ترانزیستور به عنوان تقویت کننده

تعریف ترانزیستور

ترانزیستور به عنوان دستگاه نیمه‌رسانا با سه انتهای (صادرکننده، پایه و جمع‌کننده) و دو گره (پایه-صادرکننده و پایه-جمع‌کننده) تعریف می‌شود.

ترانزیستور یک دستگاه نیمه‌رسانا با سه انتهای صادرکننده (E)، پایه (B) و جمع‌کننده (C) است. این دستگاه دارای دو گره است: پایه-صادرکننده (BE) و پایه-جمع‌کننده (BC). ترانزیستورها در سه منطقه کار می‌کنند: قطع (کاملاً خاموش)، فعال (توسعه‌دهنده) و اشباع (کاملاً روشن).

وقتی ترانزیستورها در منطقه فعال عمل می‌کنند، آنها به عنوان تقویت‌کننده عمل می‌کنند و قدرت سیگنال ورودی را بدون تغییر قابل توجه افزایش می‌دهند. این رفتار به دلیل حرکت حامل‌های بار است. در نظر بگیرید یک ترانزیستور گره‌ای دو قطبی npn (BJT) که برای عمل در منطقه فعال تنظیم شده است، جایی که گره BE به طور مستقیم سوئیچ شده و گره BC به طور معکوس سوئیچ شده است.

در یک ترانزیستور npn، صادرکننده به طور زیادی دوپ شده، پایه به طور نسبتاً کم دوپ شده و جمع‌کننده به طور متوسط دوپ شده است. پایه باریک است، در حالی که صادرکننده گسترده‌تر و جمع‌کننده گسترده‌ترین است.

سوئیچ مستقیم بین انتهای پایه و صادرکننده باعث می‌شود جریان کوچکی (IB) به داخل منطقه پایه جریان یابد. این جریان معمولاً در محدوده میکروآمپر (μA) است، زیرا VBE معمولاً حدود 0.6 V است.

این فرآیند می‌تواند به عنوان حرکت الکترون‌ها از منطقه پایه یا تزریق سوراخ‌ها به آن دیده شود. سوراخ‌های تزریق شده الکترون‌ها را از صادرکننده جذب می‌کنند و منجر به ترکیب سوراخ‌ها و الکترون‌ها می‌شوند.

با این حال، به دلیل کمتر بودن دوپ کردن پایه نسبت به صادرکننده، تعداد بیشتری الکترون نسبت به سوراخ وجود دارد. بنابراین حتی بعد از اثر ترکیب، تعداد بیشتری الکترون آزاد خواهد ماند. این الکترون‌ها اکنون از منطقه پایه کوچک عبور می‌کنند و تحت تأثیر سوئیچ بین جمع‌کننده و پایه به سمت انتهای جمع‌کننده حرکت می‌کنند.

این همان جریان جمع‌کننده IC است که به داخل جمع‌کننده می‌رود. از این می‌توان دریافت که با تغییر جریان وارد شده به منطقه پایه (IB)، می‌توان تغییرات بسیار زیادی در جریان جمع‌کننده IC بدست آورد. این همان تقویت جریان است که منجر به این نتیجه می‌شود که ترانزیستور npn در منطقه فعال خود به عنوان تقویت‌کننده جریان عمل می‌کند. میزان تقویت جریان را می‌توان به صورت ریاضی به صورت زیر بیان کرد:

حالا در نظر بگیرید ترانزیستور npn با سیگنال ورودی که بین انتهای پایه و صادرکننده اعمال می‌شود، در حالی که خروجی از مقاومت بار RC که بین جمع‌کننده و پایه متصل شده است، جمع می‌شود، مانند آنچه در شکل 2 نشان داده شده است.

حالا در نظر بگیرید ترانزیستور npn با سیگنال ورودی که بین انتهای پایه و صادرکننده اعمال می‌شود، در حالی که خروجی از مقاومت بار RC که بین جمع‌کننده و پایه متصل شده است، جمع می‌شود، مانند آنچه در شکل 2 نشان داده شده است.

همچنین توجه داشته باشید که ترانزیستور همیشه با استفاده از منابع ولتاژ مناسب، V EE و VBC، در منطقه فعال خود کار می‌کند. در اینجا یک تغییر کوچک در ولتاژ ورودی Vin باعث تغییر قابل توجه در جریان صادرکننده IE می‌شود، زیرا مقاومت مدار ورودی کم است (به دلیل شرایط سوئیچ مستقیم).

این در نتیجه تغییر جریان جمع‌کننده در همان محدوده به دلیل اینکه مقدار جریان پایه برای مورد مورد نظر بسیار کم است. این تغییر بزرگ در IC باعث می‌شود ولتاژ بزرگی در مقاومت بار RC که همان ولتاژ خروجی است، سقوط کند.

بنابراین یک نسخه تقویت شده از ولتاژ ورودی در انتهای خروجی دستگاه دریافت می‌شود که منجر به این نتیجه می‌شود که مدار به عنوان تقویت‌کننده ولتاژ عمل می‌کند. عبارت ریاضی برای میزان تقویت ولتاژ مرتبط با این پدیده به صورت زیر است:

اگرچه توضیحات ارائه شده برای BJT npn است، اما همان تحلیل برای BJT pnp نیز صدق می‌کند. با توجه به همین اصول، می‌توان عمل تقویت‌کننده ترانزیستورهای دیگر مانند ترانزیستور اثر میدانی (FET) را توضیح داد. همچنین باید توجه داشت که تعداد زیادی از تغییرات مدار تقویت‌کننده ترانزیستورها وجود دارد مانند

مجموعه اول: پیکربندی پایه/گیت مشترک، پیکربندی صادرکننده/منبع مشترک، پیکربندی جمع‌کننده/دراین مشترک

مجموعه دوم: تقویت‌کننده‌های کلاس A، تقویت‌کننده‌های کلاس B، تقویت‌کننده‌های کلاس C، تقویت‌کننده‌های کلاس AB

مجموعه سوم: تقویت‌کننده‌های تک مرحله‌ای، تقویت‌کننده‌های چند مرحله‌ای و غیره. با این حال، اصل کار پایه‌ای همچنان همان است.