الترانزستور ثنائى القطبية BJT كمكبر - دائرة المشع المشترك Common Emitter

[F.Abdelaziz]

الترانزستور ثنائى القطبية BJT كمكبر - دائرة المشع المشترك Common Emitter


فضلا عن استخدام الترازستور كمفتاح من أشباه الموصلات لتوصيل ON تيارات الحمل أو فصلها OFF عن طريق التحكم فى إشارة قاعدة الترانزستور لجعله إما فى منطقة التشبع إو منطقة القطع , فإن الترانزستور NPN يمكن أيضا أن يستخدم فى منطقته الفعالة لعمل دائرة تقوم بتكبير أى إشارة تيار متردد صغيرة تطبق بين طرف قاعدته وطرف الباعث المتصل بالأرضى .
إذا تم فى البداية تطبيق جهد "إنحياز" مستمر DC "biasing" voltage مناسب لطرف القاعدة بما يسمح له بالعمل الدائم فى مدى المنطقة الفعالة الخطية , لنتج دائرة مكبر عاكس تسمى "مكبر مشع مشترك ذو مرحلة واحدة" . يسمى مثل هذا المكبر ذو المشع المشترك للترانزستور NPN "بالمكبر فئة A " Class A Amplifier . يعمل المكبر كفئة A عندما يتم عمل إنحياز لطرف قاعدة الترانزستور بطريقة تجعل إنحياز وصلة (القاعدة – المشع) إنحياز أمامى . نتيجة لذلك يكون هذا الترانزستور يعمل دائما فى المنتصف بين منطقة القطع ومنطقة التشبع ومن ثم يسمح لمكبر الترانزستور بالإنتاج الدقيق للأنصاف الموجبة والسالبة لأى إشارة دخل تيار متردد متراكبة superimposedعلى جهد الانحياز المستمر . بدون "جهد الانحياز" هذا فإنه فقط نصف الشكل الموجة للدخل هو الذى يتم تكبيره .
دائرة مكبر الترانزستور NPN ذات المشع المشترك لها تطبيقات كثيرة ولكنها شائعة الاستخدام فى الدوائر السمعية audio circuits مثل مرحلة المكبر الابتدائى pre-amplifier و مرحلة مكبر القدرة power amplifier .
بالرجوع لدائرة المشع المشترك المبينة فيما بعد , يوجد عائلة من المنحنيات المعروفة باسم "منحنيات خواص الخرج" Output Characteristics Curves والتى تربط تيار خرج المجمع (Ic) بجهد المجمع (Vce) عند تطبيق قيم مختلفة لتيار قاعدة الترانزستور (Ib) لترانزستورات لها قيمة محددة للمعامل . كما يمكن رسم " خط الحمل " "Load Line" على منحنيات الخرج لتوضيح جميع نقط التشغيل الممكنة عندما يتم تطبيق قيم مختلفة لتيار القاعدة . من الضرورى تحديد القيمة الابتدائية للجهد Vce بدقة للسماح بتغير جهد الخرج من أعلى أو من أسفل عند تكبير إشارات دخل التيار المتردد AC وتسمى هذه العملية بتحديد نقطة التشغيل أو Quiescent Point (نقطة الهدوء أو السكون) أو باختصار Q-point كما هو موضح بالشكل التالى .

أهم عامل يجب ملاحظته هو تأثير الجهد Vceعلى تيار المجمع Ic عندما يكون الجهد Vce أكبر من حوالى 1.0 volts . يمكننا أن نرى أن Ic لا يتأثر إلى حد كبير بالتغير فى Vce فوق هذه القيمة , وبدلا من ذلك يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة تيار القاعدة Ib . عندما يحدث ذلك عندئذ يمكننا القول بأن دائرة الخرج تمثل "مصدر تيار ثابت" "Constant Current Source" . يمكننا أيضا أن نرى من دائرة المشع المشترك أن تيار المشع Ie هو مجموع تيار المجمع Ic و وتيار القاعدة Ib أى يمكننا القول Ie = Ic + Ib .
باستخدام منحنيات خواص الخرج وقانون أوم , فإن التيار المار فى مقاومة الحمل (RL) يساوى تيار المجمع Ic الداخل للترانزستور والذى بدوره يناظر جهد المنبع (Vcc) ناقص هبوط الجهد بين طرفى المجمع والمشع (Vce) ويعطى بالعلاقة :

