กาวทนโลกอเลกทรอนกส 107

7.1 บทนำ

ทรานซสเตอร เปนอปกรณพนฐานทพบไดบอยสดในวงจรอเลกทรอนกสทวๆ ไป เนองจากมการนำทรานซสเตอรไปใชงานในหลายๆ ดาน เชน วงจรในวทย เครองขยายเสยง รวมทงอปกรณของเลนตางๆ นอกจากน ทรานซสเตอรยงเปนอปกรณอเลกทรอนกสทเปนสวนประกอบยอยในวงจรรวม (Integrated Circuit หรอ IC) ชนดตางๆ ดงนนจงมความจำเปนทนกอเลกทรอนกสทกคนจะตองเขาใจการทำงานของทรานซสเตอรเบองตน เพอทจะนำไปพฒนาออกแบบและประยกตใชงานตางๆ ตอไป

ทรานซสเตอรสำหรบวงจรอเลกทรอนกสมหลายชนดดวยกน เชน ทรานซสเตอรแบบไบโพลาร (BipolarJunction Transistor หรอ BJT) หรอทเรยกวาทรานซสเตอรแบบรอยตอพาหะค นอกจากนยงมทรานซสเตอรแบบเจเฟต(Junction Field Effect Transistor หรอ JFET) ทรานซสเตอรแบบมอสเฟต (Metal Oxide Semmiconductor FieldEffect Transistor หรอ MOSFET) ซงใชสนามไฟฟาในการควบคมการทำงาน ในบทนจะกลาวถงทรานซสเตอรแบบมรอยตอพาหะคเทานน สำหรบทรานซสเตอรแบบอนๆ สามารถศกษาไดในระดบสงตอไป

7.2 ทรานซสเตอรแบบรอยตอพาหะค (Bipolar Junction Transistor: BJT)

ทรานซสเตอรแบบรอยตอพาหะค (ซงตอไปจะเรยกสนๆ วา “ทรานซสเตอร”) มโครงสรางดงแสดงในรปท 7.1ประกอบไปดวยรอยตอสารกงตวนำแบบพและเอน ตอชนกน ดงแสดงในรปซงเปรยบเสมอนกบไดโอด 2 ตว ตอชนกนทำใหมทรานซสเตอรเกดขน 2 ชนดคอชนดพเอนพและชนดเอนพเอน ดงแสดงในรปท 7.1 (ก) และ 7.1 (ข) ตามลำดบจากรปจะเหนวาทรานซสเตอรเปนอปกรณอเลกทรอนกสทม 3 ขา (ตางจากตวตานทานและไดโอดทม 2 ขา) ขาทอยตรงกลางซงจะเปนชนสารกงตวนำทมความหนานอยทสดเรยกวา ขาเบส (Base หรอ B) สวนอกสองขาทเหลอจะเรยกวาขาคอลเลกเตอรและขาอมตเตอร (Collector หรอ C และ Emitter หรอ E) ตามลำดบ

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต108

(ก) แบบพเอนพ (ข) แบบเอนพเอน

รปท 7.1 โครงสรางของทรานซสเตอรแบบพเอนพ และแบบเอนพเอน

ถงแมวาขาคอลเลกเตอรและขาอมตเตอรจะเปนสารกงตวนำชนดเดยวกน แตกมความแตกตางกนตรงทขาอมตเตอรจะมการโดปสารเจอมากกวาทขาคอลเลกเตอร (เขยนแทนดวยสญลกษณ “ + ” ในรป) ซงจากรปดงกลาวไดแสดงถงสญลกษณของทรานซสเตอร ทงชนดพเอนพและชนดเอนพเอนดวย สงเกตวาทขาอมตเตอรเปนขาทแสดงทศทางของลกศรซงหมายถงทศทางของกระแสทวงผาน อยางเชน ในกรณของทรานซสเตอรชนดพเอนพในรปท 7.1 (ก) ขาอมตเตอรจะตอกบขาของลกศรทมทศทางพงเขาไปในทรานซสเตอร นนหมายความวาทศทางของกระแสจะวงจากขาอมตเตอรไปสขาคอลเลกเตอร ขณะทชนดเอนพเอน ในรปท 7.1 (ข) ขาอมตเตอรตอกบลกศรทมทศทางทพงออกจากตวทรานซสเตอรซงหมายถงทศทางของกระแสทวงผานทรานซสเตอรกระแสทไหลผานน จะมากหรอนอยขนอยกบกระแสทขาเบส สำหรบใชในการควบคมการทำงานของทรานซสเตอร ซงจะกลาวในหวขอถดไป

ขอสงเกตอยางหนงของทรานซสเตอรแบบรอยตอพาหะคกคอ พาหะททำใหเกดกระแสในตวทรานซสเตอรจะไดจากอเลกตรอนและโฮล (นนคอทมาของชอ “พาหะค”) โดยในทรานซสเตอรชนดพเอนพจะมโฮลเปนพาหะสวนใหญ(เพราะทขาคอลเลกเตอรและขาอมตเตอรถกโดปดวยสารกงตวนำชนดพ) ดงนนกระแสทผานทรานซสเตอรชนดพเอนพจงเกดจากโฮลเคลอนทมากกวาอเลกตรอนเคลอนท ขณะทกระแสทว งผานทรานซสเตอรชนดเอนพเอนจะเปนกระแสทเกดจากอเลกตรอนเคลอนท ซงจะตรงกนขามกบกรณของทรานซสเตอรชนดพเอนพ

7.3 โหมดการทำงานของทรานซสเตอร

ทรานซสเตอรทงสองชนดสามารถทำงานหลกๆ ได 3 โหมด หรอ 3 แบบ ขนอยกบการปอนไฟตรงรอยตอของทรานซสเตอรวาจะเปนในลกษณะใด การปอนไฟตรง (DC) ใหกบทรานซสเตอรดงกลาว เพอกำหนดโหมดใน การทำงานนนเราเรยกวา การไบอส (bias) เนองจากทรานซสเตอรทงสองแบบในรปท 7.1 เปรยบเสมอนไดโอดทตอชนกน โดยมขาเบสเปนขารวมของขาแอโนด (กรณแบบเอนพเอน) กบขาแคโทด (กรณชนดพเอนพ) ดงแสดงในรปท 7.2 ดงนนการไบอสไฟตรงเพอใหไดโหมดการทำงานทตองการจงขนอยกบวาจะปอนไบอสแบบตรง (forward bias) หรอไบอสแบบยอนกลบ (reverse bias) ใหกบรอยตอของทรานซสเตอรระหวางขาเบส-คอลเลกเตอรและระหวางขาเบส-อมตเตอรในลกษณะใด ดงแสดงในตารางท 7.1

C (Collector) C (Collector)

B (Base) B (Base)C

BE

C

BE

P

N

P

N

P

N

กาวทนโลกอเลกทรอนกส 109

(ก) ชนดเอนพเอน (ข) ชนดพเอนพ

รปท 7.2 ลกษณะโครงสรางของทรานซสเตอรเมอเทยบกบไดโอด

ตารางท 7.1 โหมดการทำงานของทรานซสเตอรทขนอยกบการไบอสไฟตรงทรอยตอของทรานซสเตอร

การไบอสรอยตอของทรานซสเตอร รอยตอเบส - อมตเตอร รอยตอเบส - คอลเลกเตอรโหมดในการทำงาน (Base - Emitter Junction) (Base - Collector Junction)1. โหมดในการขยายสญญาณ ไบอสตรง ไบอสยอนกลบ (active mode)2. โหมดอมตว ไบอสตรง ไบอสตรง (saturation mode)3. โหมดคตออฟ ไบอสยอนกลบ ไบอสยอนกลบ (cut-off mode)

จากตารางท 7.1 จะเหนวาการทำงานของทรานซสเตอรนนจะขนอยกบการไบอสไฟใหเหมาะสมกบรอยตอระหวางขาเบส-อมตเตอร และระหวางขาเบส-คอลเลกเตอร ซงผลการทำงานของแตละโหมดจะอธบายในหวขอถดไป แตในทนเพอความเขาใจยงขน พจารณารปท 7.3 ซงเปนการแสดงใหเหนวา ทรานซสเตอรทำงานในโหมดขยายสญญาณทงนเพราะทระหวางขาเบส-อมตเตอรของทรานซสเตอรทงสองจะถกไบอสตรง ขณะทระหวางขาเบส-คอลเลกเตอรถกไบอสยอนกลบ ดงนน จะเหนวาการตอแบตเตอรภายนอกเขาสขาทรานซสเตอรในลกษณะตางๆ จะกำหนดโหมดการทำงานของทรานซสเตอรได สวนปรมาณกระแสและแรงดนไฟฟาทผานตวทรานซสเตอรจะมความสมพนธกนอยางไรนนจะไดกลาวในหวขอถดไป

(ก) ชนดพเอนพ (ข) ชนดเอนพเอน

รปท 7.3 การไบอสใหกบทรานซสเตอร

E

E

E

E

C

C

C

CB

B

B

B

N P N P N P

IC ICIE IEC C EE

RCRCRB

RBBB

ไบอสกลบ ไบอสตรง ไบอสกลบ ไบอสตรง

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต110

7.4 กระแสและแรงดนไฟฟาในทรานซสเตอร

เนองจากทรานซสเตอรเปนอปกรณทม 3 ขา ดงนนจงมกระแสไหลผานแตละขาดงแสดงในรปท 7.4 ซงความสมพนธของกระแสทขาตางๆ ของทรานซสเตอรจะถกกำหนดเปนคาคงท ขนอยกบเบอรของทรานซสเตอร โดยดไดจากตารางขอมลของทรานซสเตอรเบอรนนๆ

