دانلود مقاله ترانزیستور

.‌‌1 مقدمه
در فصل گذشته با ساختمان اتمی کریستال‌های نیمه هادی و اتصال PN آشنا شدیم. در این فصل به مطالعه یکی دیگر از قطعات مهم اکترونیکی یعنی ترانزیستور می‌پردازیم. در ترانزیستور پیوندی هم الکترون‌ها و هم حفره‌ها در ایجاد جریان دخالت دارند. بدین لحاظ این نوع ترانزیستور را پیوندی دو قطبی BJT (Bipolar Junction Transistor) می‌نامند. در بخش اول این فصل به بررسی ساختمان ترانزیستور می‌پردازیم و بخش‌های بعدی را به عملکرد ترانزیستور در مدارات تقویت کننده اختصاص خواهیم داد.
12.‌‌‌2 ساختمان ترانزیستور
یک ترانزیستور پیوندی از سه کریستال نیمه هادی نوع N و P که در کنار هم قرار می‌گیرند، تشکیل شده است. با توجه به نحوه قرار گرفتن نیمه‌هادی‌ها در کنار هم ترانزیستور به دو صورت NPN و PNP خواهند بود. در شکب 12.‌‌1 ترانزیستورهای PNP و NPN بطور شماتیک نشان داده شده است. در مدارات الکترونیکی ترانزیستورهای NPN و PNP را با علامت اختصاری شکل 12.‌‌2 نمایش می‌دهد. پایه‌های خروجی ترانزیستور به ترتیب امیتر (منتشر کننده)، بیس (پایه) و کلکتور (جمع کننده) نام دارد. امیتر (Emiter) را با حرف E، بیس (Base) را با حرف B و کلکتور (Collector) را با حرف C نشان می‌دهند.

شکل 12.‌1 نمایش شماتیک ساختمان ترانزیستور
12.‌3 تغذیه (بایاسینگ) ترانزیستور
برای اینکه بتوان از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده استفاده نمود، ابتدا باید ترانزیستور را از نظر ولتاژ dc تغذیه نمود. عمل تغذیه ولتاژ پایه‌های ترانزیستور را بایاسینگ می‌نامند. برای درک این مطالب ترانزیستور بایاس شده شکل 12.‌3 را مورد مطالعه قرار می‌دهیم. این نحوه بایاتس ترانزیستور را اصطلاحاً بایاس در ناحیه فعال می‌نامند. در اکثر تقویت کننده‌های خطی ترانزیستور در ناحیه فعال بایاس می‌شود. در ناحیه فعال اتصال بیس ـ‌ امیتر به صورت مستقیم و اتصال کلکتور ـ بیس به صورت معکوس بایاس می‌گردد. برای اینکه بتوانیم از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده سیگنال‌های الکتریکی و یا .... استفاده کنیم، باید ترانزیستور را با ولتاژ dc تغذیه نمود. در هرحالت، ولتاژهایی که به قسمت‌های مختلف ترانزیستور باید اعمال شود، فرق می‌کند. ولتاژی که بین پایه‌های بیس و امیتر قرار می‌گیرد، با VBE نشان می‌دهند و مقدار آن برابر 7/0 ولت می‌باشد. ولتاژی که در قسمت کلکتور ـ‌ بیس قرار می‌گیرد با VCB، ولتاژی که بین کلکتور ـ امیتر وصل می‌شود با VCE نشان می‌دهیم. شکل 12.‌4 ولتاژهای قسمت‌های مختلف ترانزیستور را نشان می‌دهد.

شکل 12.‌2 علامت مداری ترانزیستور

شکل 12.‌3 بایاس ترانزیستور PNP در ناحیه فعال
12.‌4 جریان ترانزیستور
جریانی که از کلکتور عبور می‌کند با IC و جریانی که از بیس عبور می‌کند با IB و جریانی که از امیتر عبور می‌کند را با IE نشان می‌دهند. همانطور که در شکل 12.‌3 نشان داده شده است، جریانی که از امیتر عبور می‌کند به دو انشعاب تقسیم می‌شود. قسمت بسیار کمی از جریان از بیس و قسمت اعظم آن از کلکتور عبور می‌کند. لذا جریان امیتر برابر است با:
IE = IB + IC (1.2)
معادله جریان کلکتور در ناحیه فعال به صورت زیر می‌باشد:
IC = βIB (2.12)
که در آن β بهره جریان امیتر مشترک می‌نامند. معمولاً وقتی ترانزیستور در ناحیه فعال باشد، جریان کلکتور با جریان امیتر متناسب است. ضریب این تناسب را با α نشان می‌دهند.
شکل 12.‌4 نمایش ولتاژهای مختلف ترانزیستور
IC = αIE (3.12)
مقدار α برای ترانزیستورهای مختلف بین 9/0 تا 98/0 تغییر می‌کند و به آن بهره جریان سیگنال بزرگ مدار بیس مشترک می‌نامند.

