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 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 عمل میکنند: قطع کامل (کاملاً خاموش)، فعال (تقویتکننده) 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 گذرگاه دو قطبی npn (BJT) که برای عملکرد در منطقه فعال تنظیم شده است، جایی که گره BE به جلو بایاس شده و گره BC به عقب بایاس شده است.
در یک ترانزیستور npn، صادرکننده به شدت دوپ شده، پایه به میزان کمی دوپ شده و جمعکننده به میزان متوسط دوپ شده است. پایه باریک است، در حالی که صادرکننده گستردهتر است و جمعکننده گستردهترین است.
بایاس جلو بین انتهای پایه و صادرکننده باعث جریان کوچکی به نام جریان پایه (IB) میشود که به داخل ناحیه پایه میرود. این جریان معمولاً در محدوده میکروآمپر (μA) است، زیرا VBE معمولاً حدود 0.6 V است.
این فرآیند میتواند به عنوان حرکت الکترونها از ناحیه پایه یا تزریق سوراخها به آن دیده شود. سوراخهای تزریق شده الکترونها را از صادرکننده جذب میکنند، که منجر به ترکیب سوراخها و الکترونها میشود.
با این حال، به دلیل کمتر بودن دوپ شدن پایه نسبت به صادرکننده، تعداد بیشتری الکترون نسبت به سوراخ وجود دارد. بنابراین حتی بعد از اثر ترکیب، تعداد بیشتری الکترون آزاد خواهد بود. این الکترونها حالا از ناحیه پایه باریک عبور میکنند و تحت تأثیر بایاس بین جمعکننده و پایه به سمت انتهای جمعکننده حرکت میکنند.
این همان جریان جمعکننده IC است که به جمعکننده میرود. از این میتوان دریافت که با تغییر جریان وارد شده به ناحیه پایه (IB)، میتوان تغییرات بسیار بزرگی در جریان جمعکننده IC به دست 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. مقدار تقویت جریان میتواند به صورت ریاضی به صورت زیر بیان شود-
حالا در نظر بگیرید ترانزیستور npn با سیگنال ورودی که بین انتهای پایه و صادرکننده اعمال شده است، در حالی که خروجی از طریق مقاومت بار RC که بین جمعکننده و پایه متصل شده است، جمعآوری 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 شده است، در حالی که خروجی از طریق مقاومت بار RC که بین جمعکننده و پایه متصل شده است، جمعآوری 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 عمل میکند. در اینجا یک تغییر کوچک در ولتاژ ورودی Vin منجر به تغییر قابل توجه در جریان صادرکننده IE میشود زیرا مقاومت مدار ورودی کم است (به دلیل شرایط بایاس جلو).
این در نتیجه تغییر جریان جمعکننده در همان محدوده است به دلیل اینکه مقدار جریان پایه برای مورد مورد نظر بسیار کم است. این تغییر بزرگ در IC باعث تغییر بزرگ در ولتاژ کاهشی در مقاومت بار RC میشود که همان ولتاژ خروجی است.
بنابراین یک نسخه تقویت شده از ولتاژ ورودی در انتهای خروجی دستگاه به دست میآید که منجر به این نتیجه میشود که مدار به عنوان تقویتکننده ولتاژ عمل میکند. بیان ریاضی برای تقویت ولتاژ مرتبط با این پدیده به صورت زیر است
اگرچه توضیحات ارائه شده برای BJT npn است، اما تشابه مشابه 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 تغییرات مختلفی برای مدار تقویتکننده ترانزیستورها وجود دارد مانند
مجموعه اول: پیکربندی پایه/دروازه مشترک، پیکربندی صادرکننده/منبع مشترک، پیکربندی جمعکننده/دراز مشترک
مجموعه دوم: تقویتکنندههای کلاس A، تقویتکنندههای کلاس B، تقویتکنندههای کلاس C، تقویتکنندههای کلاس AB
مجموعه سوم: تقویتکنندههای یک مرحلهای، تقویتکنندههای چند مرحلهای، و غیره. با این حال اصل کار اساسی همیشه یکسان است.
