ترانزیستور چیست ؟

ترانزیستورها دنیای الکترونیک را احاطه کرده‌اند. حضور این قطعات الکترونیکی تقریباً در هر مدار مدرنی به عنوان یک قطعه کنترل حیاتی است. گاهی این قطعات را می‌توان روی بردهای الکترونیکی مشاهده کرد، اما امروزه اغلب در یک مدار مجتمع به کار رفته‌اند و از چشم ما پنهان هستند. در این آموزش مطالبی را برای آشنایی با رایج‌ترین ترانزیستور، یعنی ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT)، بیان می‌کنیم.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستورها قطعات اکتیو سه‌سری هستند که از مواد نیمه‌هادی مختلف ساخته شده‌اند و می‌توانند در کاربردهای ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان یک عایق یا یک رسانا عمل کنند. توانایی ترانزیستور در تغییر بین این دو حالت سبب می‌شود این قطعه دو عملکرد اساسی داشته باشد: سوئیچینگ و تقویت‌کنندگی.

از ترانزیستورها در اندازه‌های کوچک و انواع گسسته، می‌توان برای ساخت سوئیچ‌های الکترونیکی ساده، منطق دیجیتال و مدارهای تقویت‌کننده سیگنال استفاده کرد. هزاران، میلیون‌ها و حتی میلیاردها ترانزیستور در کنار یکدیگر درون تراشه‌های کوچکی تعبیه می‌شوند و حافظه‌های رایانه، ریزپردازنده‌ها و سایر مدارهای مجتمع پیچیده را تشکیل می‌دهند.

هدف ما در این آموزش، این است که درک گسترده‌ای از عملکرد ترانزیستور داشته باشید. همچنین، وارد جزئیات عمیق فیزیک نیمه‌هادی‌ها یا مدل‌های معادل نمی‌شویم. اما به اندازه کافی عمیق به موضوع عملکرد ترانزیستور خواهیم پرداخت تا به این درک برسید که چگونه می‌توان از ترانزیستور به عنوان سوئیچ یا تقویت‌کننده استفاده کرد.دو نوع اساسی از ترانزیستورها وجود دارد: «تزانزیستور پیوندی دوقطبی» (Bipolar Junction Transistor) یا BJT و «ترانزیستور اثر میدان» (Field-Effect Transistor) یا FET. تمرکز ما در این مطلب روی BJT است، زیرا درک آن کمی آسان‌تر است و در این صورت نوع FET را نیز می‌توان به خوبی شناخت. به تفصیل درباره این نوع از ترانزیستورها ترانزیستور BJT خود دو نوع دارد: NPN و PNP. با محدود کردن بحث خود به ترانزیستور NPN، سرعت بیان مطلب را بالا می‌بریم. توجه کنید که با درک صحیح ترانزیستور NPN، مفاهیم ترانزیستورهای PNP و حتی FET را به آسانی متوجه خواهید شد.

نماد ترانزیستور NPN و PNP

ترانزیستورها اساساً سه پایه دارند. در BJT، این پایه‌ها «کلکتور» (Collector)، «بیس» (Base) و «امیتر» (Emitter) نام دارند و آن‌ها را به ترتیب با سه حرف B ،C و E نشان می‌دهیم. شکل زیر نماد دو ترانزیستور NPN و PNP را نشان می‌دهد.

تنها تفاوت نمادهای این دو ترانزیستور، جهت پیکان روی امیتر آن‌ها است. پیکان روی امیتر ترانزیستور NPN به سمت بیرون و جهت پیکان روی امیتر ترانزیستور PNP به سمت داخل ترانزیستور است. شکل زیر دو ترانزیستور BJT را نشان می‌دهد که یکی از آن‌ها NPN و دیگری PNP است.

ترانزیستور از چه چیزی ساخته شده است؟

ترانزیستورها از نیمه‌هادی‌های ساخته شده‌اند و براساس ویژگی‌های آن‌ها کار می‌کنند. نیمه‌هادی ماده‌ای است که هادی خالص (مانند سیم مسی) نیست، از طرفی عایق (مانند هوا) هم نیست. رسانایی (اجازه به برقراری جریان الکترون) یک نیمه‌هادی به متغیرهایی مانند دما یا وجود الکترون‌های کمتر و بیشتر بستگی دارد.

در اینجا کمی عمیق‌تر وارد ساختار ترانزیستور می‌شویم. البته نگران نباشید، نمی‌خواهیم خیلی عمیق به فیزیک آن بپردازیم. ترانزیستورها به نوعی توسعه‌ای از یکی دیگر از قطعات نیمه‌هادی، به نام دیود هستند. به نوعی ترانزیستورها چیزی جز دو دیود نیستند که کاتدها (یا آندهای) آن‌ها به هم پیوند خورده است. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.

اتصال دیود بیس به امیتر در اینجا مهم است و باید با جهت پیکان روی نماد ترانزیستور مطابقت داشته باشد. جهت پیکان جهت جریان گذرنده از ترانزیستور را نشان می‌دهد.

نمایش دیودی ترانزیستور نقطه خوبی برای آشنایی با آن است، اما خیلی دقیق نیست. درک خود از عملکرد ترانزیستور را بر اساس این مدل دیودی قرار ندهید (و اصلاً سعی نکنید که آن را روی برد بورد پیاده‌سازی کنید، زیرا کار نمی‌کند). موارد زیادی در سطح فیزیک کوانتوم وجود دارد که کنش متقابل بین سه ترمینال را کنترل می‌کنند.

در واقع، این مدل زمانی مفید خواهد بود که تست ترانزیستور لازم باشد. با استفاده از گزینه تست دیود (یا مقاومت) روی یک مولتی‌متر، می‌توانید ترمینال‌های BE و BC را تست و وجود دیودها را بررسی کنید.

