TRANSISTOR

TRANSISTOR

การไบอัส ทรานซิสเตอร์

การไบอัส (Biasing) ทรานซิสเตอร์นั้นมีหลายวิธีแต่ละวิธีจะให้เสถียรภาพ (Stabilized) ในการ ทำงานของวงจรทรานซิสเตอร์แตกต่างกัน เมื่อนำทรานซิสเตอร์นั้นไปใช้งานในที่ที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป จุดทำงาน (Q-Point) ของทรานซิสเตอร์นั้นจะเปลี่ยนไป ด้วย เป็นผลให้แรงดันที่จุดต่าง ๆ ซึ่งตกคร่อมทรานซิสเตอร์เปลี่ยนไป
วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์ที่ดีเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของ อุณหภูมิภายนอก จะเป็นผลให้จุดทำงาน ของทรานซิสเตอร์เปลี่ยนแปลงไปน้อยมากหรือไม่เปลี่ยนแปลงเลย ผลคือเสถียรภาพในการทำงานของทรานซิสเตอร์ในวงจรไบอัสนั้นดีขึ้น

จุดทำงานในวงจรไฟตรง
การวิเคราะห์ด้วยกราฟ (Graphical Analysis) วงจรทรานซิสเตอร์ในรูปที่ 1 (a) ได้รับแรงดันไบอัส ที่เบสคือ VBB และแรงดันที่คอลเลกเตอร์ ด้วย VCC ทำให้เกิดกระแส IB, IC และ IE ไหลในวงจรเมื่อทำการปรับ ค่าแรงดัน VBB ให้ได้กระแส IB , , จนถึง โดยให้แรงดัน VCC คงที่ที่ 10 V จะได้ลักษณะสมบัติทางคอลเลกเตอร์ ดังกราฟรูปที่ 1 (b)

รูปที่ 1 แสดงการหากราฟลักษณะสมบัติทางคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN 
การหาจุดทำงาน (Q-Point) ของ ทรานซิสเตอร์ เริ่มจากการปรับ VBB ให้ได้ IB = 220 mA ดังรูป 2 (a) จะได้ค่า กระแส IC ตามสมการ IC = . IB = 20 mA และค่าแรงดัน VCE คือ
     VCE = VCC - IC RC
            = 10 V - 4 V
            = 6 V
เมื่อลากเส้นประจากจุดแรงดัน VCE = 6 V ไปตัดเส้นกราฟ IC ที่ IB = 200 mA จะได้จุดทำงาน (Q1) ของวงจร ดังรูปที่ 2 (a) ในทำนองเดียวกันเมื่อปรับแรงดัน VBB ให้กระแส IB เพิ่มขึ้นเป็น 300 mA จะได้ IC เพิ่มขึ้นเป็น 30 mA เป็นผลให้แรง ดัน VCE = 4 V ขณะที่จุดทำงาน (Q) ของวงจร เปลี่ยนไปจาก Q1 เป็น Q2 ดังรูปที่ 2 (b) และเมื่อปรับแรงดัน VBB อีกครั้งให้ได้ IB = 400 mA จะได้ IC = 40 mA ทำให้เกิดแรงดัน VCE เท่า กับ 2 V จะได้จุดทำงานเปลี่ยนจาก Q2 เป็น Q3 ดังรูปที่ 2 (c)

รูปที่ 2 แสดงการปรับจุดทำงาน (Q-Point) ของวงจรไบอัสทรานซิสเตอร์
เส้นโหลดไฟตรง (DC-load Line) จากการสังเกตจะพบว่าค่ากระแส IC เพิ่มขึ้นหรือลดลงตามค่า กระแส IB และค่าแรงดัน VCE จะ ลดลงเมื่อกระแส IC เพิ่มขึ้น ดังนั้นจุดทำงานของทรานซิสเตอร์จะเปลี่ยนแปลง ไปตามค่ากระแส IB (คือ กระแสที่วงจรไบอัสจ่ายให้กับทรานซิสเตอร์) และทางเดินของจุด Q นี้เองเรียกว่า เส้นโหลดไฟตรง (DC-load Line) ดังรูปที่ 2 (d)
จากวงจรในรูปที่ 2 นั้นถ้าทำ การปรับค่ากระแส IB เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ค่ากระแส IC จะเพิ่มขึ้นจนถึงจุด สูงสุดเรียกว่าจุดอิ่มตัว (Saturation Point) ที่ค่ากระแส IC ประมาณ 50 mA ดังรูปที่ 3 และถ้าลดค่ากระแส IB ลงมาจนทรานซิสเตอร์หยุดทำงานคือ IC = 0 mA (IB = 0 mA) จะเรียกว่าจุดคัตออฟ ในขณะนี้กระแสคอลเลกเตอร์จะเกิดเฉพาะกระแสรั่วไหลระหว่างรอยต่อคอลเลกเตอร์ กับเบสเท่านั้น (IC = ICBO) จากรูปที่ 3 จะเห็นว่า เส้นโหลดไฟตรงจะลาดเอียงจากจุดอิ่มตัวไปสู่จุดคัตออฟ และนี่คือทางเดินของจุดทำงานของวงจรไบอัสทรานซิสเตอร์

รูปที่ 3 แสดงเส้นโหลดไฟตรง (DC Load Line)

การทำงานแบบเชิงเส้น

การทำงานแบบเชิงเส้น (Linear Operation) เมื่อพิจารณาในกราฟรูปที่ 3 ย่านการทำ งานระหว่างจุด อิ่มตัวจนถึงคัตออฟเรียกว่า ย่านขยายสัญญาณเชิงเส้น (Linear Region) หมายความ ว่าถ้านำทรานซิสเตอร์ ไปขยายสัญญาณไฟสลับ เช่น รูปไซน์ ฯลฯ ลักษณะของสัญญาณเอาต์พุตที่ได้รับจะปรากฏอย่างสมบูรณ์ไม่มีการผิดเพี้ยน (Distortion) ในย่านนี้เท่านั้น ถ้านำทรานซิสเตอร์ที่ได้รับไบอัสไปขยายสัญญาณไซน์ดังรูปที่ 4 ถ้าเส้นโหลดไฟตรงแสดงจุดทำงานของวงจรที่แรงดัน อินพุตเท่ากับมุมศูนย์ จุดทำงาน (Q) คือจุดที่แรงดัน VCE = 4 V และ IC = 30 mA จุดนี้จะเรียกกระแสคอลเลกเตอร์ว่ากระแสคอลเลกเตอร์ที่ จุด Q (ICQ = 30 mA) และเรียกแรงดัน VCE ที่จุด Q ว่า (VCEQ = 4 V) ที่จุด ทำงานจะมีกระแส IB เท่ากับ 300 Ma

รูปที่ 4 แสดงการเปลี่ยนค่าสัญญาณอินพุต (IB) เป็นผลต่อกระแส IC และแรงดัน VCE
สมมติว่าแรงดันคลื่นไซน์สูงสุดทำให้เกิด IB = 400 mA และเมื่อแรงดันคลื่นไซน์ต่ำสุดทำให้ เกิด IB เท่ากับ 200 mA จะทำให้กระแส IC เปลี่ยนแปลงไปด้วยกล่าวคือ เมื่อ IB = 400 mA (เมื่อ bdc = 100) และเมื่อ กระแส IB = 200 mA จะได้กระแส IC = 20 mA ในทำนองเดียวกัน เมื่อกระแส IC เปลี่ยนแปลงเป็นคลื่นไซน์ระหว่าง 20 mA ถึง 40 mA จะทำให้แรงดัน VCE เปลี่ยนแปลง ไปด้วยคือเปลี่ยนแปลงไปในย่าน 2 V ถึง 4 V เมื่อกำหนดจุด ที่เกี่ยวข้องทั้ง 3 จุดคือ จุด A จุด Q และจุด B ลงบนเส้นโหลดไฟตรงเราจะ ได้ข้อมูลเพิ่มเติมพออธิบายได้ดังนี้คือ
ที่จุด A ของเส้นโหลดไฟตรง เรียกว่า จุดสูงสุดด้านบวก (Positive Peak)
ที่จุด B ของเส้นโหลดไฟตรง เรียกว่า จุดสูงสุดด้านลบ (Negative Peak)
ที่จุด Q คือจุดทำงานของวงจร ทรานซิสเตอร์ที่จุดนี้คือจุดที่คลื่นไซน์อินพุตมีค่าแรงดันเท่ากับศูนย์จะ ทำให้เกิดค่าของ VCEQ, ICQ, และ IBQ
ความเพี้ยนของสัญญาณขาออก (Distortion of The Output) ความเพี้ยนของสัญญาณขาออกเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณ ขาออกโดนขริบ (Clip) เนื่องมาจากสาเหตุ 3 ประการคือ
1. จุดทำงานอยู่ใกล้จุดอิ่มตัว ดังรูปที่ 5 (a) ทำให้สัญญาณอินพุตที่ป้อนเข้าสู่วงจรเกินขอบเขต (Over Driven) จะเห็นว่าด้านบนของ IB ส่วนที่แร เงาเกินจากจุดอิ่มตัวทำให้ทรานซิสเตอร์ที่ขยายกระแส IC ออกมาถูกขริบทางด้านบนด้วย ส่วนด้านล่างกระแส IC ขยายแล้วไม่เกินจุดคัตออฟจึง ไม่ถูกขริบเหมือนด้านบน สำหรับ VCE จะถูกขริบด้านบนเช่นเดียวกัน

รูป ที่ 5 แสดงภาพความเพี้ยนของสัญญาณขาออกที่ได้จากวงจร ขยายทรานซิสเตอร์
2. จุดทำงานอยู่ใกล้จุดคัตออฟ ตามรูปที่ 5 (b) เมื่อจุดทำงาน ของวงจรอยู่ใกล้จุดคัตออฟทำให้การขยายสัญญาณ IB ไปสู่สัญญาณขาออก IC ถูกขริบด้านล่างออกไป คือส่วนที่แรเงาในรูปที่ 5 (b) ทำให้ สัญญาณขาออก IC และ VCE ถูกขริบออกด้านล่างดังรูป
   3. จุดทำงานอยู่กลางเส้นโหลดไฟตรง ตามรูปที่ 5 (c) สภาวะที่ปกติคือการกำหนดจุดทำงาน ของวงจรทรานซิสเตอร์ให้อยู่กลางเส้นโหลดไฟตรง เพราะจะทำให้การขยายสัญญาณขาออกสามารถขยายได้สูงสุดทั้งทางด้านบนและด้าน ล่าง แต่จะเกิดความเพี้ยนของสัญญาณขาออกได้เมื่อป้อนสัญญาณอินพุตมากเกินขอบเขต สัญญาณอินพุตจะถูกขริบทั้งด้านบนและด้านล่าง เป็นผลให้สัญญาณขาออกถูกขริบทั้งสองด้านเช่นเดียวกัน ดังรูปที่ 5 (c)

การไบอัสเบส

การไบอัสเบส (Base Bias) เป็นวิธีการไบอัสทรานซิสเตอร์เบื้องต้น ที่ประกอบไปด้วยแหล่งจ่าย ไบอัสที่คอลเลกเตอร์ (Vcc) และแหล่งจ่ายไบอัสที่เบส (VBB) หรือ อาจใช้แหล่งจ่ายไบอัสชุดเดียวกันก็ได้ ดังแสดงในรูปที่ 6 (a) แสดงการไบอัส ด้วยสัญลักษณ์ของแบตเตอรี่ (VCC) สำหรับรูปที่ 5.9 (b) ใช้ สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันแทน

รูปที่ 6 แสดงวงจรไบอัสเบส (Base Bias)
จากรูปที่ 5.9 VRB = Vcc-Vbe
สมการ 1
เมื่อพิจารณาค่า Icbo เพราะว่า Icbo < < Ic
ดังนั้น Ic = . Ib สมการ 2
และ Vce = Vcc - Ic .RC                                                 สมการ 3
แทนค่า 2 ใน 3
             VCE = Vcc - . Ib . Rc สมการ 4

การไบอัสอิมิตเตอร์

วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์แบบ Emitter Bias นี้มีเสถียรภาพของการทำงานดีกว่าแบบไบอัสเบส ต้องใช้แหล่งจ่ายไบอัส 2 ชุดคือ VCC เป็นแหล่งจ่ายแรงดันบวกไบแอสที่คอลเลกเตอร์และ -VEE เป็นแหล่งจ่ายแรงดันลบไบอัสระหว่างอิมิตเตอร์กับเบส ดังแสดงในรูป 7

รูปที่ 7 แสดงวงจรไบอัสอิมิตเตอร์

จากรูปที่ 7 จะเห็นว่า
สมการ 5
สมการ 6
สมการ 7
สมการ 8
สมการ 9
สมการ 10
เสถียรภาพของวงจรไบอัสอิมิตเตอร์ (Stability of Emitter Bias) ถ้าใช้กฏของเคอร์ชอฟฟ์วิเคราะห์วงจรในรูปที่ 7 สามารถเขียนใหม่ได้ดังรูปที่ 8 เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ที่วงจรไบอัสอิมิตเตอร์

รูปที่ 8 การใช้กฏของเคอร์ชอฟฟ์วิเคราะห์ วงจรในส่วนของเบสและอิมิตเตอร์

สมการ 11

สมการ 12

ปกติค่าของ ดังนั้น

การไบอัสอิมิตเตอร์กับ ทรานซิสเตอร์ PNP (Emitter Biased PNP) วงจรการไบอัสเบื้องต้นแสดง ดังรูปที่ 9

รูปที่ 9 แสดงวงจร Emitter Bias กับ ทรานซิสเตอร์ชนิด PNP

การไบอัสด้วยการแบ่งแรงดัน

การไบอัสด้วยการแบ่งแรง ดัน (Voltage - Divider Bias) ใช้เทคนิคของวงจรแบ่งแรงดันเป็นตัวควบคุมการ เปลี่ยนแปลงของกระแสเบส (Ib) เนื่องจากค่าความ ต้านทาน R1 และ R2 มีค่าคงที่ ดังนั้น Ib จึงเปลี่ยนแปลงไปน้อยกว่า ปกติ และที่อิมิตเตอร์ยังคงมีตัวต้านทาน RE ต่ออยู่คล้ายวงจรไบอัสอิมิตเตอร์ ดังรูปที่ 10

รูปที่ 10 วงจร Voltage-divider Bias

รูปที่ 11 Simplified Voltage-divider
และเมื่อพิจารณาค่าความต้านทานทางด้านอินพุตของวงจร จะเห็นว่าวงจรไบอัสด้วยการแบ่งแรงดันนั้นจะเป็นดังรูปที่ 11 (a), (b) ในวงจรนี้ค่าความต้านทานภายในของเบส คือ Rin(base) ดังรูปที่ 11 (b)
การหาค่าความต้านทานภายในที่เบส (Input Resistance at The Base) การวิเคราะห์เพื่อหาค่า Rin(base) ควรใช้วงจรง่าย ๆ ดังแสดงในรูปที่ 12 โดยตัดส่วนของวงจรแบ่งแรงดันออกไป

รูปที่ 12 แสดงวงจรที่ใช้หาค่า ความต้านทานอินพุตของวงจรไบอัสด้วยการแบ่งแรงดัน
จากรูปที่ 12 เมื่อใช้กฎของโอห์มได้ว่า
สมาการที่14
แต่
เมื่อ
ดังนั้น
แต่
ดังนั้น
ถ้ากำหนดให้กระแส Iin (ในรูป ที่ 12) เท่ากับ Ib แทนค่า ในสมการ 14 ได้ว่า

สมาการที่15
วิเคราะห์วงจรไบอัสด้วยการแบ่งแรงดัน (Analysis of a Voltage-divider Bias Circuit) วงจรที่จะ ใช้วิเคราะห์แสดงในรูป 13 ในการวิเคราะห์เราจะเริ่มพิจารณาที่แรงดันเบส (Vb) แล้วจึงหาค่าแรงดันอิมิตเตอร์ (Ve) และ หาจุดทำงานของวงจร (Vce และ Ic) ตามลำดับดัง นี้

รูปที่ 13 วงจรไบอัสด้วยการแบ่ง แรงดัน (Voltage-divider Bias, NPN Transistor)
แต่ค่าความต้านทานรวมระหว่างเบสกับจุดดินคือ R2 \\ Rin (base) หรือ R2 \\ . Re ด้วยหลักการของ วงจรแบ่งแรงดันจึงหาค่า Vb ได้ว่า
สมการที่16
ถ้า . Re >> R2 จะได้ว่า
สมการที่17
เมื่อรู้ค่า Vb สามารถหาค่า Ve ได้ว่า
สมการที่18
และหาค่า IE ได้ว่า
สมการที่19
เมื่อรู้ค่า Ie สามารถหาค่า Ic และ Vce ได้ดังนี้



สมการที่20
เสถียรภาพของวงจรไบอัสด้วยการแบ่งแรงดัน (Stability of Voltage-divider Bias) เพื่อให้การ วิเคราะห์ง่ายขึ้นจากวงจรในรูป 14 (a) จะใช้ทฤษฎี ของเทวินินช่วยในการวิเคราะห์โดยพิจารณาที่จุด A แปลง วงจรของ R1 และ R2 ให้อยู่ในรูปของวงจรเทียบเท่าของเทวินิน (Thevenin Equivalent Circuit) ดังรูปที่ 14 (b)

รูป ที่ 14 แสดง การใช้วงจรเทียบเท่าของเทวินิน วิเคราะห์วงจรไบอัสด้วยการแบ่งแรงดัน
จากรูปที่ 14 (b) หาค่า RTH ได้จากสมการ


ใช้กฏของเคอร์ชอฟฟ์กับวงจรในรูปที่ 14 (b)

แทนค่า ได้ว่า

หรือ
ถ้า Re >> RTH / จะได้ว่า
สมการ 21
จากสมการ 21 จะเห็นว่า ค่า Ie ไม่ขึ้นอยู่กับค่า โดยตรง นั้นคือกระแส Ic ก็ไม่ขึ้นอยู่กับ ค่า ด้วย (เพราะ ) ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปมาก ๆ ถ้า เปลี่ยนแปลงไป แต่ค่า IC จะไม่เปลี่ยน แปลง แสดงว่าเสถียรภาพของวงจรต่ออุณหภูมิดีกว่าวงจรไบอัสที่เคยศึกษามา
วงจรไบอัสแบบการแบ่งแรงดันกับทรานซิสเตอร์ PNP (Voltage-divider Biased PNP) สังเกตเห็นว่าการไบอัส ทรานซิสเตอร์ PNP นั้นต้องการแรงดันไบอัสที่มีขั้วตรงข้ามกับ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN กรณี้ก็เช่น เดียวกันเราสามารถไบอัสทรานซิสเตอร์ PNP ได้หลาย วิธี เช่น ไบอัสด้วยแรงดันลบ (Negative Supply Voltage) โดย ต่อแหล่งจ่าย -Vvv ที่คอลเลกเตอร์ของ ทรานซิสเตอร์ ดังรูปที่ 15 (a) หรือการไบอัสด้วยแรงดัน บวก (Positive Supply Voltage) โดยต่อแหล่งจ่าย +Vee ที่ อิมิตเตอร์ของวงจรและต่อคอลเลกเตอร์ลงจุดดิน ดังรูปที่ 15 (b) หรืออาจจัดรูป วงจร 15 (b) ใหม่โดยนำอิมิตเตอร์ไว้ด้านบนได้ดังรูป ที่ 16

รูป ที ่15 การ ไบอัสทรานซิสเตอร์ PNP                        รูปที่ 16 นำ อิมิตเตอร์ไว้ด้านบน
จากวงจรรูปที่ 16 กำหนดให้ . RE >> R2
สมการที่22
และ สมการที่23
สมการที่24
และ สมการที่25
สมการที่26

วงจรไบอัสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์

การไบอัสด้วยวิธี ป้อนกลับโดยใช้แรงดันคอลเลกเตอร์ที่เปลี่ยน แปลงไป เมื่อ เปลี่ยนแปลงเนื่อง จากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นมาควบคุมค่ากระแส Ib เพื่อให้ค่ากระแส Ib เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิลดลง และเพื่อให้ค่ากระแส Ib ลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้ค่าของ Ic และ Vce ค่อนข้างคงที่ ผลคือจุดทำงาน (Q-point) ของ วงจรคงที่ด้วย ลักษณะของวงจรไบอัสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์แสดง ในรูปที่ 17

รูปที่ 17 วงจรไบอัสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์ (Collector-feedback Bias)
ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และการทำงานของวงจรไบอัสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์แสดงขั้นตอนโดยละเอียดในรูป ที่ 18 (a), (b), (c), (d), (e)

รูปที่ 18 แสดงเสถียรภาพของวงจรไบอัส ป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง
จากรูปที่ 18 (a) ที่อุณหภูมิ ห้อง (T1) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นทันทีทันใด ดังรูปที่ 18 (a) กระแสเบส Ib จะ ลดลงกระแส Ic จะเพิ่มขึ้น และ Vce จะลดลงเพราะค่า เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นคงที่ที่ T2 ดังรูปที่ 18 (c) กระแส Ib จะ ลดลงและคงที่ ส่วนแรดงัน Vce จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยและคงที่ สำหรับกระแส Icจะลดลงและคงที่ เช่นกัน จะเห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น Ic และ Ib จะลดลงเพื่อชดเชยการเพิ่มขึ้นของ และ Vce ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปจาก อุณหภูมิสูงเช่น T2 ลดต่ำลงในชั่วขณะเริ่มต้นแสดงในรูป 18 (d) ค่า bdc จะลดลงด้วยเป็น ผลให้ Ic ลดลง Ib และ Vce จะเพิ่มขึ้นและเมื่ออุณหภูมิ T2 ลดลงจนคงที่ที่อุณหภูมิ T2 ดังรูปที่ 18 (e) วงจรจะรักษาค่ากระแส Ic และ Vce ให้คงที่อีกครั้ง แต่ค่ากระแส Ib จะเพิ่มขึ้นเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว
การวิเคราะห์วงจรไบอัสป้อนกลับที่คอลเลก เตอร์ (Analysis of Collector Feedback) จากวงจรใน รูปที่ 17
สมการ 27

แต่
แทนค่า IB ในสมการ 27



สมการ 28