امیتر است.

از آنجا که جریان emitter ترکیبی از جمع کننده و جریان پایه است ، مقاومت در برابر بار در این نوع پیکربندی ترانزیستور هم جریان جمع کننده و هم جریان ورودی پایه را دارد که از طریق آن جریان دارد. سپس سود فعلی مدار به شرح زیر است:

افزایش جریان کلکتور مشترک

این نوع پیکربندی ترانزیستور دو‌قطبی یک‌مدار غیر‌معکوس است به این دلیل که ولتاژهای سیگنال Vin و Vout “در فاز” هستند.

پیکربندی جمع کننده مشترک دارای افزایش ولتاژ در حدود “1” (افزایش واحد) است.

بنابراین می تواند به عنوان باتری ولتاژ در نظر گرفته شود زیرا افزایش ولتاژ واحد است.

مقاومت بار ترانزیستور جمع کننده مشترک ، هر دو جریان پایه و کلکتور را به دست می آورد و به این ترتیب جریان بزرگی (مانند پیکربندی امیتر مشترک) را دریافت می کند.

 بنابراین تقویت جریان خوب با افزایش ولتاژ بسیار کمی را فراهم می کند.

با نگاهی به سه نوع مختلف تنظیمات ترانزیستور دو قطبی ، اکنون می توانیم روابط مختلف بین ترانزیستورها جریانهای DC جداگانه را که در هر پا جریان دارد و دستاوردهای جریان DC آن را که در جدول زیر آمده است خلاصه کنیم.

رابطه بین جریانهای DC و دستاوردها

توجه داشته باشید که اگرچه ما در اینجا به پیكربندی های NPN Bipolar Transistor توجه كرده ایم ، ترانزیستور ها PNP به همان اندازه قابل استفاده هستند كه در هر پیكربندی قابل استفاده هستند زیرا محاسبات همه یكسان است ، همانطور كه برای عدم برگشت سیگنال تقویت شده. تنها تفاوت در قطب ولتاژ و جهت جریان خواهد بود.

خلاصه ترانزیستور دوقطبی

سپس برای جمع‌بندی، رفتار ترانزیستور های دو قطبی در هر یک از پیکربندی‌های مدار بالا بسیار متفاوت است و ویژگی‌های مدار متفاوتی را با توجه به مقاومت ظاهری ورودی، مقاومت ظاهری خروجی و بدست آوردن این که آیا این افزایش ولتاژ است، بدست آوردن جریان یا افزایش قدرت، و این در جدول زیر خلاصه شده‌است.

تنظیمات ترانزیستور دو قطبی

با خصوصیات کلی تنظیمات مختلف ترانزیستور که در جدول زیر آورده شده است:

Characteristic	Common Base	Common Emitter	Common Collector
Input Impedance	Low	Medium	High
Output Impedance	Very High	High	Low
Phase Shift	0o	180o	0o
Voltage Gain	High	Medium	Low
Current Gain	Low	Medium	High
Power Gain	Low	Very High	Medium

در‌آموزش بعدی پیرامون ترانزیستور دو‌قطبی،‌هنگام استفاده در‌تنظیمات امیتر معمولی به عنوان یک آمپلی‌فایر‌،‌NPN ترانزیستور را با‌ جزئیات بیشتری بررسی خواهیم‌کرد.

زیرا این پیکربندی به دلیل انعطاف پذیری و افزایش زیاد ، بیشترین کاربرد را دارد.

ما همچنین منحنی های ویژگی های خروجی را که معمولاً با مدارهای تقویت کننده در ارتباط است به عنوان تابعی از جریان جمع کننده به جریان پایه ترسیم می کنیم.