ترانزیستورها با قرار گرفتن سه لایه مختلف از مواد نیمه‌هادی در کنار هم ساخته می‌شوند. بعضی از این لایه‌ها الکترون‌های اضافی به آن‌ها افزوده شده‌اند (فرایندی به نام دوپینگ یا ناخالص‌سازی یا آلاییدن)، و بعضی دیگر الکترون‌هایشان حذف شده‌اند. در واقع، این مواد با حفره‌ها (عدم وجود الکترون‌ها) آلاییده شده‌اند. به یک ماده نیمه‌هادی با الکترون اضافی نیمه‌هادی نوع n و به ماده‌ای که الکترون از آن خارج شده نیمه‌هادی نوع p گفته می‌شود. n حرف ابتدای واژه negative به معنی منفی است و به این دلیل استفاده می‌شود که بار الکترون منفی است. دلیل استفاده از p نیز مثبت یا positive بودن بار به دلیل وجود حفره است. ترانزیستورها با قرار گرفتن ماده نیمه‌هادی n در دو طرف نیمه‌هادی p یا برعکس ساخته می‌شوند. شکل زیر ساختار ساده یک ترانزیستور NPN را نشان می‌دهد.

 

ترانزیستور چگونه کار می‌کند؟

الکترون‌ها به شرط آنکه اندکی نیرو (ولتاژ) برای حرکت داشته باشند، به راحتی می‌توانند از ناحیه n به ناحیه p منتقل شوند. اما برقراری جریان از ناحیه p به ناحیه n واقعاً سخت است (به ولتاژ زیادی نیاز دارد). نکته خاص در مورد ترانزیستور که مدل دو دیودی ما را ناتوان می‌کند، این واقعیت است که در صورت بایاس مستقیم پیوند بیس-امیتر، الکترون‌ها می‌توانند به راحتی از بیس نوع p به کلکتور نوع n منتقل شوند. بایاس مستقیم بیس-امیتر یعنی اینکه ولتاژ بیس نسبت به ولتاژ امیتر بزرگ‌تر است.

ترانزیستور NPN برای گذر الکترون از امیتر به کلکتور طراحی شده است (بنابراین جهت قراردادی جریان از کلکتور به امیتر است). امیتر الکترون‌هایی را به بیس می‌فرستد (emit می‌کند). بیس تعداد الکترون‌های گسیل شده را کنترل می‌کند. اکثر الکترون‌های گسیل شده توسط کلکتور جمع یا collect می‌شوند و سپس در مدار گردش می‌کنند.

ترانزیستور PNP به روشی مشابه، اما برعکس کار می‌کند. در این ترانزیستور، باز هم بیس جریان را کنترل می‌کند، اما این جریان در جهت مخالف، یعنی از امیتر به کلکتور، برقرار است. این بار، امیتر به جای الکترون‌ها، حفره‌ها را گسیل می‌دهد که توسط کلکتور جمع می‌شوند.

ترانزیستور به نوعی مانند یک شیر الکترون است. بیس مانند سرِ شیر است که می‌توانید آن را تنظیم کنید تا الکترون‌ها بیشتر یا کمتر از امیتر به کلکتور منتقل شوند. این تشبیه را در ادامه بیشتر بررسی می‌کنیم.

مقایسه ترانزیستور با شیر آب

تشبیه و مقایسه مفاهیمی که دسترسی بصری به آن‌ها برایمان به راحتی میسر نیست با موارد ملموس، کمک زیادی به ما در درک آن‌ها خواهد کرد. بدین منظور، ترانزیستور را با شیر آب مقایسه می‌کنیم. برای مقایسه ترانزیستور با شیر آب، جریان الکتریکی را مشابه دبی آب در نظر می‌گیریم. همچنین، ولتاژ را مشابه فشار آب درون لوله و و مقاومت الکتریکی را متناظر با سطح مقطع لوله فرض می‌کنیم.

جای تعجب نیست که می‌توان قیاس آب را به ترانزیستورها نیز تعمیم داد: ترانزیستور مانند شیر آب است؛ ساز و کاری که می‌توانیم برای کنترل سرعت دبی آب از آن استفاده کنیم.

سه حالت در مدار وجود دارد که می‌توانیم از مثال شیر آب در آن‌ها استفاده کنیم و هر کدام تأثیر متفاوتی بر میزان جریان در مدار دارند. در ادامه، این حالت‌ها را بررسی می‌کنیم.

اتصال کوتاه (ترانزیستور وصل)

یک شیر می‌تواند کاملاً باز باشد و اجازه دهد آب آزادانه جریان یابد. در واقع گویی اصلاً شیری وجود ندارد و آب بدون مانعی در لوله جریان دارد.

به طور مشابه، در شرایط مناسب، یک ترانزیستور می‌تواند مانند یک اتصال کوتاه بین پایه‌های کلکتور و امیتر عمل کند. در این حالت، جریان به کلکتور وارد شده و از امیتر خارج می‌شود.

مدار باز (ترانزیستور قطع)

وقتی شیر بسته است، می‌تواند جریان آب را کاملاً قطع کند.

به همین ترتیب، می‌توان از ترانزیستور برای ایجاد مدار باز بین پایه‌های کلیکتور و امیتر استفاده کرد.

برقراری خطی جریان

با انجام برخی تنظیمات دقیق، می‌توان یک شیر را به گونه‌ای تنظیم کرد تا دبی آب چیزی بین جریان آب ناشی از شیر کاملاً باز و کاملاً بسته باشد.

یک ترانزیستور می‌تواند همین کار را انجام دهد؛ یعنی کنترل جریان به صورت خطی از طریق مدار در یک مقداری بین کاملاً قطع (مدار باز) و کاملاً وصل (اتصال کوتاه).