12.‌5 منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور
در مدار امیتر مشترک (بعداً توضیح داده خواهد شد) منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور، رابطه بین جریان و ولتاژ خروجی (ICE, VCE) به ازای مقادیر مختلف جریان ورودی (IB) را نشان می‌دهد. در شکل 12.‌5 منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور نمایش داده شده است. مشخصه خروجی ترانزیستور در این مدار را می‌توان به سه ناحیه فعال، قطع و اشباع تقسیم‌بندی نمود.
ناحیه فعال: ناحیه‌ای است که در ان اتصال بیس ـ‌ امیتر در حالت هدایت و اتصال کلکتور ـ ‌بیس در حالت قطع باشت. بخش بالای IB1=0 و سمت راست خط VCEVCE(sat)=0.1V را ناحیه فعال تشکیل می‌دهد. در این ناحیه ترانزیستور تقریباً به صورت خطی عمل می‌کند. معمولاً برای ترانزیستور سیلیکن VCE(sat)=0.2V و برای ترانزیستور ژرمانیم VCE(sat)=0.1V درنظر گرفته می‌شود.
ناحیه قطع: ناحیه‌ای است که در آن هر دو اتصال بیس ـ امیتر و کلکتور ـ بیس در حالت قطع باشد. در این حالت در کلکتور، هیچ جریانی نبوده و IC=0 می‌باشد. در مشخصه خروجی ناحیه قطع، ناحیه زیر منحنی IB1=0 است.
ناحیه اشباع: ناحیه‌ای است که در آن هر دو اتصال کلتور ـ بیس و بیس ـ امیتر ترانزیستور در حالت هدایت باشند. ناحیه اشباع در سمت چپ خط‌چین عمودی قرار دارد.

شکل 12.‌5 مشخصه خروجی ترانزیستور در مدار امیتر مشترک

شکل 12.‌6 نمایش تقویت کننده
12.‌6 ترانزیستور به عنوان تقویت کننده
ترانزیستور می‌تواند سیگنال‌های ضعیف را به سیگنال‌های قوی تبدیل نماید. این عمل به صورت خاصی در ترانزیستور انجام شده و به آن عمل تقویت کنندگی می‌گویند. فرض کنیم به طور کلی یک تقویت کننده شامل دستگاهی باشد که به ورودی آن سیگنال الکتریکی داده شود و از خروجی آن، سیگنال تقویت شده را دریافت نماییم. این تقویت کننده در شکل 12.‌6 نشان داده شده است.
اگر در تقویت کننده از یک ترانزیستور استفاده نماییم، از آنجایی که ترانزیستور سه پایه بیشتر ندارد، لذا باید یکی از پایه‌ها را بین ورودی و خروجی مشترک بگیریم. اگر پایه امیتر را بین ورودی و خروجی مشترک بگیریم، تقویت کننده امیتر مشترک و اگر بیس ورودی و خروجی مشترک باشد، تقویت کننده بیس مشترک و اگر کلکتور بین ورودی و خروجی مشترک باشد، تقویت کننده را کلکتور مشترک می‌نامند. هر یک از تقویت کننده‌های فوق می‌توانند جریان، ولتاژ و یا هر دو را تقویت نمایند. شکل 12.‌7 به طور ساده هر سه نوع تقویت کننده را نشان می‌دهد. در شکل‌‌های فوق مدارات مربوط رسم نشده‌اند و شکل‌ها فقط نشان دهنده اشتراک پایانه‌ها می‌باشد تقویت کننده امیتر مشترک بیشترین کاربرد را در انواع تقویت کننده دارد، زیرا این تقویت کننده علاوه بر تقویت ولتاژ، جریان را نیز تقویت می‌کند. بنابراین در این فصل تقویت کننده امیتر مشترک را مورد توجه قرار می‌دهیم.
مثال 12.‌1: در مدار شکل 12.‌8 برای ترانزیستور بکار رفته β=100, VBE=0.7V می‌باشد. مطلوب است محاسبه VCE, IC.
حل: با نوشتن معادله KVL در حلقه ورودی، جریان IB را محاسبه می‌نماییم.

