موضوع مقاله: بایاس ترانزیستور دوقطبی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # بایاس ترانزیستور دوقطبی | مقدمه: در مدارهای ساخته‌شده با قطعات مجزا (مدارهای گسسته)،معمولاً از شبکه‌های بایاس متشکل‌ از مقاومت بکارمی‌روند. | ## بخش 1: بایاس ترانزیستور دوقطبی | چیدمان بسیار پیچیده‌ٔ بایاس‌سازی در مدارهای مجتمع استفاده می‌شود؛ به عنوان مثال، مرجع ولتاژ شکاف‌باندی و آینه‌های جریان. پیکربندی تقسیم ولتاژ با استفاده از مقاومت‌ها در الگوهای خاص، به ولتاژهای صحیح دست می‌یابد. با انتخاب مقدار مناسب مقاومت، می‌توان سطح پایدار جریانی را بدست آورد که فقط کمی با دما و با مشخصه‌های ترانزیستور مانند β تغییرمی‌کند. نقطه کار یک قطعه، همچنین به عنوان نقطه بایاس، نقطه ساکن یا نقطه-Q شناخته می‌شود، نقطه‌ای مشخصه خروجی است که جریان کلکتور (Ic) را برحسب ولتاژ DC کلکتور-امیتر (Vce) نشان می‌دهد (بدون سیگنال ورودی اعمال شده). الزامات مدار بایاس مدار بایاس نقطه کار ترانزیستور را برای تغییرات در مشخصات ترانزیستور و دمای کاری تثبیت می‌کند. بهره ترانزیستور می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای بین بتاهای مختلف متفاوت باشد، که این امر باعث ایجاد نقاط کار بسیار متفاوت برای شماره‌های متوالی در تولید پشت سر هم یا پس از تعویض یک ترانزیستور می‌شود. 73-75 الزامات سیگنال برای تقویت‌کننده کلاس اِی برای کار آنالوگ یک تقویت‌کننده کلاس A، نقطه Q جایی قرار می‌گیرد تا ترانزیستور در حالت فعال بماند (در هنگام کار در ناحیه اشباع یا ناحیه قطع جابه‌جا نشود) وقتی از ورودی استفاده می‌شود. برای کار دیجیتالی، نقطه Q جایی قرار می‌گیرد تا ترانزیستور برعکس عمل کند - از حالت «روشن» (اشباع) به حالت «خاموش» (قطع) سوئیچ می‌شود. غالباً، نقطه Q در نزدیکی مرکز ناحیه فعال یک ترانزیستور مشخص می‌شود تا نوسانات سیگنال شبیه به هم در جهت مثبت و منفی امکان‌پذیر باشد. ملاحظات گرمایی در جریان ثابت، افت ولتاژ در پایه امیتر-بیس VBE از یک ترانزیستور دو قطبی با مقدار ۲ میلی‌ولت (برای سیلیکون) و ۱٫۸ میلی‌ولت (برای ژرمانیم) برای هر ۱ افزایش درجه حرارت درجه حرارت (مرجع ۲۵ است درجه سانتیگراد) کاهش می‌یابد. با استفاده از مدل ابرز-مول، اگر ولتاژ بیس-امیتر VBE ثابت نگه داشته شود و دما افزایش یابد، جریان از طریق دیود بیس-امیتر IB افزایش می‌یابد، و در نتیجه جریان کلکتور IC نیز افزایش می‌یابد. بسته به نقطه بایاس، توان اتلاف شده در ترانزیستور نیز افزایش می‌یابد و این باعث افزایش بیشتر دمای آن و تشدید مشکل خواهد شد. روش‌های مختلفی برای کاهش فرار حرارتی ترانزیستور دو قطبی وجود دارد؛ مثلاً، بازخورد منفی را می‌توان درون مدار بایاس قرار داد به‌طوری که افزایش جریان کلکتور منجر به کاهش جریان بیس شود. می‌توان از گرماگیر استفاده کرد که گرمای اضافی را از خود