سطح مقطع لوله مشابه مقاومت در مدار است. اگر یک شیر بتواند سطح مقطع لوله را به خوبی تنظیم کند، در این صورت یک ترانزیستور می‌تواند مقاومت بین کلکتور و امیتر را به خوبی تنظیم کند. بنابراین، به نوعی، ترانزیستور مانند مقاومت متغیر قابل تنظیم است.

تقویت‌کنندگی

یک قیاس دیگر وجود دارد که می‌توانیم بیان کنیم. تصور کنید که با کمی چرخش شیر می‌توانید سرعت جریان دریچه‌های یک سد بزرگ را کنترل کنید. نیروی بسیار کمی که برای چرخاندن شیر صرف می‌کنید، توانایی ایجاد نیرویی هزاران برابر بیشتر را دارد. ترانزیستورها می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی را تقویت کنند و سیگنال کم‌توان را به سیگنالی مشابه با توان بسیار بالاتر تبدیل کنند.

نواحی عملکرد ترانزیستور NPN

برخلاف مقاومت‌ها، که رابطه بین ولتاژ و جریان آن‌ها خطی است، ترانزیستورها قطعاتی غیرخطی هستند. در واقع، ترانزیستورها چهار حالت یا ناحیه عملکرد مشخص دارند که جریان عبوری از آن‌ها را توصیف می‌کند (باز هم تأکید می‌کنیم هنگامی که در مورد جریان گذرنده از ترانزیستور صحبت می‌کنیم، معمولاً منظورمان جریان از کلکتور به امیتر ترانزیستور NPN است.)

چهار حالت عملکرد ترانزیستور عبارتند از:

• اشباع (Saturation): ترانزیستور در این ناحیه مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند و جریان آزادانه از کلکتور به امیتر برقرار است.
• قطع (Cut-off): در این ناحیه عملکرد، ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل می‌کند و هیچ جریانی از کلکتور به امیتر عبور نمی‌کند.
• فعال (Active): جریان کلکتور به امیتر متناسب با جریانی است که به بیس وارد می‌شود.
• فعال معکوس (Reverse-Active): مانند حالت فعال، در این ناحیه نیز جریان متناسب با جریان بیس است، اما جهت جریان برعکس است؛ یعنی جریان از امیتر به کلکتور برقرار است (البته که ترانزیستور معمولاً برای کار در این ناحیه طراحی نشده است).

 

برای تعیین اینکه یک ترانزیستور در کدام ناحیه کاری قرار دارد، باید ولتاژهای موجود در هر سه پایه و نحوه ارتباط آن‌ها با یکدیگر را بررسی کنیم. ولتاژهای از بیس-امیتر (V_BE) و بیس-کلکتور (V_BC) حالت ترانزیستور را مشخص می‌کنند. نمودار زیر به خوبی این موضوع را نشان می‌دهد.

نمودار چهارربعی ساده شده در بالا نشان می‌دهد که چگونه ولتاژهای مثبت و منفی پایه‌ها روی ناحیه کاری ترانزیستور تأثیر می‌گذارند. البته واقعیت کمی پیچیده‌تر از این است.

بیایید هر چهار ناحیه کاری ترانزیستور را به صورت جداگانه بررسی کنیم. نحوه قرار دادن ترانزیستور در ناحیه کاری و تأثیر آن بر جریان را بررسی خواهیم کرد.

باز هم یادآوری می‌کنیم که تمرکز ما روی ترانزیستورهای NPN است. برای درک نحوه کار کردن ترانزیستور PNP، کافی است پلاریته یا علائم > و < را برعکس کنید.

حالت اشباع

اشباع حالت روشن یا وصل ترانزیستور است. ترانزیستور در حالت اشباع مانند یک اتصال کوتاه بین کلکتور و امیتر عمل می‌کند.

در حالت اشباع هر دو «دیود» موجود در ترانزیستور بایاس مستقیم هستند. این یعنی V_BE و همچنین V_BC باید بزرگ‌تر از ۰ باشد. به عبارت دیگر، V_B باید بزرگ‌تر از V_E و V_C باشد.

VB>VCVB>VE

از آنجا که اتصال از بیس به امیتر دقیقاً مانند یک دیود به نظر می‌رسد، در واقع V_BE برای ورود به اشباع باید از یک «ولتاژ آستانه» (Threshold Voltage) بزرگ‌تر باشد. این ولتاژ با نمادهای مختلفی مانند V_th ،V_γ و V_d نشان داده می‌شود و مقدار واقعی آن برای ترانزیستورهای مختلف متفاوت است و حتی به دما نیز بستگی دارد. برای بسیاری از ترانزیستورها (در دمای اتاق) می‌توانیم این افت ولتاژ را تقریباً 0٫6 ولت در نظر بگیریم.

واقعیت این است که هدایت کاملی بین امیتر و کلکتور وجود نخواهد داشت و بین این دو پایه اندکی افت ولتاژ ایجاد می‌شود. در دیتاشیت ترانزیستور، این ولتاژ به صورت ولتاژ اشباع CE و با نماد V_CE(sat) تعریف می‌شود که همان ولتاژ لازم کلکتور-امیتر برای برای اشباع است. این مقدار معمولاً در حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۲ ولت است. در واقع، این ولتاژ نشان می‌دهد که V_C باید کمی بزرگ‌تر از V_E باشد تا ترانزیستور در حالت اشباع قرار گیرد (البته هنوز هم هر دو کوچک‌تر از V_B هستند).

حالت قطع

ناحیه قطع در مقابل اشباع است. ترانزیستور در حالت قطع خاموش است و جریان کلکتور و بنابراین جریان امیتر وجود ندارد و تقریباً شبیه مدار باز است.

