معرفی ترانزیستور دو قطبی 

ترانزیستور دو قطبی یک قطعه نیمه رسانا است که برای سوئیچ یا تقویت بکار می‌رود. در آموزش مربوط به دیود دیدیم که دیودهای ساده از دو جزء از ماده نیمه رسانا برای تشکیل یک اتصال – PN ساده ساخته شده‌اند و در مورد ویژگی و مشخصه‌های آنها نیز بحث کردیم.

ترانزیستور دو قطبی

اگر ما دیود سیگنال را بصورت پشت به پشت به یکدیگر وصل کنیم، این به ما دو اتصال – PN که بصورت سری به یکدیگر وصل شده‌اند را ارائه می‌کند، که در این حالت ورودی P یا N مشترکی را به اشتراک می‌گذارند. همجوشی این دو دیود یک قطعه سه ورودی، دو پیوندی، سه لایه که اساس یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی ¹(BJT) است، را ایجاد می‌کند.

ترانزیستورها قطعات فعال سه پایه‌ای هستند که از مواد نیمه رسانای گوناگون ساخته شده‌اند و می‌توانند بصورت عایق و یک رسانا توسط یک ولتاژ سیگنال کوچک اعمالی عمل کنند. توانایی ترانزیستورها در تغییر بین این دو حالت امکان داشتن دو عملکرد اساسی را فراهم می‌کند که “سوئیچینگ” (الکترونیک دیجیتال) یا “تقویت” (الکترونیک آنالوگ) نام دارد. ترانزیستورهای دو قطبی توانایی کار کردن در سه حوزه مختلف را دارند:

ناحیه فعال – ترانزیستور مانند یک تقویت‌کننده عمل می‌کند و [latex] I_{c}=beta times I_{b} [/latex]

ناحیه اشباع – ترانزیستور “کاملا روشن” است  و بصورت یک سوئیچ عمل می‌کند و (اشباع)[latex] I_{c}=I [/latex]

ناحیه قطع – ترانزیستور “کاملا خاموش” است و بصورت یک سوئیچ عمل می‌کند و [latex] I_{c}=0 [/latex]

واژه ترانزیستور ترکیب دو بخش  ترانس و رزیستور است که حالت عملکرد آن را توصیف می‌کند که این به اوایل توسعه الکترونیک بر می‌گردد. دو نوع پایه از ساختار ترانزیستور دو قطبی وجود دارد  PNPو NPN، که اساسا ساختار فیزیکی مواد نیمه رسانای نوع – N و نوع – P چیزی که از آن ساخته شده‌اند را توصیف می‌کند.

ساختار پایه ترانزیستور دوقطبی از دو اتصال – PN که سه ورودی اتصالی با نام مشخص برای هر ورودی برای متمایز شدن از یکدیگر دارد، تشکیل شده است. این سه ورودی با عنوان‌های امیتر (E)، کلکتور (C) و بیس (B) نامگذاری شده‌اند.

ترانزیستور دو قطبی یک قطعه تنظیم جریان است که مقدار جریان عبوری از ورودی‌های امیتر به کلکتور به نسبت مقدار ولتاژ بایاس اعمال شده به پایه بیس آن را کنترل می‌کند، در نتیجه مانند یک سوئیچ کنترل جریان عمل می‌کند. اصول عملکرد دو نوع ترانزیستور PNP و NPN دقیقا یکسان با هم است و تنها دارای تفاوت‌هایی در بایاس و قطبش منبع تغذیه برای هر دو نوع است.

ساختار ترانزیستور دو قطبی

ساختار و نمادهای مدار بر هر دو نوع PNP و NPN ترانزیستور دو قطبی در شکل بالا نشان داده شده است. فلش در نماد مدار همیشه جهت “شارش جریان قراردادی” را بین پایه بیس و امیتر را نشان می‌دهد. جهت فلش همیشه از منطقه نوع – P مثبت به منطقه نوع – N منفی برای هر دو نوع ترانزیستور اشاره می‌کند که  دقیقا مشابه با نماد دیود استاندارد  است.