دور می‌کند و مانع از افزایش دمای بیس-امیتر می‌شود. ترانزیستور می‌تواند به‌صورتی بایاس‌شده باشد که کلکتور آن به‌طور معمول کمتر از نیمی از ولتاژ منبع تغذیه باشد، این بدان معنی است که اتلاف توان کلکتور-امیتر در حداکثر مقدارش است. مدارهای زیر استفاده از بازخورد منفی برای جلوگیری از فرار حرارتی را نشان می‌دهند. در تصویر مثال سمت راست، منبع تغذیه تکی (به عنوان مثال باتری) برای کلکتور و بیس ترانزیستور استفاده می‌شود، اگرچه از باتری‌های جداگانه نیز می‌توان استفاده کرد. | ## بخش 2: بایاس ترانزیستور دوقطبی | در مدار داده شده، از این رو، برای ترانزیستور داده شده، Vbe در طول استفاده تغییر چندانی ندارد. از آنجا که Vcc مقداری ثابت است، در انتخاب Rb، جریان بیس Ib ثابت می‌شود؛ بنابراین، به این نوع مدار ثابت بایاس ثابت گفته میشود. همچنین، برای مدار داده‌شده، از این رو، بهره جریان امیتر مشترک ترانزیستور یک پارامتر مهم در طراحی مدار است و برای یک ترانزیستور خاص روی برگه داده‌ها مشخص شده‌است. به این ترتیب، می‌توان نقطه کار داده شده به عنوان (Vce ،Ic) را برای ترانزیستور داده شده تنظیم کرد. مزایای: صرفاً با تغییر مقاومت بیس (Rb) تغییر نقطه کار در هرکجای ناحیه فعال بسیار ساده است. معایب: جریان کلکتور با تغییر دما یا ولتاژ منبع تغذیه ثابت نمی‌ماند؛ بنابراین، نقطه کار ناپایدار است. هنگامی که ترانزیستور با یکی دیگر جایگزین شود، می‌توان تغییر قابل توجهی در مقدار β داشت. برای ترانزیستورهای سیگنال کوچک (به عنوان مثال، نه ترانزیستورهای قدرت) با مقادیر نسبتاً زیاد β (یعنی بین ۱۰۰ تا ۲۰۰)، این پیکربندی مستعد فرار حرارتی خواهد بود. به‌طور خاص، ضریب پایداری، که یک اندازه‌گیری از تغییر در جریان کلکتور با تغییر در جریان اشباع معکوس است، تقریباً (β + ۱) است. برای اطمینان از پایداری مطلق تقویت‌کننده، یک ضریب پایداری کمتر از ۲۵ ترجیح داده می‌شود، بنابراین ترانزیستورهای سیگنال کوچک دارای فاکتورهای پایداری زیادی هستند. کاربرد با توجه به اشکالات ذاتی فوق، بایاس ثابت به ندرت در مدارهای خطی مورد استفاده قرار می‌گیرد (یعنی مدارهایی که از ترانزیستور به عنوان منبع جریان استفاده می‌کنند). در عوض، اغلب در مدارهایی که از ترانزیستور به عنوان کلید استفاده می‌شود، استفاده می‌شود. با این وجود، یکی از کاربردهای بایاس ثابت، دستیابی کنترل خودکار بهره ابتدایی در ترانزیستور با مقاومت تغذیه بیس از سیگنال DC است که از خروجی AC طبقه بعدی حاصل می‌شود. در این شکل از بایاس، مقاومت بیس به جای اتصال آن به منبع DC به کلکتور متصل شده‌است؛ بنابراین هر فرار حرارتی باعث افت ولتاژ بر روی مقاومت می‌شود که جریان بیس ترانزیستور را کنترل می‌کند. از قانون ولتاژ کیرشهف، ولتاژ ولتاژ دو سر مقاومت بیس است توسط مدل ابرز-مول (Ebers – Moll), و همین‌طور از قانون اهم، جریان بیس