การไบอัสทรานซิสเตอร์ Transistor Biasing
อดุลย์ เครือแก้ว
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) วัตถุประสงค์ 1. เพื่อให้นักศึกษาเข้าใจความหมายและความสาคัญของการไบอัสทรานซิสเตอร์ 2. เพื่อให้นักศึกษาเข้าใจรูปแบบของวงจรไบอัสทรานซิสเตอร์รวมถึงข้อดีข้อเสียของ แต่ละรูปแบบ 3. เพื่อให้นักศึกษาสามารถวิเคราะห์วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์ได้
เนื้อหา 1. ความหมายของการไบอัสทรานซิสเตอร์ 2. ความสาคัญของการไบอัสทรานซิสเตอร์ 3. รูปแบบของวงจรไบอัสทรานซิสเตอร์และข้อดีข้อเสียของแต่ละรูปแบบ 4. การวิเคราะห์วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์
1
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 1. ความหมายของการไบอัสทรานซิสเตอร์ การไบอัส (Biasing) หมายถึง การกาหนดค่าแรงดันและกระแสทางไฟฟ้ากระแสตรง ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้ทางานตามต้องการ การไบอัสทรานซิสเตอร์ หมายถึง การกาหนดค่าแรงดันและกระแสทางไฟฟ้ากระแสตรง ให้กับทรานซิสเตอร์เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ทางานในโหมดแอคทีฟ (Active) 2. ความสาคัญของการไบอัสทรานซิสเตอร์ ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ จะมีทรานซิสเตอร์เป็นส่วนประกอบอยู่หลายตัว ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวต้องการกระแสและแรงดันไม่เท่ากัน หรือ จุดทางานแตกต่างกัน ออกไปแล้วแต่เบอร์ของทรานซิสเตอร์ คงจะเป็นการสิ้นเปลืองทรัพยากร และทาให้วงจร มีขนาดใหญ่หากจะต้องสร้างแหล่งจ่ายไฟจานวนมากให้จ่ายไฟได้ตรงกับความต้องการ ของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ดังนั้น จึงจาเป็นต้องมีการจัดการไบอัสให้กับทรานซิสเตอร์ เพื่อที่จะสามารถใช้แหล่งจ่ายเพียงชุดเดียว จ่ายไฟให้กับทรานซิสเตอร์หลายตัวได้ 2
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 3. รูปแบบของวงจรไบอัสทรานซิสเตอร์ วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์แบ่งออกเป็น 4 รูปแบบ ได้แก่ 1. วงจรไบอัสคงที่ (Fixed Bias Circuit) 2. วงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ (Emitter-Stabilized Bias Circuit) 3. วงจรไบอัสแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า (Voltage Divider Bias Circuit) 4. วงจรไบอัส DC ที่มีแรงดันป้อนกลับ (DC Bias with Voltage Feedback)
3
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) IB ถูกกาหนดด้วย RB จึงเรียกว่า ไบอัสคงที่ ข้อดี - เป็นการไบอัสแบบที่ง่ายที่สุด - ใช้อุปกรณ์น้อยที่สุด ข้อเสีย - ไม่คงที่ต่ออุณหภูมิ อุณหภูมิสูงขึ้น อัตราขยายไฟตรง (ß) จะสูงตาม รูปที่ 3.1 วงจรไบอัสคงที่ (Fixed Bias Circuit)
RE เป็นตัวปรับเสถียรภาพของการไบอัสให้มั่นคง ยิ่งขึ้นเมื่อค่า (ß) ของทรานซิสเตอร์เปลี่ยนแปลง จึงเรียกว่าวงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ ข้อดี - มีความคงที่ต่ออุณหภูมิดี ข้อเสีย - ใช้อุปกรณ์ในการต่อวงจรมากขึ้น ค่าใช้จ่ายก็ขึ้นตามไปด้วย รูปที่ 3.2 วงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ (Emitter-Stabilized Bias Circuit)
4
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) จัดวงจรไบอัสด้าน Input เป็นแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า ข้อดี - มีความคงที่ต่ออุณหภูมิดี ถ้า RE 10 R 2 แล้ว IC, VCE จะไม่ขึ้นกับค่า ข้อเสีย - ใช้อุปกรณ์ในการต่อวงจรมากขึ้น ค่าใช้จ่ายก็ขึ้นตามไปด้วย รูปที่ 3.3 วงจรไบอัสแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า (Voltage Divider Bias Circuit)
มีการป้อนกลับจากคอลเลคเตอร์ไปยังเบส ข้อดี - มีความคงที่ต่ออุณหภูมิดีกว่าไบอัสคงที่และ ไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ ข้อเสีย – อัตราขยายต่าเพราะสัญญาณที่ออกเอาต์พุต มีบางส่วนถูกป้อนกลับมาอินพุต รูปที่ 3.4 วงจรไบอัส DC ที่มีแรงดันป้อนกลับ (DC Bias with Voltage Feedback)
5
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 4. การวิเคราะห์วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์ 4.1 วงจรไบอัสคงที่ (Fixed Bias Circuit)
(a)
(b)
รูปที่ 4.1 วงจรไบอัสคงที่ (Fixed Bias Circuit)
การวิเคราะห์วงจร 1. แยกวงจร Input กับ Output ออกจากกัน ตามรูป 4.1 (b) 2. ไม่พิจารณาองค์ประกอบทางไฟสลับ คือ Capacitor เนื่องจากไฟตรงจะไม่ไหลผ่าน Capacitor
6
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) การวิเคราะห์วงจร (ต่อ) 3. ใช้สมการพื้นฐานในการวิเคราะห์วงจรไบอัสทรานซิสเตอร์ หรือ
VBE 0.7 V ( Silicon) ………………………สมการ 4-1 VBE = 0.3 V (Germanium) hFE ,
IC IB
IC IB
……………………………………สมการ 4-2 ………………………………………สมการ 4-3
…………………………………....สมการ 4-4 IE IB IB ………………………………....สมการ 4-5 IE ( 1) IB IC ………………………....สมการ 4-6 IE IC IB
4. ใช้กฏแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Voltage Law, KVL) วิเคราะห์วงจร
7
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) การวิเคราะห์วงจรด้าน Input
จากรูปที่ 4.1 (b) รูปที่ 4.1 (c) วงจรทางด้าน Input จากกฏแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Voltage Law, KVL) “ผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมที่ตัวต้านทานในวงจร มีค่าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย”
จะได้ แทนค่า VR
B
IBRB
ในสมการ 4-7 จะได้
VCC VRB VBE VCC IBRB VBE VCC VBE IBRB IB
VCC VBE RB
…………....สมการ 4-7 …………....สมการ 4-8 …………....สมการ 4-9 …………....สมการ 4-10
8
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) การวิเคราะห์วงจรด้าน Output
จากรูปที่ 4.1 (b)
รูปที่ 4.1 (d) วงจรทางด้าน Output ใช้กฏแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Voltage Law, KVL) วิเคราะห์วงจร
จะได้ แทนค่า VR
C
………....สมการ 4-11 ในสมการ 4-11 จะได้ VCC ICRC VCE ……....สมการ 4-12 VCE VCC ICRC ……....สมการ 4-13 นอกจากนั้น VC VCE …………..……....สมการ 4-14 VB VBE …………..……....สมการ 4-15 …………..……....สมการ 4-16 VE 0 VCC VRC VCE
ICRC
9
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) ตัวอย่างที่ 1. จากวงจรไบอัสตามรูปที่ 4.1 (e) จงหา IB, IC, VCE, VB และ VC วิธีทา จากสมการ 4-10 IB
VCC VBE 12 V 0.7 V 47.08 uA RB 240 kΩ
จากสมการ 4-3
IC IB (50)(47.08 uA) 2.35 mA
ตอบ
ตอบ
จากสมการ 4-13
VCE VCC ICRC
รูปที่ 4.1 (e) วงจรไบอัสคงที่ ** IE IC IB
……....สมการ 4-4
2.35 mA 47.08 uA 2.397 mA IE IC