شکل 12.‌7 نمایش حالت‌های مختلف تقویت کننده‌های ترانزیستور

شکل 12.‌8 مدار مثال 12.‌1

در ناحیه فعال جریان کلکتور برابر است با:
IC=ΒiB=100*0.1=10mA
برای محاسبه VCE معادله KVL را برای حلقه خروجی چنین می‌نویسیم:
-VCC+RCIC+VCE=0
VCE=VCC-ICRC=20-1*10=10V
12.‌7 تقویت کننده امیتر مشترک
برای اینکه بتوانیم یک سیگنال الکتریکی را از نظر دامنه و یا جریان تقویت نماییم، باید ابتاد تقویت کننده را از نظر ولتاژ dc تغذیه نموده، سپس سیگنال را به ورودی وصل کرده و از خروجی تقویت کننده سیگنال تقویت شده را دریافت نماییم. در شکل 12.‌9 یک مدار تقویت کننده امیتر مشترک نشان داده شده است. در این مدار خازن‌های C1, C3 خازن‌های کوپلاژ نام دارند و عمل آنها جلوگیری از عبور جریان DC می‌باشد. C2 خازن بای پاس نام دارد و عمل آن، عبور سیگنال‌های متناوب به زمین می‌باشد. مقاومت‌های R1, R2 به عنوان مقسم ولتاژ به منظور تامین ولتاژ بیس می‌باشند. مقاومت RL به منظور تغذیه مورد نیاز کلکتور و همچنین به عنوان بار خروجی بکار رفته است. مدار معادل سیگنال این تقویت کننده در شکل 12.‌10 نمایش داد شده است. در این شکل مقاومتا RB معادل ترکیب موازی R1, R2 می‌باشد.

شکل 12.‌9 مدار یک تقویت کننده امیتر مشترک
12.‌8 مدل تقریبی هیبرید ترانزیستور
برای محاسبه مشخصات تقویت کننده امیتر مشترک از قبیل بهره ولتاژ (AV) و بهره جریان (Ai) شکل 12.‌9، در مدار معادل ac شکل 12.‌10 بجای ترانزیستور مدل تقریبی هیبرید آن را جایگزین نموده و از روش‌های متداول تجزیه و تحلیل مدارهای خطی استفاده می‌کنیم.

شکل 12.‌10 مدار معادل ac تقویت کننده شکل 12.‌9
مدل تقریبی هیبرید ترانزیستور در حالت امیتر مشترک در شکل 12.‌11 نشان داده شده است که در آن Ri مقاومت ورودی می‌باشد. مدار معادل سیگنال کوچک 12.‌10 با استفاده از مدل تقریبی هیبرید امیتر مشترک در شکل 12.‌12 نمایش داده شده است.

شکل 12.‌11 مدل تقریبی هیبرید ترانزیستور در حالت امیتر مشترک
بهره ولتاژ (AV): منظور از بهره ولتاژ نسبت ولتاژ خروجی VO به ولتاژ ورودی Vi می‌باشد. پس:
(4.12)
در مدار شکل 12.‌12 داریم:
VO=-βIbRL (5.12)
به طوری که:
(6.12)
بنابراین بهره ولتاژ چنین بیان می‌شود:
(7.12)

شکل 12.‌12 مدار معادل سیگال کوچک شکل 12.‌9
بهره جریان (Ai):‌ بهره جریان به صورت نسبت جریان خروجی به جریان ورودی تعریف می‌شود:
(8.12)
جریان خروجی برابر است با:
IO=-βIb (9.12)
اما نسبت با تقسیم جریان چنین بدست می‌آید:
(10.12)
بنابراین:
(11.12)
مثال 12.‌2: مدار شکل 12.‌9 را درنظر بگیرید. فرض کنید Ri=1.1KΩ, R2=30KΩ, R1=60KΩ, β=100, RL=1.1KΩ باشد. مطلوب است محاسبه Ai, AV.
حل: با استفاده از معادله 12.‌7 داریم:

و از معادله 12.‌11 داریم:

ترانزیستور پیوندی دو قطبی BJT یکی از مهمترین ادوات الکتروینکی است. مسائل این فصل به روابط بین جریان‌های ترانزیستور و نوشتن معادلات KVL در مدارهای ترانزیستوری مربوط می‌شود. تقویت کننده‌های تک ترانزیستوری و روش کلی تحلیل سیگنال ـ کوچک یک مدار الکترونیکی با گذاشتن مدار معادل سیگنال ـ کوچک از دیگر مطالب این فصل است.
مسائل
1. در مدار شکل 12.‌13 ترانزیستور دارای VBE=0.7V, β=100 می‌باشد. IC و VCE را محاسبه نمایید.


2. در مدار شکل 12.‌14 با فرض اینکه VBE=0.7, β=100 می‌باشد. IC و VCE را محاسبه نمایید.


3. در مدار شکل 12.‌15 با فرض اینکه VBE=0.7V, β=200 باشد، مقادیر IC و VCE را محاسبه نمایید.


4. در مدار شکل 12.‌16 با فرض اینکه VBE=0.7V, β=100 می‌باشد. IC و VCE را محاسبه نمایید.


5. در مدار شکل 12.‌17 ترانزیستور دارای VBE=0.7V, β=100 می‌باشد. VCE را محاسبه نمایید.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله  14  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید