بایاس ترانزیستور (Transistor Biasing)

حالت ماندگار عملکرد یک ترانزیستور، شدیداً به جریان بیس،‌ ولتاژ کلکتور و جریان کلکتور وابسته است. بنابراین اگر بخواهیم یک ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده کار کند، باید برای داشتن نقطه کار مناسب، آن را به درستی بایاس کنیم.

نقطه کار صحیح، مستلزم انتخاب درست مقاومت‌های بایاس و بار برای فراهم کردن جریان ورودی و ولتاژ کلکتور مناسب است. بایاس صحیح یک ترانزیستور دوقطبی NPN‌ یا PNP بین دو حالت کاملاً روشن و کاملاً خاموش در خط بار قرار دارد. این نقطه میانی، «نقطه کار» یا Q-Point نامیده می‌شود.

وقتی ترانزیستور به گونه‌ای بایاس شود که نقطه کار نزدیک وسط محدوده عملکرد باشد،‌ تقریباً‌ بین وضعیت‌های قطع و اشباع قرار می‌گیرد و در این حالت، تقویت‌کننده در کلاس A دسته‌‌بندی می‌شود. در این مد عملکرد، وقتی سیگنال در یک سیکل کامل نوسان می‌کند، جریان خروجی حول نقطه کار تقویت‌کننده بدون اعوجاج خواهد بود. به عبارت دیگر، جریان خروجی برای 360 درجه سیکل ورودی برقرار است.

اما چگونه باید بایاس نقطه کار ترانزیستور را تنظیم کنیم؟ بایاس صحیح ترانزیستور با عملی به نام «بایاس بیس» حاصل می‌شود.

قبل از شروع،‌ ترکیب‌های مختلف بایاس ترانزیستور را بررسی می‌کنیم. ابتدا ولتاژ و جریان‌های ترانزیستور شکل زیر را در نظر بگیرید:

جریان و ولتاژ ترانزیستور

نقش «سطح بایاس DC» یا «سطح بدون سیگنال ورودی»، تنظیم صحیح نقطه کار با تنظیم جریان کلکتور (IC)، روی یک مقدار ثابت حالت ماندگار بدون اعمال سیگنال ورودی به بیس ترانزیستور است.

نقطه حالت ماندگار یا نقطه کار DC‌، با مقادیر ولتاژ تغذیه (Vcc) مدار و اندازه مقاومت‌های بایاس متصل به پایه بیس ترانزیستور تنظیم می‌شود.

از آنجایی که جریان‌های بایاس بیس، جریان‌های حالت ماندگار DC هستند، استفاده صحیح از خازن‌های کوپلاژ یا بای‌پس، به انسداد جریان بایاس ترانزیستور که شرایط بایاس بعدی را تحت تاثیر قرار می‌دهد کمک می‌کند. از بایاس بیس می‌توان برای پیکربندی‌های بیس مشترک (CB)، کلکتور مشترک (CC) و امیتر مشترک (CE) استفاده کرد. در این آموزش، تقویت‌کننده امیتر مشترک را بررسی می‌کنیم.

بایاس بیس تقویت‌کننده امیتر مشترک

یکی از پرکاربردترین مدارهای بایاس برای ترانزیستورها، خودبایاس مدار بیس-امیتر است که در آن، از یک یا چند مقاومت بایاس برای تنظیم مقادیر DC اولیه جریان‌های ترانزیستور  ((IB)، (IC) و (IE)) استفاده می‌شود.

دو شکل معروف بایاس ترانزیستور، «وابسته به بتا» و «مستقل از بتا» است. ولتاژهای بایاس ترانزیستور به بتای ترانزیستور (β) بستگی دارند. بنابراین، تنظیم بایاس یک ترانزیستور لزوماً شبیه ترانزیستور دیگر نیست. بایاس را می‌توان با استفاده از یک مقاومت فیدبک یا یک شبکه مقسم ولتاژ ساده برای فراهم کردن ولتاژ بایاس لازم انجام داد.

در ادمه، پنج مثال از پیکربندی‌های بایاس بیس ترانزیستور از ولتاژ تغذیه (Vcc) بیان می‌شود.

بایاس بیس ثابت 

شکل زیر یک «مدار بایاس بیس ثابت» را نشان می‌دهد. دلیل این نام‌گذاری این است که جریان بیس ترانزیستور (IB) برای مقادیر داده شده Vcc و در نتیجه نقطه کار آن ثابت می‌ماند. برای ایجاد ناحیه کاری اولیه ترانزیستور با استفاده از یک بایاس جریان ثابت، از دو مقاومت بایاس در مدار استفاده می‌شود.

بایاس ثابت بیس ترانزیستور

این نوع بایاس ترانزیستور، وابسته به بتا است، زیرا شرایط حالت ماندگار، تابعی از مقدار بتای ترانزیستور است. بنابراین، نقطه بایاس، برای ترانزیستورهایی از یک نوع، مشابه نخواهد بود، زیرا مشخصه عملکرد آن‌ها با هم تفاوت دارد.

دیود امیتر ترانزیستور، با اعمال ولتاژ بایاس بیس مثبت از طریق مقاومت محدودکننده RB، بایاس مستقیم می‌شود. با فرض وجود ترانزیستور دوقطبی استاندارد، افت ولتاژ بیس-امیتر 0.7 ولت خواهد بود. بنابراین، مقدار RB با رابطه (VCC−VBE)/IB محاسبه می‌شود که در آن، IB برابر با IC/β است.

با این روش بایاس مقاومتی، ولتاژها و جریان‌های بایاس حین عملکرد ترانزیستور پایدار نمی‌مانند و تغییرات زیادی می‌کنند. همچنین، دمای ترانزیستور ممکن است تاثیر نامطلوبی روی نقطه کار داشته باشد.

بایاس با فیدبک کلکتور

پیکربندی خودبایاس فیدبک کلکتور یک روش دیگر بایاس است که به بتا وابسته نیست و فقط به دو مقاومت برای تامین بایاس DC نیاز دارد. فیدبک کلکتور به بیس، تضمین می‌کند که ترانزیستور بدون توجه به مقدار بتا همواره در ناحیه فعال بایاس باشد. دلیل این امر این است که ولتاژ بایاس بیس، از ولتاژ کلکتور (VC)‌ گرفته می‌شود که پایداری مناسبی دارد. شکل زیر این پیکربندی را نشان می‌دهد.

بایاس فیدبک کلکتور

در این مدار، مقاومت بایاس بیس (RB)‌، به جای منبع تغذیه (Vcc) به کلکتور ترانزیستور وصل می‌شود. اگر جریان کلکتور زیاد شود، ولتاژ کلکتور افت می‌کند و این افت، به صورت خودکار جریان کلکتور را کاهش می‌دهد تا نقطه کار ترانزیستور را ثابت نگه دارد. بنابراین، این روش بایاس فیدبک کلکتور، از طریق مقاومت RB یک فیدبک از خروجی به ورودی می‌فرستد.

ولتاژ بایاس، از افت ولتاژ دو سر مقاومت بار RL‌ بدست می‌آید. بنابراین، اگر جریان بار افزایش یابد، اختلاف ولتاژ دو سر مقاومت بار بیشتر خواهد شد و ولتاژ کلکتور نیز کم می‌شود. در نتیجه جریان بیس افت کرده و IC را به مقدار نرمال باز می‌گرداند.

برعکس این حالت، زمانی رخ می‌دهد که جریان کلکتور کم‌ شود. روش خودبایاس، با استفاده از تثبیت ترانزیستور، از فیدبک بهره می‌گیرد که برای اغلب تقویت‌کننده‌ها مناسب است.

بایاس با فیدبک دوگانه

اضافه کردن یک مقاومت به بایاس بیس پیکربندی قبلی، از طریق افزایش جریان مقاومت بایاس،‌ پایداری را نسبت به تغییرات بتا افزایش می‌دهد.

بایاس با فیدبک دوگانه

جریان گذرنده از مقاومت RB1 معمولاً 10 درصد جریان کلکتور (IC)‌ است. واضح است که این مقدار باید از جریان بیس برای حداقل مقدار بتا بیشتر باشد.

یکی از مزایای خودبایاس کردن این است که مقاومت‌ها به صورت همزمان بایاس خودکار و فیدبک Rf‌ را انجام می‌دهند.