(ก) ชนดพเอนพ (ข) ชนดเอนพเอน

รปท 7.4 ทศทางการไหลของกระแสในทรานซสเตอร

เนองจากพาหะทอยในชนสารทขาเบสมปรมาณนอย (ชนสารทขาเบสมความหนานอยกวาชนสารทคอลเลกเตอรและทขาอมตเตอรตามลำดบ) ดงนนกระแสทขาเบสหรอ IB จงมคานอยมากเมอเทยบกบกระแสทขาคอลเลกเตอร ICตามลำดบและกระแสทขาอมตเตอร IE แตจากรปท 7.4 นจะเหนวากระแสทไหลในทรานซสเตอรมทศทางจากขาคอลเลกเตอรไปยงอมตเตอร (ถาเปนแบบเอนพเอนในรป (ข)) และมทศทางจากขาอมตเตอรไปยงคอลเลกเตอร (ในแบบพเอนพในรป (ก)) โดยมทศของกระแสเบสพงเขาและพงออกจากตวทรานซสเตอรตามลำดบ ทำใหเราไดความสมพนธของกระแสทไหลเขา - ออกตวทรานซสเตอรเปน

IE = IC + IB (7.1)

เนองจาก IB ⟨⟨ IE และ IC มากๆ โดยทวไปแลวเราอาจประมาณไดวากระแส IE มคาเทากบกระแส IC (IE ≈ IC)ปรมาณกระแสในสมการท 7.1 นเปนปรมาณกระแสตรง (DC) ซงอาจจะเขยนแทนดวยตวพมพใหญและตวหอย(Subscript) ตวใหญ ซงถอเปนปรมาณกระแสทใชไบอสทรานซสเตอร

กระแส IB , IE และ IC มความสมพนธกนดวยคา α และ β ดงนนยาม: 1) คา α เปนอตราสวนของคากระแสคอลเลกเตอร (IC) ตอกระแสอมตเตอร (IE)

α = (7.2)ICIE

IE IEIC ICP N P N P N

E EC CBB

IB IB

IB IBIC IC

IE IE

C C

B BE E

กาวทนโลกอเลกทรอนกส 111

2) คา β เปนอตราสวนของคากระแสคอลเลกเตอร (IC) ตอกระแสเบส (IB)β = (7.3)

ทงคา α และ β นจะพบไดในตารางแสดงขอมล (data sheet) ของทรานซสเตอรเบอรนนๆ โดยคา αจะมคาประมาณ 1 (0.9 ถง 0.99) สวนคา β (เรยกอกอยางหนงวาคา hFE) จะมคาตงแต 20-200 โดยประมาณ คาทงสองคานจะใชเปนตวแปรทสำคญในการออกแบบการทำงานของทรานซสเตอร ซงเมอพจารณาจากสมการท 7.2 และ 7.3จะพบวาอตราสวนของคา α และ β ดงกลาวกคอ อตราการขยายของกระแส (current gain) เพราะเปนอตราสวนของปรมาณกระแสของทรานซสเตอร โดยจะกลาวอกครงในหวขอโหมดการทำงานแบบขยายสญญาณ สำหรบแรงดนไฟฟาตรงทตกครอมตวทรานซสเตอรจะขนอยกบลกษณะการตอแบตเตอรภายนอกกบตวตานทานเขากบทรานซสเตอร ตวอยางเชน ถาเรามวงจรไบอสทรานซสเตอร ดงแสดงในรปท 7.5 เราสามารถหาแรงดนไฟฟาทจดตางๆ ของทรานซสเตอรไดดงน

จากรปจะเหนวาทขาอมตเตอรตอลงกราวด ดงนนแรงดนไฟฟาทขาอมตเตอรเมอเทยบกบกราวดจงเทากบศนย(VE = 0) ขณะทขาหนงของ RC ตอเขากบขวบวกของแบตเตอร ซงมคาเทากบ VCC ดงนนเมอหกคาแรงดนไฟฟาทตกครอมRC ซงเทากบ ICRC ดงแสดงในรปจะไดวา

VC = VCC - ICRC (7.4)โดยท VC คอแรงดนทขาคอลเลกเตอรเทยบกบกราวน

รปท 7.5 การหาคา แรงดนไฟฟาทจด VE, VB และ VC

พจารณาการหาคาแรงดนไฟฟาทขาเบสหรอ VB โดยเทยบกบกราวด สามารถหาไดในลกษณะเชนเดยวกนกบVC จากรปจะเหนวา

VB = VBE + VE (7.5)ในกรณวงจรรปท 7.5 เนองจากไมมความตานทาน RE ตอทขาอมตเตอร นนคอ VE = IE RE = 0 ดงนนจงได