= 12 V (2.35 mA)(2.2 kΩ) = 6.83 V ตอบ
จากสมการ 4-15
VB VBE 0.7 V
จากสมการ 4-14 VC VCE 6.83 V
ตอบ ตอบ
10
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing)
จบ 4.1 วงจรไบอัสคงที่
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 4.2 วงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ (Emitter-Stabilized Bias Circuit)
(a)
(b)
รูปที่ 4.2 วงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ (Emitter-Stabilized Bias Circuit)
ใช้ หลักการวิเคราะห์เช่นเดียวกับวงจรไบอัสคงที่ 11
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing)
รูปที่ 4.2 (c) วงจรทางด้าน Input VCC IBRB VBE IERE 0 IE ( 1) IB
….สมการ 4-6
รูปที่ 4.2 (d) วงจรทางด้าน Output VCC ICRC VCE IERE 0 IE IC
….สมการ 4-6
VCC VBE IBRB ( 1) IBRE 0
VCC ICRC VCE ICRE 0
VCC VBE IBRB ( 1) IBRE
VCC VCE IC ( RC RE ) 0
VCC VBE IB [ RB ( 1) RE ] VCE VCC IC ( RC RE ) ….สมการ
IB
VCC - VBE RB ( 1) RE
4-18
…....สมการ 4-17 12
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 4.3 วงจรไบอัสแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า (Voltage Divider Bias Circuit)
(a)
(b)
รูปที่ 4.3 วงจรไบอัสแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า (Voltage Divider Bias Circuit)
แปลงวงจรจากรูป 4.3 (a) ให้อยู่ในรูปวงจรเทียบเคียงเทวินินดังรูป 4.3 (b) จากนั้น ใช้หลักการวิเคราะห์วงจรเช่นเดียวกับวงจรไบอัสคงที่ 13
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing)
รูปที่ 4.3 (c) เขียนวงจรใหม่
รูปที่ 4.3 (d) ลัดวงจรแหล่งจ่ายแรงดัน RTh R1 R 2
…..…..….สมการ 4-19
VCC VR1 VR 2 IR1 IR 2 VCC I ( R1 R 2) I
รูปที่ 4.3 (e) หาแรงดันตกคร่อม VR2
VCC R1 R 2
ETh VR 2 IR 2 ETh [
VCC ]R 2 R1 R 2
...…..….สมการ 4-20
14
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) ETh IBRTh VBE IERE 0 IE ( 1) IB ETh VBE IBRTh ( 1) IBRE 0 ETh VBE IBRTh ( 1) IBRE ETh VBE IB [ RTh ( 1) RE ]
รูปที่ 4.3 (f) วงจรเทียบเคียงของเทวินิน
IB
ETh - VBE RTh ( 1) RE
...…..….สมการ 4-21
สาหรับวงจรทางด้าน Output นั้น การวิเคราะห์วงจรจะเหมือนกับวงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์
15
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) 4.4 วงจรไบอัส DC ที่มีแรงดันป้อนกลับ (DC Bias with Voltage Feedback) VCC I ' CRC IBRB VBE IERE 0 I ' C IB IC I ' C IC , IE IC VCC ICRC IBRB VBE ICRE 0 IC IB
(a)
VCC IBRC IBRB VBE IBRE 0 VCC VBE IBRC IBRB IBRE = IB (RC RB RE ) VCC VBE IB [ RB ( RC RE )] IB
(b)
รูปที่ 4.4 วงจรไบอัส DC ที่มีแรงดันป้อนกลับ
VCC - VBE RB ( RC RE )
...…..….สมการ 4-22 16
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) VCC I ' CRC VCE IERE 0 I ' C IB IC I ' C IC , IE IC VCC ICRC VCE ICRE 0 VCC VCE IC ( RC RE ) 0 VCE VCC IC ( RC RE )
รูปที่ 4.4 (c) วงจรทางด้าน Output
สมการที่ได้จะเหมือนกับวงจรไบอัสอิมิตเตอร์สเตบิไลซ์ และวงจรไบอัสแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า
17
การไบอัสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing)
จบ