اتصال ترانزیستور دو قطبی

ازآنجا که ترانزیستور دو قطبی یک قطعه سه ورودی است ( سه پایه دارد)، در اصل سه روش برای اتصال در مدار الکترونیکی، که یک پایه برای ورودی و خروجی مشترک است، وجود دارد. هر روش اتصال پاسخ متفاوتی به سیگنال ورودی  خود در مدار می‌دهند زیرا که ویژگی‌های استاتیک ترانزیستور با هر چیدمان مدار تغییر می‌یابد.

اتصال بیس مشترک ²(BC)- بهره ولتاژ دارد اما بهره جریان ندارد.

اتصال امیتر مشترک ³(EC)- دارای بهره ولتاژ و جریان است.

اتصال کلکتور مشترک ⁴(CE)- بهره جریان دارد اما بهره ولتاز ندارد.

اتصال بیس مشترک (BC) ترانزیستور دو قطبی

همانطور که از نام آن پیداست، در اتصال بیس مشترک یا ورودی بیس متصل به زمین، اتصال بیس برای هر دوی سیگنال ورودی و خروجی مشترک است. سیگنال ورودی بین پایه‌های بیس و امیتر ترانزیستور اعمال شده، در حالی که سیگنال خروجی متناظر از بین پایه‌های کلکتور و بیس گرفته می‌شود که در شکل نیز آورده شده است. ورودی بیس زمین می‌شود و یا می‌تواند به بعضی منابع ولتاژ ثابت وصل شود. جریان شارشی ورودی به امیتر به اندازه جمع جریان‌های بیس و امیتر بزرگ است در نتیجه جریان خروجی از کلکتور کمتر از جریان ورودی به امیتر است که منجر به “1” (یکپارچه) یا کمتر از یک شدن بهره جریان می‌شود، به عبارت دیگر اتصال بیس مشترک سیگنال ورودی را “ضعیف” می‌کند.

مدار ترانزیستور بیس مشترک اتصال ترانزیستور دو قطبی

این نوع از پیکربندی تقویت‌کننده، یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ غیر معکوس است، به این ترتیب که ولتاژهای سیگنال V_in و V_out “هم‌ فاز” هستند. این نوع از چیدمان ترانزیستور به دلیل مشخصه بهره ولتاژ بالای آن رایج نیست.

مشخصه های ورودی آن نشان دهنده ویژگی های یک دیود بایاس مستقیم است درحالی که مشخصه های خروجی آن نشان دهنده ویژگی های دیود نوری است. همچنین این نوع اتصال از ترانزیستور دو قطبی، نسبت مقاومت خروجی به ورودی بالایی دارد و نسبت مقاومت “بار” (R_L) به مقاومت “ورودی” (R_in) ، مقدار “بهره مقاومت ” را ارائه می‌نماید. بهره ولتاژ (A_V) برای اتصال بیس مشترک بصورت زیر است:

بهره ولتاژ اتصال بیس مشترک اتصال ترانزیستور دو قطبی

[latex] A_{V}=(frac{V_{out}}{V_{in}})=(frac{I_{c}times R_{L}}{I_{E}times R_{in}}) [/latex]

بطوریکه [latex] (frac{I_{c}}{I_{E}}) [/latex]  بهره جریان ، آلفا (α)  و [latex] (frac{R_{L}}{R_{in}}) [/latex] بهره مقاومت است. مدار اتصال بیس مشترک عموما تنها درمدارهای تقویت کننده یک طبقه مانند پیش – تقویت‌کننده میکروفون یا تقویت‌کننده فرکانس رادیویی (RF) به دلیل پاسخ فرکانسی خوب آن بکار می‌رود.

اتصال امیتر مشترک ترانزیستور دو قطبی

‌در اتصال امیتر مشترک یا ورودی امیتر متصل به زمین، سیگنال ورودی بین پایه‌های بیس و امیتر ترانزیستور متصل شده، در حالی که سیگنال خروجی متناظر از بین پایه‌های کلکتور و امیتر گرفته می‌شود که در شکل نیز آورده شده است. این نوع از اتصال از متداولترین مدارهای استفاده شده برای تقویت‌کننده‌های مبتنی بر ترانزیستور است و نشان‌دهنده روش “نرمال” از اتصال ترانزیستور دو قطبی است.