VB = VBE และเนองจากรอยตอเบส-อมตเตอร เปนแบบเดยวกนกบรอยตอพเอนของไดโอด ดงนนเมอตอขวแบตเตอรVBB ดงรปท 7.5 จงทำใหเกดไบอสตรงทรอยตอ ซงจะมแรงดนไฟฟาตกครอมดงน

VBE = 0.7 โวลต (7.6)

ICIB

RC

VCC

ICVCVB

VB VCE

IEVE

VBERBVBB

IB

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต112

คา VBE = 0.7 โวลตจะเปนคาแรงดนคงทของทรานซสเตอรทกตว (ททำจากซลกอน) เชนเดยวกนกบในทรานซสเตอรชนดพเอนพ จะมคาดงกลาวเปน VEB = 0.7 โวลต เชนกน (สงเกตการกลบขวแรงดนไฟฟา VEB เทยบกบVBE ในกรณของทรานซสเตอรชนดเอนพเอน)ตวอยางท 7.1 จงหาคากระแส IB IC IE VB และ VC ของวงจรทรานซสเตอรตอไปนกำหนดใหทรานซสเตอรดงกลาวมคา

β = 50

วธทำ เนองจากทรานซสเตอรในวงจรเปนชนดเอนพเอน ดงนน VBE = 0.7 โวลต และไมม RE ตอทขาอมตเตอร จะไดVB = VBE = 0.7 โวลต ทำใหเราไดแรงดนทตกครอม RB = VBB - VB ซงสามารถหากระแสเบสไดดงนIB = VBB - VB = 5 V - 0.7 V = 430 μΑ

ซงเมอหากระแสเบส IB ไดแลว จะทำใหเราไดกระแสตางๆ ตามนIC = βIB = 50 * 430 μΑ = 21.5 mAIE = IC + IB = βIB + IB = (β + 1) IB = 51 * 430 μΑ = 21.93 mAVC = VCC - ICRC = 25 V - (21.50 mA) (1 KΩ) = 3.5 โวลต

7.5 ความสมพนธระหวางกระแส IC และแรงดนไฟฟา VCE ของทรานซสเตอรดงทไดกลาวมาแลวในตารางท 7.1 จะเหนไดวาถาตองการใหทรานซสเตอรทำงานในโหมดขยายสญญาณ เราจะ

ตองทำการไบอสแรงดนไฟตรงใหรอยตอเบส-อมตเตอรเปนไบอสตรง และรอยตอเบส-คอลเลกเตอรเปนไบอสยอนกลบเมอพจารณาทรานซสเตอรชนดเอนพเอน ดงแสดงในรปท 7.6 (ก) จะเหนวาเราไดใสแบตเตอรทปรบคาไดทขาเบสเปนVBB และทขาคอลเลกเตอรเปน VCC โดยการปรบคา VBB หนงๆ จะไดคากระแสเบส IB หนงคา ซงจะสงผลใหไดกระแสคอลเลกเตอรท สมพนธกบกระแสเบสคาน นๆ ดวย โดยมความสมพนธเปนไปตามสมการท 7.3 (Ic = βIB)เมอเราหาความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนไฟฟาทตกครอมคอลเลกเตอร-อมตเตอร VCE จะไดดงรปท 7.6 (ข)

RB 10 KΩ

VCCVC

RC

1 K

25 V

VC

VBRB

10 KVE

VB

5 V

β = 50

กาวทนโลกอเลกทรอนกส 113

(ก) (ข)

รปท 7.6 ความสมพนธระหวางกระแส และแรงดนไฟฟา VC E

พจารณาในรปท 7.6 (ข) ขณะทเราปรบคาแรงดนไฟฟา VBB = 0 จะไดกระแส IB = 0 ดวยเปนผลทำใหไมมกระแสไฟฟาไหลผานทรานซสเตอร VCE = 0 จงไดคลำดบ (VCE , IC) อยทจดเรมตน (0,0) จด A แตเมอปรบคา VBB ไวคงทคาหนงจะเกดกระแส IB ไหลผานรอยตอเบส-อมตเตอร และเมอเรมทำการปรบแรงดนไฟฟา VCC ใหกระแส IC ไหล กระแส ICจะไหลผานทรานซสเตอรมปรมาณจากจด A ถงจด B ในรป (ข) ซงเปนจดท IC = βIB แตเมอปรบแรงดนไฟฟา VCCตอไปอกจนไดแรงดนไฟฟาตกครอมรอยตอคอลเลกเตอรอมตเตอร VCE มากกวา 0.7 โวลต จะสงผลใหรอยตอเบส-คอลเลกเตอรเรมเขาสการไบอสยอนกลบและ IC เรมคงทกลาวคอ กระแสคอลเลกเตอร IC เรมเขาสสภาวะอมตว ถงแมวาจะปรบคาแรงดนไฟฟา VCE เพมขนอกเทาไร กระแส IC กจะไมมากไปกวานแลว ทรานซสเตอรจงเรมทำงานในโหมดขยายสญญาณ ดงนนจะเหนวาคากระแส IB หนงๆ ซงไดจากการปรบแรงดนไฟฟา VBB จะมกราฟความสมพนธดงแสดงในรปท7.6 (ข) ซงถาเราปรบคาแรงดนไฟฟา VBB ใหไดกระแสเบส IB หลายๆ คา จะไดกราฟแสดงความสมพนธระหวางกระแสIC และแรงดนไฟฟา VCE ดงแสดงในรปท 7.7 (ก)