برای قرار دادن ترانزیستور در حالت قطع، ولتاژ بیس باید کمتر از ولتاژ امیتر و ولتاژ کلکتور باشد. این یعنی V_BC و V_BE هر دو باید منفی باشند.

VC>VBVE>VB

در عمل، V_BE باید در مقداری بین 0 ولت و V_th (0٫6 ولت) باشد تا به حالت قطع برسد.

حالت فعال

برای کار در ناحیه فعال، V_BE ترانزیستور باید بزرگ‌تر از صفر و V_BC منفی باشد. بنابراین، ولتاژ بیس باید کوچک‌تر از ولتاژ کلکتور و بزرگ‌تر از ولتاژ امیتر باشد. این همچنین بدین معنی است که ولتاژ کلکتور باید بزرگتر از ولتاژ امیتر باشد.

VC>VB>VE

در واقع، برای «روشن کردن» ترانزیستور به افت ولتاژ غیرصفر مستقیم (به اختصار V_th ،V_γ یا V_d) بیس به امیتر (V_BE) نیاز داریم. این افت ولتاژ معمولاً در حدود 0٫6 ولت است.

حالت فعال قوی‌ترین حالت ترانزیستور است، زیرا آن را به یک «تقویت‌کننده» (Amplifier) تبدیل می‌کند. جریان ورودی به پایه بیس، جریان ورودی به کلکتور و جریان خروجی امیتر را تقویت می‌کند.

از نماد β برای نشان دادن «بهره» یا گین «Gain» (عامل تقویت‌کنندگی) یک ترانزیستور استفاده می‌کنیم (همچنین ممکن است آن را با نمادهای β_F یا h_FE مشاهده کنیم). بهره β رابطه خطی بین جریان کلکتور (I_C) و جریان بیس (I_B) را بیان می‌کند:

IC=βIB

مقدار واقعی β برای ترانزیستورهای مختلف متفاوت است. مقدار آن معمولاً در حدود 100 است، اما بسته به اینکه از چه ترانزیستوری استفاده می‌شود  و چه میزان جریانی از آن عبور می کند، می‌تواند از 50 تا 200 و حتی 2000 نیز باشد. به عنوان مثال، اگر اندازه β ترانزیستور ۱۰۰ باشد، یعنی اینکه جریان ورودی 1 میلی‌آمپر به بیس می‌تواند جریان کلکتور 100 میلی‌آمپری را تولید کند.

شکل زیر مدل حالت فعال ترانزیستور را نشان می‌دهد که در آن، V_BE=V_th و I_C=βI_B.

اما اندازه جریان امیتر (I_E) چقدر است؟ در حالت فعال، جریان‌های کلکتور و بیس وارد ترانزیستور می‌شوند و جریان امیتر خارج می‌شود. برای ارتباط جریان امیتر با جریان کلکتور، مقدار ثابت دیگری نیز داریم که به آن بهره جریان «بیس مشترک» (Common-base) می‌گوییم و آن را با α نشان می‌دهیم. این پارامتر، جریان‌های کلکتور و امیتر را به صورت زیر با هم مرتبط می‌کند:

 

IC=αIE

مقدار α بسیار نزدیک به ۱ و البته کوچک‌تر از آن است. این بدین معنی است که در حالت فعال، I_C بسیار نزدیک به I_E و کوچک‌تر از آن است.

مقدار β را می‌توان از α و بالعکس، به دست آورد:

β=α1−αα=ββ+1

برای مثال،اگر β برابر با ۱۰۰ باشد، یعنی α برابر با ۰٫۹۹ است. در نتیجه، اگر I_C برابر با ۱۰۰ میلی‌آمپر باشد، یعنی I_E برابر با ۱۰۱ میلی‌آمپر است.

 

حالت فعال معکوس

همان‌طور که ناحیه اشباع در برابر ناحیه قطع قرار می‌گیرد، حالت فعال معکوس برعکس حالت فعال است. ترانزیستور در حالت فعال معکوس هدایت و حتی تقویت می‌کند، اما جریان آن در جهت مخالف و از امیتر به کلکتور است. نکته منفی در حالت فعال معکوس این است که β (در این حالت β_R) بسیار کوچک است.

برای قرار دادن ترانزیستور در ناحیه فعال معکوس، ولتاژ امیتر باید بزرگ‌تر از ولتاژ بیس و ولتاژ بیس بزرگ‌تر از ولتاژ کلکتور بیشتر باشد (V_BE<0 و V_BC>0).

VC<VB<VE

حالت فعال معکوس معمولاً حالتی نیست که بخواهیم ترانزیستور در آن کار کند، اما دانستن آن لازم است.

نواحی عملکرد ترانزیستور PNP

آنچه تاکنون بیان کردیم مربوط به ترانزیستور NPN بود و که نوعی از ترانزیستورهای BJT هستند. اما در مورد ترانزیستورهای PNP چطور؟ کار ترانزیستور PNP بسیار شبیه به NPN است و آن‌ها هم چهار ناحیه کاری دارند. برای اینکه بدانید با توجه به اندازه ولتاژها نسبت به یکدیگر، یک ترانزیستور PNP در کدام حالت قرار دارد، باید همه علائم < و > مربوط به ترانزیستور NPN را معکوس کنید.

به عنوان مثال، برای قرار دادن یک ترانزیستور PNP در ناحیه اشباع، ولتاژهای V_C و V_E باید بزرگ‌تر از V_B باشند. ولتاژ بیس را کم می‌کنیم تا ترانزیستور PNP روشن شود. در طرف مقابل، آن را بزرگ‌تر از کلکتور و امیتر قرار می‌دهیم تا خاموش شود. همجنین، برای قرار دادن PNP در حالت فعال، V_E باید بزرگ‌تر از V_B باشد و V_C از هردو آن‌ها کوچک‌تر باشد.

روابط ولتاژ	حالت NPN	حالت PNP
VE<VB<VC	فعال	معکوس
VE<VB>VC	اشباع	قطع
VE>VB<VC	قطع	اشباع
VE>VB>VC	معکوس	فعال

یکی دیگر از تفاوت‌های ترانزیستورهای NPN و PNP جهت جریان آن‌ها است. در حالت‌های فعال و اشباع، جریان PNP از امیتر به کلکتور است. این یعنی ولتاژ امیتر باید بزرگ‌تر از ولتاژ کلکتور باشد.

کار ترانزیستور چیست؟

قابلیت ترانزیستور در تغییر بین دو حالت سبب می‌شود این قطعه دو کاربرد اساسی داشته باشد: سوئیچینگ و تقویت‌کنندگی. از ترانزیستورها در اندازه‌های کوچک و انواع گسسته، می‌توان برای ساخت سوئیچ‌های الکترونیکی ساده، منطق دیجیتال و مدارهای تقویت‌کننده سیگنال استفاده کرد. هزاران، میلیون‌ها و حتی میلیاردها ترانزیستور در کنار یکدیگر درون تراشه‌های کوچکی تعبیه می‌شوند و حافظه‌های رایانه، ریزپردازنده‌ها و سایر مدارهای مجتمع پیچیده را تشکیل می‌دهند.

در ادامه، کاربردهای رایج ترانزیستورها را بیان کنیم. آشنایی با این کاربردها، درک ما از مفاهیم نظری ترانزیستورها را عمیق‌تر خواهد کرد.

سوئیچینگ

یکی از اساسی‌ترین کاربردهای ترانزیستور استفاده از آن برای کنترل جریان برق قسمت دیگری از مدار است. در واقع، در این موارد، ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ الکتریکی به کار می‌رود. ترانزیستور در حالت قطع و یا اشباع می‌تواند نقش باینری خاموش و روشن سوئیچ را ایفا کند.

سوئیچ‌های ترانزیستوری بلوک‌های مهمی در ساختار مدار هستند. از آن‌ها برای ساخت گیت‌های منطقی استفاده می‌شود که در ساخت میکروکنترلرها، میکروپروسسورها و سایر مدارهای مجتمع به کار می‌روند. در ادامه، چند مدار نمونه را بررسی می‌کنیم.

کلید ترانزیستوری

در اینجا، با پایه‌ای‌ترین مدار کلید ترانزیستوری آشنا می‌شویم که یک سوئیچ NPN است. می‌خواهیم از یک ترانزیستور NPN برای کنترل یک LED با توان بالا استفاده کنیم.

همان‌طور که در مدار شکل بالا می‌بینیم، ورودی کنترل به بیس وارد می‌شود، خروجی به کلکتور متصل است و ولتاژ امیتر در یک مقدار ثابت نگه داشته می‌شود.

در حالی که یک سوئیچ عادی به محرک نیاز دارد تا از نظر فیزیکی تغییر وضعیت دهد، این کلید ترانزیستوری توسط ولتاژ بیس کنترل می‌شود. با تغییر یک پایه ورودی/خروجی میکروکنترلر به سطح بالا و پایین، مانند آن‌هایی که روی آردوینو هستند، می‌توان برای روشن یا خاموش شدن LED برنامه‌ریزی کرد.

وقتی ولتاژ در بیس بزرگ‌تر از 0٫6 ولت باشد (یا هر مقداری دیگری که مربوط به V_th ترانزیستور مورد استفاده است)، ترانزیستور به حالت اشباع می‌رود و به عنوان یک اتصال کوتاه بین کلکتور و امیتر عمل خواهد کرد. وقتی ولتاژ بیس کمتر از 0٫6 ولت باشد، ترانزیستور در حالت قطع است و هیچ جریانی برقرار نخواهد بود، بین کلکتور و امیتر مدار باز است.

مدار بالا «سوئیچ سمت ولتاژ پایین» (Low-side Switch) نامیده می‌شود، زیرا سوئیچ (ترانزیستور) در سمت ولتاژ پایین (زمین) مدار است. همچنین می‌توانیم از ترانزیستور PNP برای ساخت سوئیچ سمت ولتاژ بالا استفاده کنیم. که در شکل زیر نشان داده شده است.

در مدار شکل بالا، مشابه مدار NPN، بیس ورودی است و امیتر به ولتاژ ثابت متصل می‌شود و بار به سمت زمین ترانزیستور متصل شده است.

این مدار درست مانند کلید NPN کار می‌کند، اما یک تفاوت بزرگ وجود دارد: برای برق‌دار کردن بار، بیس باید در سطح ولتاژ پایین باشد. این امر می‌تواند عوارضی ایجاد کند، خصوصاً اگر ولتاژ بالای بار (V_CC برابر با 12 ولت بوده و به V_E متصل استر) بزرگ‌تر از ولتاژ بالای ورودی کنترل ما باشد. به عنوان مثال، اگر می خواهید از آردوینو با ولتاژ تغذیه 5 ولت برای خاموش کردن موتور 12 ولت استفاده کنید، این مدار کارایی نخواهد داشت. زیرا، در آن صورت، خاموش کردن سوئیچ غیرممکن است چون V_B (اتصال به پایه کنترل) همیشه کمتر از V_E است.

 

مقاومت‌ بیس

همان‌طور که در شکل‌ها می‌بینیم، هر کدام از این مدارها یک مقاومت سری بین ورودی کنترل و بیس ترانزیستور دارند. اگر این مدار رای پیاده می‌کنید، این مقاومت را فراموش نکنید. ترانزیستورِ بدون مقاومت بیس مانند یک LED است که هیچ مقاومت محدودکننده جریانی ندارد.

به یاد بیاورید که گفتیم ترانزیستور، به نوعی، یک جفت دیود به هم پیوسته است. ما دیود امیتر-بیس را بایاس مستقیم کرده‌ایم تا بار را روشن کنیم. دیود برای روشن شدن فقط به 0٫6 ولت نیاز دارد و ولتاژ بیشتر از این مقدار، به معنای جریان بیشتر است. برخی از ترانزیستورها ممکن است فقط برای حداکثر 10 تا 100 میلی‌آمپر جریان ساخته شده باشند. اگر جریان بیش از حد مجاز باشد، ممکن است ترانزیستور بسوزد.

مقاومت سری بین کنترل و بیس جریان بیس را محدود می‌کند. در واقع، افت ولتاژ بیس-امیتر می‌تواند 0٫6 ولت باشد و بقیه ولتاژ روی مقاومت بیفتد. مقدار مقاومت و ولتاژ دو سر آن جریان را تنظیم می‌کند.

 

مقاومت باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا جریان را به طور مؤثر محدود کند، اما باید به اندازه کافی کوچک نیز باشد که بتواند جریان را به اندازه کافی تغذیه کند. معمولاً ۱ تا ۱۰ میلی‌آمپر کافی است، اما برای اطمینان باید دیتاشیت ترانزیستور مورد استفاده را بررسی کنید.

گیت‌های منطقی

ترانزیستورها را می‌توان برای ساخت گیت‌های منطقی پایه، یعنی گیت AND، گیت OR و گیت NOT به کار برد.

البته گفتن این نکته خالی از لطف نیست که امروزه اغلب از ماسفت‌ها برای ساخت گیت‌های منطقی استفاده می‌شود. ماسفت‌های بازدهی بالاتری دارند و همین موضوع آن‌ها را به عنوان گزینه مناسب قرار می‌دهد.

گیت NOT

شکل زیر مدار ترانزیستوری را نشان می‌دهد که یک معکوس‌کننده یا همان گیت NOT است.

در اینجا یک ولتاژ بالا به بیس اعمال شده و BJT را روشن کده و کلکتور را به امیتر متصل می‌کند. از آنجا که امیتر مستقیماً به زمین متصل است، کلکتور نیز زمین خواهد شد (البته ولتاژ کمی بزرگ‌تر و در حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۲ ولت است). از طرف دیگر، اگر ورودی پایین باشد، ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل کرده و اندازه ولتاژ‌ خروجی V_CC خواهد شد. به این پیکربندی امیتر مشترک می‌گویند.

 

گیت AND

در اینجا یک جفت ترانزیستور وجود دارد که برای ساخت یک گیت AND دو ورودی از آن‌ها استفاده می‌شود.

اگر هر یک از ترانزیستورها خاموش باشد، خروجی در کلکتور ترانزیستور دوم پایین می‌شود. اگر هر دو ترانزیستور روشن باشند (بیس هر دو بالا باشد)، خروجی مدار نیز بالا خواهد بود.

 

گیت OR

شکل زیر مداری گیت OR دو ورودی را نشان می‌دهد.

در این مدار، اگر یکی از A یا B یا هر دو بالا باشد، ترانزیستور مربوطه روشن می‌شود و خروجی بالا را نتیجه خواهد داد. اگر هر دو ترانزیستور خاموش باشند، خروجی پایین می‌شود.

 

پل H

«پل اچ» (H-Bridge) یک مدار مبتنی بر ترانزیستور است که قادر به کنترل حرکت موتورها هم در جهت عقربه‌های ساعت و هم در خلاف جهت عقربه‌های ساعت است. این مدار، یک ساختار بسیار محبوب است و نیروی محرکه تعداد بسیار زیادی از ربات‌ها را که باید بتوانند هم به جلو و هم به عقب حرکت کنند، کنترل می‌کند.

اساساً، یک پل اچ ترکیبی از چهار ترانزیستور با دو خط ورودی و دو خروجی است که عملکرد آن در تصویر متحرک زیر نشان داده شده است.

توجه کنید که مدار بالا یک نسخه ساده از پل اچ است و برای عملکرد بهتر، از دیود فلای‌بک، مقاومت بیس و اشمیت تریگر در مدار استفاده می‌شود.

اگر ولتاژ هر دو ورودی یکسان باشد، خروجی‌هایی که به ورودی موتور متصل می‌شوند ولتاژ برابری خواهند داشت و موتور قادر به چرخش نخواهد بود. اما اگر این دو ورودی مخالف باشند، موتور در یک جهت یا جهت دیگر می‌چرخد.

جدول درستی یا جدول ارزش پل اچ به صورت زیر است.

جهت چرخش موتور	خروجی B – خروجی A – ورودی A – ورودی B
توقف (ترمز)	1 – 1 – 0 – 0
ساعتگرد	0 – 1 – 1 – 0
پادساعتگرد	1 – 0 – 0 – 1
توقف (ترمز)	0 – 0 – 1 – 1

اسیلاتورها

اسیلاتور مداری است که سیگنال متناوبی تولید می‌کند که بین ولتاژ بالا و پایین نوسان می‌کند. اسیلاتورها در انواع مدارها و کاربردها از قبیل چشمک زدن ساده LED تا تولید سیگنال ساعت برای کنترل میکروکنترلر مورد استفاده قرار می‌گیرند. اسیلاتورها برای تولید سیگنال نوسانی از روش‌های مختلفی استفادع می‌کنند که ترانزیستوری یکی از آن‌ها است.

در اینجا مثالی از مدار اسیلاتور آورده شده است که به آن مولتی‌ویبراتور آستابل می‌گوییم. با استفاده از فیدبک می‌توانیم از یک جفت ترانزیستور برای ایجاد دو سیگنال نوسانگر مکمل استفاده کنیم.

علاوه بر دو ترانزیستور، خازن‌ها قطعات مهم این مدار هستند. خازن‌ها به طور متناوب شارژ و تخلیه می‌شوند که باعث می‌شود دو ترانزیستور به طور متناوب روشن و خاموش شوند.

تحلیل عملکرد این مدار یک مطالعه عالی در مورد عملکرد خازن‌ و ترانزیستور است. برای شروع، فرض کنید C1 کاملاً شارژ شده است (ولتاژ آن تقریباً V_CC است)، C2 تخلیه شده، Q1 روشن است و Q2 خاموش. آنچه در ادامه اتفاق می‌افتد، به شرح زیر است:

• اگر Q1 روشن باشد، صفحه سمت چپ C1 (روی شماتیک مدار) به تقریباً 0 ولت متصل است. این موضوع موجب می‌شود C1 از طریق کلکتور Q1 تخلیه شود.
• در حالی که C1 در حال تخلیه است، C2 به سرعت از طریق مقاومت R4 شارژ می‌شود.
• با تخلیه کامل C1، صفحه سمت راست آن به حدود 0٫6 ولت که می‌رسد، Q2 روشن می‌شود.
• در این مرحله وضعیت مانند شروع است، اما این‌ بار برای برای قطعات مقابل. یعنی: C1 تخلیه شده، C2 شارژ شده، Q1 خاموش و Q2 روشن است. در ادامه، مراحل تکرار می‌شود.
• روشن بودن Q2 به C2 اجازه می‌دهد تا از طریق کلکتور Q2 تخلیه شود.
  در حالی که Q1 خاموش است، C1 می‌تواند نسبتاً سریع از طریق R1 شارژ شود.
• پس از تخلیه کامل C2، ترانزیستور Q1 دوباره روشن می‌شود و به همان وضعیتی که از ابتدا شروع کرده‌ایم برمی‌گردیم.

با انتخاب مقادیر خاص R2 ،C2 ،C1 و R3 (و نسبتاً کوچک نگه داشتن R1 و R4)، می‌توانیم سرعت مدار مولتی ویبراتور خود را تنظیم کنیم:

f=1ln(2)⋅(R2C1+R3C2)

بنابراین، با توجه به اینکه خازن‌ها و مقاومت‌ها به ترتیب روی 10μF و 47kΩ تنظیم می‌شوند، فرکانس اسیلاتور بالا تقریباً 1٫5 هرتز است. این یعنی هر LED تقریباً 1٫5 بار در ثانیه چشمک می‌زند.

همان‌طور که احتمالاً قبلاً مشاهده کرده‌اید، مدارهای زیادی وجود دارد که از ترانزیستورها استفاده می‌کنند. این مثال‌های ساده‌ای که بیان کردیم، بیشتر برای این بود که نشان دهیم چگونه می‌توان از ترانزیستور در حالت اشباع و قطع به عنوان سوئیچ استفاده کرد. اما در مورد تقویت‌کنندگی ترانزیستور چه می‌توان گفت؟ پاسخ این پرسش در بخش بعد است.

تقویت‌کنندگی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترانزیستور تقویت، یعنی تبدیل سیگنال کم‌توان به سیگنالی با توان بالاتر است. تقویت‌کننده‌ها می‌توانند ولتاژ سیگنال را افزایش دهند و ولتاژی در محدوده μV را بگیرند و آن را به سطح mV یا V تبدیل کنند. یا می‌توانند جریان را تقویت کنند. مثلاً جریان میکروآمپری یک فتودیود را به جریانی با شدت بسیار بیشتر تبدیل کنند. حتی تقویت‌کننده‌هایی وجود دارند که جریان را می‌گیرند و ولتاژ بالاتری تولید می‌کنند یا بالعکس.

 

ترانزیستورها قطعات اصلی بسیاری از مدارهای تقویت‌کننده هستند. تعداد بسیار زیادی تقویت‌کننده ترانزیستوری وجود دارد، اما خوشبختانه بسیاری از آن‌ها مبتنی بر برخی از این مدارهای ابتدایی هستند. اگر این مدارها را فرا بگیرید، با کمی تطبیق الگو خواهید توانست تقویت‌کننده‌های پیچیده‌تر را نیز درک کنید.

سه مورد از اساسی‌ترین تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری عبارتند از: امیتر مشترک، کلکتور مشترک و بیس مشترک. در هر یک از سه پیکربندی یکی از سه پایه به طور دائم به یک ولتاژ مشترک (معمولاً زمین) متصل می‌شود و دو پایه دیگر ورودی یا خروجی تقویت‌کننده هستند.

تقویت‌کننده امیتر مشترک

امیتر مشترک یکی از محبوب‌ترین پیکربندی‌های تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری است. در این مدار، امیتر به ولتاژی مشترک برای بیس و کلکتور (معمولاً زمین) متصل می‌شود. ورودی سیگنال به بیس وارد شده و خروجی از کلکتور گرفته می‌شود.

مدار امیتر مشترک به این دلیل محبوب است که برای تقویت ولتاژ به ویژه در فرکانس‌های پایین بسیار مناسب است. به عنوان مثال، برای تقویت سیگنال‌های صوتی گزینه بسیار مناسبی است. اگر یک سیگنال ورودی 1٫5 پیک تا پیک کوچک دارید، می‌توانید با استفاده از یک مدار کمی پیچیده‌تر، مانند شکل زیر، ولتاژ را به خوبی تقویت کنید.

تقویت‌کننده کلکتور مشترک

اگر پایه کلکتور را به یک ولتاژ مشترک وصل کنیم و از بیس به عنوان ورودی و امیتر به عنوان خروجی استفاده کنیم، یک مدار کلکتور مشترک داریم. این پیکربندی به عنوان امیتر فالوور نیز شناخته می‌شود.

کلکتور مشترک هیچ‌گونه تقویت ولتاژی را انجام نمی‌دهد (در واقع ولتاژ خروجی 0٫6 ولت کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود) به همین دلیل، این مدار را گاهی ولتاژ فالوور یا پیرو ولتاژ می‌نامند.

این مدار به عنوان یک تقویت‌کننده جریان کاربرد دارد. علاوه بر این، بهره جریان زیاد همراه با بهره ولتاژ نزدیک به یک، این مدار را به یک بافر ولتاژ عالی تبدیل می‌کند. یک بافر ولتاژ از تداخل نامطلوب مدار بار در مدار کنترل جلوگیری می‌کند.

به عنوان مثال، اگر می خواهید 1 ولت به یک بار تحویل دهید، می‌توانید از یک مقسم ولتاژ یا در طرف مقابل از امیتر فالوور استفاده کنید.

با بزرگ‌تر شدن بار خروجی مدار تقسیم ولتاژ کاهش می‌یابد. اما ولتاژ خروجی امیتر فالوور، صرف‌نظر از اینکه بار چیست، ثابت است.

تقویت‌کننده بیس مشترک

همان‌طور که پیش‌تر نیز گفتیم، تقویت‌کننده بیس مشترک کمترین محبوبیت را در بین سه پیکربندی اساسی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری دارد. در یک تقویت‌کننده بیس مشترک، امیتر ورودی و کلکتور خروجی است. بیس در هر دو مشترک است.

بیس مشترک ضد امیتر فالوور است. این پیکربندی برای تقویت ولتاژ مناسب است و جریان آن تقریباً برابر با جریان خروجی است (در واقع جریان ورودی کمی بیشتر از جریان خروجی است).

مدار بیس مشترک به عنوان بافر جریان بهتر کار می‌کند. این مدار می‌تواند یک جریان ورودی را در یک امپدانس ورودی کم بگیرد و تقریباً همان جریان را به یک خروجی با امپدانس بالاتر برساند.

تقویت‌کننده‌ دارلینگتون

تقویت‌کننده دارینگتون از اتصال دو کلکتور مشترک به یکدیگر برای بهره جریان بالا تشکیل شده است.

ولتاژ خروجی دارلینگتون تقریباً مشابه ولتاژ ورودی است (منهای تقریباً 1٫2 تا ۱٫۴ ولت)، اما بهره جریان حاصل ضرب بهره دو ترانزیستور است.

اگر شما نیاز به کنترل بار بزرگی با جریان ورودی بسیار کم دارید، زوج دارلینگتون یک گزینه عالی است.

تقویت‌کننده تفاضلی

یک تقویت‌کننده تفاضلی دو سیگنال ورودی را از هم کم می‌کند و این اختلاف را تقویت می‌کند. این مدار یک قسمت مهم از مدارهای فیدبک است که در آن‌ها ورودی با خروجی مقایسه می‌شود تا خروجی آینده تولید شود. مدار پایه تقویت‌کننده تفاضلی به صورت زیر است.

این مدار از دو ساق تشکیل شده که هر کدام یک مدار امیتر مشترک هستند. دو ورودی به بیس ترانزیستورها اعمال می‌شود و خروجی ولتاژ تفاضلی بین دو کلکتور است.

تقویت‌کننده پوش-پول

تقویت‌کننده پوش-پول در طبقه نهایی بسیاری از تقویت‌کننده‌های چندطبقه مفید است. این تقویت‌کننده توان، با صرفه‌جویی در مصرف انرژی برای بلندگوها استفاده می‌شود.

در مدار پایه پوش-پول از ترانزیستور NPN و PNP استفاده می‌شود که هر دو پیکربندی کلکتور مشترک دارند.

تقویت‌کننده پوش-پول ولتاژ را تقویت نمی‌کند (ولتاژ خروجی کمی کمتر از ولتاژ ورودی است)، اما جریان را تقویت می‌کند.

تقویت‌کننده عملیاتی

تقویت‌کننده عملیاتی یک نمونه کلاسیک از مدار ترانزیستوری چندطبقه است. در اینجا، مدار داخلی آی‌سی LM3558 را بررسی می‌کنیم که یک آمپلب‌فایر عملیاتی بسیار ساده است.

مدار این تقویت‌کننده مطمئناً پیچیدگی بیشتری نسبت به شکل بالا دارد، اما درک همین مدار ساده کمک زیادی به ما خواهد کرد:

• Q3 ،Q2 ،Q1 و Q4 طبقه ورودی را تشکیل می‌دهند. مدار بسیار شبیه به یک کلکتور مشترک (Q1 و Q4) و یک تقویت‌کننده تفاضلی است. ترانزیستورهای PNP به تشکیل طبقه تفاضلی ورودی تقویت‌کننده کمک می‌کنند.
• Q11 و Q12 بخشی از طبق دوم هستند. Q11 یک کلکتور مشترک و Q12 یک امیتر مشترک است. این جفت ترانزیستور سیگنال را از کلکتور Q3 بافر می‌کنند و با رفتن سیگنال به طبقه آخر، بهره زیادی خواهد داشت.
• Q6 و Q13 بخشی از طبقه انتهایی هستند و همان‌طور که می‌بینیم یک پوش-پول هستند. این مرحله خروجی را بافر می کند و به آن امکان می‌دهد تا بارهای بیشتری را اداره کند.
• پیکربندی‌های رایج دیگری نیز وجود دارد که درباره آن‌ها در این مطلب صحبتی نکرده‌ایم. Q8 و Q9 به عنوان یک آینه جریان پیکربندی شده‌اند که به سادگی مقدار جریان را از طریق یک ترانزیستور به دیگری کپی می‌کند.