اتصال تقویت‌کننده امیتر مشترک بالاترین میزان بهره جریان و توان را در میان این سه نوع اتصال ترانزیستور دو قطبی تولید می‌کند. اساسا این به دلیل کم بودن امپدانس ورودی است زیرا که آن به یک دیود بایاس مستقیم وصل شده، در حالی که امپدانس خروجی بالا است زیرا که از یک پیوند PN بایاس معکوس گرفته شده است.

مدار تقویت کننده امیتر مشترک

در این نوع اتصال، جریان شارشی از بیرون ترانزیستور باید برابر با جریان شارشی درون ترانزیستور باشد و جریان امیتر بصورت [latex] I_{E}=I_{C}+I_{B} [/latex] بیان می‌شود.

از آنجا که مقاومت بار (R_L) بصورت سری با کلکتور بسته می‌شود، بهره جریان اتصال امیتر مشترک بسیار بزرگ است، بطویکه نسبت آن [latex] (frac{I_{c}}{I_{B}}) [/latex] است. بهره جریان ترانزیستور با نماد یونانی بتا (β) بیان می‌شود.

از انجایی که جریان امیتر برای اتصال امیتر مشترک بصورت [latex] I_{E}=I_{C}+I_{B} [/latex]  تعریف می‌شود، نسبت [latex] (frac{I_{c}}{I_{E}}) [/latex]  آلفا خوانده می‌شود و نماد یونانی α را به خود می‌گیرد. توجه: مقدار α  همواره کمتراز یک خواهد بود. از آنجایی که رابطه الکتریکی بین این سه جریان [latex] I_{B} [/latex] ، [latex] I_{c} [/latex] و [latex] I_{E} [/latex] توسط ساختار فیزیکی خود ترانزیستور مشخص شده است، هر تغییر کوچکی در جریان بیس [latex] I_{B} [/latex] باعث تغییر خیلی بزرگ در جریان کلکتور [latex] I_{c} [/latex] خواهد شد.

و در ادامه تغییرات کوچک در جریان شارشی در بیس، جریان در مدار امیتر-کلکتور را کنترل خواهد کرد. به طور معمول بتا دارای مقداری بین 20 و 200 برای ترانزیستورهایی با اهداف عام است. در نتیجه اگر یک ترانزیستور دارای مقدار بتای برابر 100 باشد، در نتیجه یک الکترون از بیس برای هر 100 الکترون شارشی بین پایه های کلکتور و امیتر شارش خواهد کرد.

با ترکیب روابط α و β رابطه ریاضی بین این پارامترها و در نتیجه بهره جریان بصورت زیر خواهند بود:

بتا(β)= [latex] (frac{I_{c}}{I_{B}}) [/latex]  و  آلفا(α) =[latex] (frac{I_{c}}{I_{E}}) [/latex] [latex] I_{C}=alpha times I_{E}=beta times I_{B}leftarrow [/latex]

ازآنجایی که :[latex] beta =(frac{alpha }{1-alpha }) [/latex]  و [latex] alpha =(frac{beta }{1+beta }) [/latex] و [latex] I_{E}=I_{C}+I_{B} [/latex]

بطوریکه [latex] I_{c} [/latex]جریان شارشی از پایه کلکتورو [latex] I_{B} [/latex] جریان شارشی از بیس و [latex] I_{E} [/latex]جریان خروجی از پایه امیتر است.

این نوع از اتصال ترانزیستور دو قطبی دارای امپدانس ورودی بزرگ و بهره جریان و توان بزرگتری از نوع اتصال بیس مشترک است، اما بهره ولتاژ خیلی کمتری دارد. اتصال امیتر مشترک یک مدار تقویت‌کننده معکوس است. این به معنای اختلاف فاز 180 درجه سیگنال خروجی نسبت به سیگنال ورودی است.