(ก) IB1 ⟨ IB2 ⟨ .... ( IB5 (ข) แสดงสมการเสนโหลด

รปท 7.7 กระแส IB ตางๆ รวมทงสมการเสนโหลด

VB

IB

RBVB

+- -

+

VCE

RC

IC

VCC

IC

VCE0A

B

0.7 V

สมการเสนโหลด

ความชน = -1/RC

IC

IC5IC4IC3IC2IC1

IB5IB4IB3IB2IB1

VCE

IC

IC5IC4IC3IC2IC1

IB5IB4IB3IB2IB1

VCE

QA

QB

QC

IC = βIB

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต114

เมอพจารณาวงจรในรปท 7.6 (ก) อกครง จะเหนวาแรงดนไฟฟา VCC จะมคาเปนVCC = IC RC + VCE

ซงเมอทำการจดรปใหมจะได

IC = - 1 VCE + 1 VCC (7.7) RC RC

สมการท 7.7 นเปนสมการเสนตรง เมอเทยบกบสมการเสนตรง y = mx-c จะเหนวาคา ในสมการท 7.7 จะเปนคาความชนจากความตานทาน RC ในวงจรรปท 7.6 (ก) เปรยบ RC เสมอนโหลดของวงจรทรานซสเตอร ดงนนสมการท7.7 น จงเรยกวาสมการเสนโหลด (load line equation) ซงนำไปเขยนไดดงรปท 7.7 (ข) จะเหนวาความชน (slope)ของสมการเสนโหลดนจะมากหรอนอยขนอยกบคาโหลด RC เมอลากสมการเสนโหลดนไปตดกบกระแสเบส IB ตางๆจะไดจดทเราเรยกวา “จดทำงาน” (Quiescent) หรอ Q-point ซงเปนจดทกำหนดวาทรานซสเตอร จะทำงานในโหมดใดในรปท 7.7 (ข) ไดแสดงจด Q ดงกลาวไว 3 จดดวยกน คอ จด QA เปนจดทเสนโหลดตดกบกระแสเบส IB (ซงมคาสงสดในวงจรรปน) จดทำงานท QA น ยงเปนจดทรอยตอเบส-คอลเลกเตอรถกไบอสตรงอย ดงนนถาเราออกแบบวงจรใหมจดทำงานของวงจรอยบรเวณจด QA ดงแสดงในรปท 7.7 (ข) จะทำใหทรานซสเตอรทำงานในโหมดอมตว (saturation mode)แตถาเราปรบแรงดนไฟฟา VBB ใหไดกระแสเบส IB3 มาตดกบสมการ เสนโหลดบรเวณกงกลางของกราฟ (แถวๆ จดQB) จะทำให VCE มากกวา 0.7 โวลต ซงนนคอแรงดนทรอยตอระหวางเบส-คอลเลกเตอรไดถกไบอสยอนกลบ ดงนนจดทำงานบรเวณแถวๆ QB จะเปนจดททำใหทรานซสเตอรทำงานในโหมดขยายสญญาณ (active mode) ขณะทจดทำงานจดสดทายในรป คอบรเวณจด QC ซงจะมกระแสเบสไหลนอยมาก จนแทบกลาวไดวา IB≈ 0 เปนจดทเปรยบเสมอนกบวาเปนการปรบคา VBB ≈ 0 ทำใหไมมกระแสเบส IB จงสงผลใหไมมกระแสคอลเลกเตอร นนคอ IC = βIB ≈ 0 โดยการเลอกจดทำงานบรเวณจด QC นจะทำใหทรานซสเตอรถกไบอสยอนกลบบรเวณรอยตอเบส-อมตเตอร กลาวคอ VBE < 0.7 โวลตทำใหทรานซสเตอรไมอยในสภาวะนำกระแสได เรยกโหมดการทำงานบรเวณจดทำงาน QC วา คตออฟโหมด (cut-off)

ทกลาวมาจะเหนวาทรานซสเตอรสามารถทำงานในโหมดทตางๆ กนได ขนอยกบการเลอกจดทำงานหรอ Q-pointวาอยบรเวณใดของกราฟ IC - VCE ในหวขอตอไปจะกลาวถงคณสมบตของการทำงานในแตละโหมด โดยจะเนนโหมดขยายสญญาณ เพราะเปนโหมดทำงานทพบบอยสด เชนในวงจรเครองเสยง เปนตน7.6 การทำงานในโหมดขยายสญญาณของทรานซสเตอร

จากทไดกลาวในหวขอทแลวจะเหนวา การเลอกจดทำงานบรเวณกงกลางของสมการเสนโหลดในกราฟระหวางIC - VCE จะทำใหทรานซสเตอรทำงานในโหมดขยายสญญาณ ซงคำวา “ขยายสญญาณ” นน หมายความวาวงจรจะทำใหเกดอตราการขยาย (gain) โดยทเปนอตราการขยายแรงดน (voltage gain) หรอเปนอตราการขยายกระแส(current gain) กได ขนอยกบชนดของวงจรและการนำสญญาณออกไปใชวาจะเปนกระแสหรอแรงดนไฟฟา เนองจากการคำนวณและสมการตางๆ ในหวขอนคอนขางยงยาก จงขอกลาวเฉพาะประเดนสำคญและสรปสำหรบวงจรขยายแบบตางๆ รวมถงคณสมบตของวงจรขยายเหลานนดวย โดยอาจจะละเวนทมาของสมการเหลานน

ทรานซสเตอรททำงานในโหมดขยายสญญาณนน (ไมวาจะเปนทรานซสเตอรชนดเอนพเอนหรอชนดพเอนพ)มวงจรหลกๆ อยสามแบบ ดงนคอ

1RC

กาวทนโลกอเลกทรอนกส 115

7.6.1 วงจรอมตเตอรรวม (Common Emitter)

รปท 7.8 วงจรแบบอมตเตอรรวม

วงจรขยายสญญาณแบบอมตเตอรรวมแสดงในรปท 7.8 มการปอนสญญาณอนพตเขาทขาเบส (เมอเทยบกบอมตเตอรทตอลงกราวด) และดงสญญาณเอาตพตออกทขาคอลเลกเตอร (เทยบกบขาอมตเตอร) เนองจากสญญาณอนพตVin และสญญาณเอาตพต Vo วดเทยบกบขาอมตเตอรรวมกนสองดาน ดงนนวงจรนจงเรยกวาวงจรขยายสญญาณแบบอมตเตอรรวม ซงวงจรขยายสญญาณแบบทเหลอกมแนวทางการเรยกชอวงจรเชนเดยวกนกบอมตเตอรรวม R1 และ R2ในวงจรทำหนาทสรางแรงดนไบอส VB เพอทำใหเกดกระแสเบส IB ในการพจารณาวงจรไบอส ซงเปนไฟฟากระแสตรง(DC) capacitor หรอตวเกบประจทกตวจะถกเปดวงจร (open circuit) แตขณะทวงจรทำงานในสญญาณไฟสลบ (AC)สญญาณอนพต Vin จะถกปอนจากขาเบสและขยายออกเปนแรงดนไฟฟา Vo ทขาคอลเลกเตอร ซงเปนขาเอาตพตวงจรขยายสญญาณแบบอมตเตอรรวมนจะพบบอยสดในวงจรอเลกทรอนกสทวไป อตราการขยายแรงดน (voltage gain หรอAV) และอตราขยายกระแส (current gain หรอ Ai) ของวงจรนมคณสมบตดงแสดงในตารางท 7.2ตารางท 7.2 คณสมบตของวงจรขยายแบบอมตเตอรรวมอตราการขยายแรง อตราการขยายกระแส ความตานทาน ความตานทาน ลกษณะเฟสของสญญาณดนไฟฟา (voltage (current gain: Ai) ทางฝงอนพต (Ri) ทางฝงเอาตพต (RO)gain AV)

กลบเฟส

จากตารางท 7.2 จะเหนวามคาบางคาซงเปนคาทยงไมไดกลาวถงมากอน ทงนเพอใหงายตอการนำไปใชงานจรงจงขอละทมาของสมการแตละสมการ โดยตวแปรตางๆ จะมคำอธบายดงน

β = อตราสวนระหวางกระแสคอลเลกเตอร IC กบกระแสเบส (IB) (สมการท 7.3)rπ = คาความตานคงทของวงจรขยาย ขนอยกบการไบอสกระแสคอลเลกเตอร โดยท

rπ = βVT IC

โดยท IC = βIB และ VT = 26 mV ทอณหภม 300K (อณหภมหอง) ถอเปนคาคงทอกตวของวงจรขยายแบบทรานซสเตอร