و همین‌طور از این رو جریان بیس است اگر ثابت نگه داشته شود و دما افزایش یابد، سپس جریان کلکتور افزایش می‌یابد. با این حال، بزرگتر باعث افزایش افت ولتاژ در مقاومت می‌شود، که به نوبه خود باعث کاهش ولتاژ دوسر مقاومت بیس می‌شود. افت ولتاژ پایین‌تر مقاومت بیس جریان بیس را کاهش می‌دهد، که باعث می‌شود جریان کلکتور کمتر شود. | ## بخش 3: بایاس ترانزیستور دوقطبی | از آنجا که افزایش جریان کلکتور با درجه حرارت مخالف است، نقطه کار ثابت نگه‌داشته‌شده‌است. مزایای: مدار نقطه کار را در برابر تغییرات دما و β (یعنی جایگزینی ترانزیستور) تثبیت می‌کند. معایب: اگرچه در تغییرات کوچک β خوب است، اما تغییرات بزرگ در β تغییرات زیادی را در نقطه کار خواهد داشت. باید زمانی انتخاب شود که β به‌طور نسبتاً دقیق شناخته شود (شاید در حدود ۲۵٪)، با این حال، تنوع β بین قطعات «یکسان» اغلب بیشتر از این است. در این مدار، برای نگه داشتن مستقل از شرط زیر باید رعایت شود: این حالت وقتی است که کاربرد بازخورد منفی همچنین مقاومت تقویت‌کننده ورودی را همان‌طور که از بیس مشاهده می‌شود افزایش می‌دهد، که می‌تواند سودمند باشد. با توجه به کاهش بهره از بازخورد، این فرم بایاس فقط هنگامی استفاده می‌شود که معاوضه برای پایداری ضروری باشد. از قانون ولتاژ کیرشهف، ولتاژ دوسر مقاومت بیس است از قانون اهم جریان بیس است نحوه کنترل بازخورد نقطه بایاس به شرح زیر است. افت ولتاژ پایین‌تر مقاومت بیس جریان بیس را کاهش می‌دهد و این باعث می‌شود جریان کلکتور کمتر شود زیرا Ic = β Ib. جریان کلکتور و جریان امیتر توسط Ic = α Ie با α≈۱ در ارتباط است، بنابراین افزایش جریان امیتر با دما مخالف است، و نقطه کار را پایدار نگه می‌دارد. با انتخاب مناسب مقاومت R1 و R2، نقطه کار ترانزیستور می‌تواند مستقل از β ساخته شود. در این مدار، تقسیم ولتاژ ولتاژ بیس را مستقل از جریان بیس ثابت نگه می‌دارد، مشروط بر اینکه جریان تقسیم‌کننده نسبت به جریان بیس بزرگ‌تر باشد. با این حال، حتی با یک ولتاژ بیس ثابت، جریان کلکتور با درجه حرارت (به عنوان مثال) متفاوت است بنابراین یک مقاومت امیتر برای تثبیت نقطه Q، شبیه به مدارهای فوق با مقاومت امیتر اضافه می‌شود. پیکربندی تقسیم ولتاژ با استفاده از مقاومت‌ها در الگوهای خاص، به ولتاژهای صحیح دست می‌یابد. با دستکاری مقاومت‌ها به روش‌های خاصی می‌توانید به سطح جریان با ثبات‌تر برسید بدون اینکه مقدار β آن را بیش از حد تحت تأثیر قرار دهد. معایب: در این مدار، برای نگه داشتن IC از بتا، شرط زیر باید رعایت شود: که تقریباً این حالت است اگر کاربرد پایداری و شایستگی مدار مانند بالا باعث می‌شود که از آن برای مدارهای خطی به‌طور گسترده استفاده شود. | ## جمع‌بندی | با قرار دادن یک خازن (Ce) به موازات Re همان‌طور که در شکل مدار نشان داده شده‌است، می‌توان از این کار جلوگیری کرد.