بایاس با فیدبک امیتر

این نوع بایاس ترانزیستور که بایاس خودامیتر نامیده می‌شود، از دو فیدبک امیتر و بیس-کلکتور برای تثبیت جریان کلکتور در مدار استفاده می‌کند. مشکل پیکربندی فیدبک امیتر، این است که بهره خروجی به دلیل اتصال مقاومت بیس کاهش می‌یابد، زیرا ولتاژ کلکتور جریان گذرنده از مقاومت RB1 را تعیین می‌کند. این عمل، «فیدبک دیژنراتیو» (Degenerative Feedback) نامیده می‌شود.

بایاس با فیدبک امیتر

جریان امیتر که برابر با مجموع جریان بیس و کلکتور است،‌ سبب افت ولتاژ دو سر مقاومت RE در جهتی می‌شود که پیوند بیس-امیتر را بایاس معکوس کند.

بنابراین اگر جریان امیتر افزایش یابد، ولتاژ‌ I∗RE نیز زیاد می‌شود. از آنجایی که پلاریته این ولتاژ، پیوند بیس-امیتر را بایاس معکوس می‌کند، جریان IB‌ به صورت خودکار کاهش می‌یابد. از همین رو، جریان امیتر، کمتر از آن مقداری افزایش می‌یابد که در حالت بدون مقاومت خودبایاس زیاد شده است.

مقادیر مقاومت معمولاً به گونه‌ای تعیین می‌شوند که افت ولتاژ مقاومت امیتر RE تقریباً 10 درصد ولتاژ تغذیه VCC و جریان مقاومت RB1 نیز 10 درصد جریان کلکتور باشد.

این نوع بایاس، بهترین عملکرد را در ولتاژهای تغذیه کم دارد.

بایاس مقسم ولتاژ

نام این نوع بایاس از این حقیقت ناشی می‌شود که دو مقاومت RB1 و RB2 یک مقسم ولتاژ را تشکیل می‌دهند که نقطه اتصالشان به بیس ترانزیستور وصل است.

از آنجایی که دیود ترانزیستور توسط ولتاژ مقاومت RB2‌ بایاس مستقیم می‌شود، این نوع بایاس، متداولترین نوع بایاس ترانزیستور است. همچنین مدار مقسم ولتاژ، ترانزیستور را مستقل از تغییرات بتا می‌کند، زیرا ولتاژ بیس، امیتر و کلکتور وابسته به مقادیر خارجی مدار هستند.

بایاس مقسم ولتاژ

برای محاسبه ولتاژ مقاومت RB2 و در نتیجه ولتاژ بیس، می‌توانیم از فرمول ساده تقسیم ولتاژ استفاده کنیم.

معمولاً ولتاژ مقاومت RB2 بسیار کمتر از ولتاژ مقاومت RB1‌ است. بنابراین، ولتاژ بیس VB نسبت به زمین برابر با ولتاژ دو سر RB2‌ است. جریان گذرنده از مقاومت RB2 معمولاً 10 برابر مقدار جریان مورد نیاز بیس (IB) است. در نتیجه تاثیری روی جریان مقسم ولتاژ یا تغییرات بتا نخواهد داشت.

جمع‌بندی

هدف از بایاس ترانزیستور، ایجاد یک نقطه کار معلوم برای عملکرد بهینه آن و تولید سیگنال خروجی بدون اعوجاج است. در مدارهای ترانزیستوری دوقطبی، نقطه کار با (VCE,IC) برای ترانزیستورهای NPN و با (VEC,IC) برای ترانزیستورهای PNP نشان داده می‌شود. تثبیت و پایداری مدار بایاس بیس و در نتیجه نقطه کار، معمولاً با جریان کلکتور به عنوان تابعی از بتا و دما انجام می‌شود.

در این آموزش، پنج نوع بایاس مختلف با استفاده از شبکه‌های مقاومتی را برای ترانزیستورها بررسی کردیم. علاوه بر این روش‌ها می‌توانیم با استفاده از دیودهای سیلیکونی، دیودهای زنر یا شبکه‌های فعال که به بیس ترانزیستور وصل می‌شوند و یا با منبع تغذیه دوگانه، ترانزیستورها را بایاس کنیم.