VCC

VBB

Vin

C1

Rin

R1 RC

RO

iO

RLVO

CERE

VEIBR1

VC

VB

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต116

Ri = คาความตานทานทมองจากทางฝงอนพต (ขาเบส) เขาไปในวงจรขยายแบบอมตเตอรรวมมคาคอนขางปานกลางเทาไหร (ดรปประกอบ)

Ro = คาความตานทางทมองจากทางฝงเอาตพต (ขาคอลเลกเตอร) เขาไป ซงมคาขนกบคา RC คำวาลกษณะเฟสของสญญาณ หมายถง สญญาณไฟกระแสสลบ (AC) ทมมมเฟสทตางๆ กน ซงจะเปนไดตงแต 0 ถง 360 องศา ในวงจรขยายแบบอมตเตอรรวมนนจะมเฟสสญญาณเอาตพตกลบเฟสกบของสญญาณอนพต กลาวคอถาใสสญญาณดานฝงบวกไป จะไดสญญาณเอาตพตออกทางดานฝงลบ (จงเรยกวา กลบเฟส)

สำหรบตวเกบประจ CE ในรปจะใสหรอไมใสกได ถาใส CE ดงรป จะเปนวงจรขยายแบบบายพาสหมด (fullybypass) ซงจะทำใหเทอม (β + 1) RE ในตารางท 7.2 เปนศนย เปนผลทำใหวงจรขยายแบบอมตเตอรรวมนมคาอตราการขยายแรงดนไฟฟามากขน แตสญญาณจะไมมเสถยรภาพถาไมใส CE ในรปท 7.8 จะเปนวงจรขยายอมตเตอรรวมแบบไมบายพาส (unbypassed) ซงจะมคาตางๆ ดงตารางท 7.2

วงจรขยายแบบอมตเตอรรวมนจะพบไดในวงจรเครองเสยงหรอวงจรขยายสญญาณตางๆ บอยมาก เพราะสามารถขยายทงกระแสและแรงดนไฟฟา วงจรขยายแบบนจะทำงานทความถสงปานกลาง เมอพจารณาจากสมการแสดงอตราการขยายแรงดนไฟฟา (voltage gain)

AV = = -

จะเหนไดวาถาอยากทำใหมอตราการขยายเพมขนสามารถใส RL มากขน หรอลดคา RE ลง ซงเราจะไดทดลองในหองปฏบตการตอไป

7.6.2 วงจรขยายแบบเบสรวม (Common Base)

รปท 7.9 วงจรแบบเบสรวม

รปท 7.9 เปนวงจรขยายแบบเบสรวม (common base) ซงมสญญาณอนพตปอนเขาทขาอมตเตอรและสญญาณเอาตพตถกดงออกจากขาคอลเลกเตอร โดยมขาเบสเปนขาทถกใชเทยบแรงดนไฟฟารวมกนทงสองฝงวงจรขยายแบบเบสรวม มอตราการขยายกระแสไมด (current gain Ai ≈ 1) และอตราการขยายแรงดน (voltage gain หรอ Av)คอนขางสง สญญาณเอาตพตจะเปนเฟสเดยวกนกบสญญาณอนพต คณสมบตตางๆ ของวงจรขยายแบบเบสรวม มแสดงดงตารางท 7.3

Vo β(RC // RL)Vin RE + ( β + 1) RE

Vin

iin

Rin

RE

VE VC

VB

R2 R1C3

VCC

RCRL

C2

R0i0

V0

กาวทนโลกอเลกทรอนกส 117

ตารางท 7.3 คณสมบตของวงจรขยายแบบเบสรวมอตราการขยาย อตราการขยาย ความตานทานทาง ความตานทานทาง ลกษณะเฟสของสญญาณแรงดนไฟฟา กระแส ฝงอนพต (Ri) ฝงเอาตพต (Ro)

Ro = (RC//RL) ไมกลบเฟส

จากตารางท 7.3 จะเหนวามคา RE เปนคาคงทของวงจรแบบเบสรวมซงคา RE นจะมคาเทากบเมอ α = (สมการท 7.2) และ VT= 26 mv ทอณหภม 300 K โดยความสมพนธระหวาง α และ β จะเปน

α =

จากสมการท 7.10 จะเหนวาวงจรขยายแบบเบสรวมจะมคา RE นอยมาก (ไมเกน 100 Ω) ทำใหวงจรขยายแบบเบสรวมน มคาความตานทานทมองจากทางดานอนพต (Ri) คอนขางตำ จงไมเหมาะทจะนำมาเปนวงจรขยายแรงดนมากนก แตอยางไรกตาม วงจรขยายแบบเบสรวมสามารถทำงานทความถสงๆ ไดด ซงจะพบไดในวงจรภาคแรกๆของเครองรบวทยทวไป

7.6.3 วงจรขยายแบบคอลเลกเตอรรวม (Common Collector หรอ Emitter follower)