اتصال کلکتور مشترک

در اتصال کلکتور مشترک یا ورودی کلکتور متصل به زمین، کلکتور اکنون از نظر منبع مشترک است. سیگنال ورودی مستقیما به پایه بیس متصل شده، در حالی که سیگنال خروجی متناظر از امیتر گرفته می‌شود که در شکل نیز آورده شده است. این نوع از اتصال عموما بصورت دنبال کننده ولتاژ یا دنبال کننده امیتر شناخته شده است.

اتصال امیتر مشترک یا دنبال کننده امیتر برای کاربردهای تطبیق امپدانس به دلیل امپدانس ورودی خیلی بالا در محدوده صدها تا هزاران اهم، بسیار کاربردی است، درحالی که امپدانس خروجی نسبتا پایینی دارد.

مدار ترانزیستور کلکتور مشترک

اتصال نوع امیتر مشترک دارای بهره جریان تقریبا برابر با مقدار  [latex] beta [/latex] خود تراتزیستور است. دراتصال امیتر مشترک، مقاومت بار بصورت سری با امیتر قرار می‌گیرد در نتیجه جریان آن برابر با همان جریان امیتر است. ازآنجا که جریان امیتر ترکیب جریان کلکتور و بیس است، مقاومت بار در این نوع از اتصال دارای جریان کلکلتور و جریان ورودی از بیس که از آن می‌گذرد است. بهره جریان مدار بصورت زیر است:

بهره جریان کلکتور مشترک

[latex] I_{E}=I_{C}+I_{B} [/latex]

[latex] A_{i}=(frac{I_{E}}{I_{B}})=(frac{I_{C}+I_{B}}{I_{B}}) [/latex]

[latex] A_{i}=(frac{I_{C}}{I_{B}})+1 [/latex]

[latex] A_{i}=beta +1 [/latex]

این نوع از پیکربندی ترانزیستور دو قطبی یک مدار – غیر معکوس است که  در آن ولتاژهای سیگنال V_in و V_out  “هم‌فاز” هستند. آن دارای بهره ولتاژ همیشه کمتر از “1” (یکپارچه) است. مقاومت بار ترانزیستور کلکتور مشترک که هر دو جریان پایه بیس و کلکتور را دریافت می‌کند، بهره جریان بزرگی را نتیجه می‌دهد (همانند اتصال امیتر مشترک ) در نتیجه، تقویت جریان خوبی را با بهره ولتاژ خیلی کوچک فراهم می‌کند.

اکنون میتوانیم روابط گوناگون مابین جریان DC خود ترانزیستور که از هر سه پایه شارش می‌کند و بهره جریان DC آن را بیان کنیم که در جدول پایین آورده شده است.

رابطه بین جریان DC و بهره ها

خلاصه ترانزیستور دو قطبی

رفتار ترانزیستورهای دو قطبی در هر کدام از اتصال‌ها مدارات گفته شده در بالا متفاوت از یکدیگر است و ویژگی‌های مداری متفاوتی با توجه به امپدانس ورودی وخروجی و بهره چه جریان یا ولتاژ و یا توان نشان می‌دهند و این در جدولی در ادامه خلاصه شده است.

اتصالات ترانزیستور دو قطبی

مشخصات عمومی اتصال‌های مختلف ترانزیستورها در جدول زیر آورده شده است:

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورهای دو قطبی، بر ترانزیستورهای NPN بصورت جزئی زمانی که در پیکربندی امیتر مشترک به عنوان یک تقویت‌کننده بکاربرده می‌شوند، می‌پردازیم، بطوریکه این از پرکاربردترین اتصالات استفاده شده به دلیل انعطاف‌پذیری آسان و بهره بالای آن، است. همچنین منحنی مشخصه‌های خروجی را که معمولا با مدار های تقویت‌کننده بصورت تابعی از جریان کلکتور به جریان بیس همراه شده است، ترسیم خواهیم کرد.

1. Bipolar Junction Transistor
2. Common Base
3. Common Emitter
4. Common Collector