รปท 7.10 วงจรขยายแบบคอลเลกเตอรรวม

ในรปท 7.10 เปนวงจรขยายสญญาณแบบคอลเลกเตอรรวม ซงมการปอนสญญาณอนพต Vin เขาทขาเบสและดงสญญาณเอาตพตออกมาจากขาอมตเตอร สญญาณทงสองจะถกวดเทยบกบขาคอลเลกเตอร ซงจะตอลงกราวด ขณะทวงจรทำงานในสภาวะกระแสสลบ (AC) คณสมบตหลกๆ ของวงจรขยายแบบนจะพบวา แรงดนไฟฟาทเอาตพตจะเทากบทสญญาณอนพตปอนให กลาวคอ คาอตราการขยายแรงดนไฟฟา (voltage gain หรอ AV) จะมคาสงปานกลาง เนองจากวงจรขยายชนดนมการดงสญญาณออกจากขาอมตเตอร ดงนนจงมชอเรยกอกชอหนงวา วงจรขยายสญญาณแบบตามอมตเตอร (emitter follower)

ββ +1

ICIB

VTIE

C1

Iin

Rin

VCC

R1

VC

VB

IB VE

R2 RE

R0

i0

RLV0

ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต118

คณสมบตเดนของวงจรขยายแบบคอลเลกเตอรรวมกคอ มคาความตานทานทมองจากฝงอนพตสง ขณะทคาความตานทานทมองจากทางฝงเอาตพตคอนขางตำ และเนองจากมอตราการขยายแรงดนไฟฟา ประมาณเทากบ 1 จงเหมาะทจะนำมาเปนวงจรกนชน (buffer) สำหรบแรงดนไฟฟา เพอใชแยกสวนวงจรออกจากกนไดด7.6 การทำงานเปนสวตชของทรานซสเตอร

ทรานซสเตอรนอกจากจะทำงานในโหมดขยายสญญาณ ซงมวงจรแบบตางๆ ดงในหวขอท 7.6 แลวยงสามารถทำหนาทเหมอนสวตชปด-เปดวงจรไดดวย การทำงานลกษณะดงกลาวคอการประยกตใชงานทรานซสเตอรในโหมดอมตว(saturation mode) และโหมดคตออฟ (cut-off mode) ดงแสดงในรปท 7.11

(ก) cut-off สวตชเปดวงจร (ข) saturation สวตชปดวงจร

รปท 7.11 วงจรทรานซสเตอรททำงานเปนสวตช

ในรปท 7.11 (ก) เปนการทำงานในสภาวะสวตชทเปดวงจร (open circuit) ซงทำไดโดยการใหคาแรงดนไฟฟาทรอยตอเบส-อมตเตอร VBE นอยกวา 0.7 โวลต เปนผลใหทรานซสเตอรทำงานในโหมดคตออฟ ทำใหวงจรเปนเสมอนสวตชทเปดวงจรและ IC = 0 โดยทแรงดนไฟฟาระหวางขาคอลเลกเตอรและขาอมตเตอรอนเปรยบเสมอนหนาสมผสของสวตชมคาเปน

VCE (cut-off) = VCC

ซงเทากบไฟเลยงวงจรทรานซสเตอรนนคอ VCC

สวนในรปท 7.11 (ข) ถาเราปอนสญญาณอนพต VBB มากพอทจะทำใหกระแสเบส IB มคามากจนได IC = βIB =คากระแสอมตวทขาคอลเลกเตอรแลว จะไดวาทรานซสเตอรจะเขาสโหมดการทำงานแบบอมตว (saturation mode)ทำใหวงจรทรานซสเตอรเปนเสมอนสวตชทปดวงจรและแรงดนไฟฟาทตกครอมขาคอลเลกเตอรและอมตเตอร VCE =0 ดงนนจงมกระแสไหลผานทรานซสเตอรในสภาวะสวตชทปดวงจรนเปน

ซงคากระแสเบส IB อยางนอยทจะทำใหเกดสภาวะอมตวจะเทากบ IB(min) =จะเหนวากระแสเบสจะมากหรอนอยนนสามารถกำหนดโหมดการทำงานของทรานซสเตอรในแตละแบบได

เนองจากโหมดการขยายสญญาณจะเปนโหมดการทำงานของทรานซสเตอรทพบไดบอยทสด ดงนนในบทตอไปเราจะศกษาวงจรขยายสญญาณแบบตางๆ โดยใชพนฐานจากหวขอท 7.6 เปนหลก

IC(sat)β

IC(sat)VCCRC

=

VBB = 0 VRB VB

VE

VCE

VC

RC

+VCC +VCC +VCC +VCC

RC

C

IC = 0

EVCE

IB

= 0

+VCC

IB

RB

VB

VE

VC

RC

VCE IB

IC(sat) RC IC(sat)

C

EVCE = 0 V