أيضا , يمكن رسم الخط المستقيم الذى يمثل "خط الحمل الديناميكى" Dynamic Load Line للترانزستور مباشرة على المنحنيات من نقطة "التشبع" "Saturation" ( A ) عند Vce = 0 إلى نقطة "القطع" "Cut-off" ( B ) عند Ic = 0 ومن ثم يعطى لنا نقطة عمل الترانزستور Q-point . يتم التوصيل بين هاتين النقطتين بخط مستقيم وأى موضع على هذا الخط المستقيم يمثل "المنطقة الفعالة" "Active Region" للترانزستور . يمكن حساب الموضع الفعلى لخط الحمل على منحنيات الخواص كما يلى :

عندئذ , يمكن استخدام منحنيات خواص الخرج للترانزستورات NPN ذات المشع المشترك فى التنبؤ بتيار المجمع Ic عند قيم معطاة لكل من Vce و تيار القاعدة Ib . يمكن أيضا بناء "خط الحمل" على المنحنيات لتحديد نقطة العمل المناسبة والتى يمكن تحديدها عن طريق ضبط تيار القاعدة . ميل خك الحمل هذا يساوى معكوس مقاومة الحمل أى -1/RL .
عندئذ يمكننا تعريف الترانزستور NPN بحيث يكون فى الوضع العادى فى حالة "فصل" OFF ولكن تيار دخل صغير وجهد موجب صغير عند طرف قاعدته بالنسبة للمشع سوف يحوله إلى حالة "التوصيل" ON بما يسمح بمرور تيار أكبر بكثير من خلال المجمع – المشع . يتم توصيل الترانزستورات NPN عندما يكون Vc أكبر بكثير من Ve .

[F.Abdelaziz]

انحياز الترانزستور Transistor Biasing
مقدمة :
المهمة الأساسية للترانزستور هى قيامه بالتكبير amplification . يتم إعطاء الإشارة الضعيفة إلى قاعدة الترانزستور والحصول على الخرج المكبر من دائرة المجمع . أحد المطالب الهامة أثناء التكبير هى زيادة "سعة" magnitude الإشارة فقط مع وجوب عدم تغيير شكل الإشارة وهو ما يسمى " التكبير الأمين" . لتحقيق ذلك , يتم توفير وسائل لضمان أن دائرة الدخل ( وصلة القاعدة – المشع) تظل منحازة فى الاتجاه الأمامى , ودائرة الخرج ( وصلة المجمع – القاعدة ) تظل دائما منحازة فى الاتجاه العكسى خلال جميع أجزاء الإشارة . وهذا هو ما يعرف بانحياز الترانزستور .
التكبير الأمين :
عوامل تحقيق التكبير الأمين :
1- تيار المجمع المناسب عند صفر الإشارة .
2- الحد الأدنى المناسب لجهد (القاعدة – المشع) VBE عند أى لحظة .
3- الحد الأدنى لجهد ( المجمع – المشع) VCE عند أى لحظة .
الشرط الأول والثانى يضمن أن وصلة (القاعدة – المشع) سوف تظل فى حالى الانحياز الأمامى المناسب خلال جميع أجزاء الإشارة . فى حين أن الشرط الثالث يضمن أن وصلة (القاعدة – المجمع ) تظل فى حالة انحياز عكسى فى جميع الأوقات . بعبارة أخرى , تحقيق هذه الشروط سوف يضمن أن الترانزستور يعمل فى المنطقة
الفعالة من خواص الخرج أى بين التشبع والقطع .

تيار المجمع المناسب عند صفر الإشارة :

[F.Abdelaziz]

تيار المجمع المناسب عند صفر الإشارة :
فى الشكل التالى , ترانزستور NPN , خلال النصف الموجب من دورة الإشارة , تكون القاعدة موجبة بالنسبة للمشع وبالتالى تكون وصلة (القاعدة – المشع) فى حالة انحياز أمامى . يؤدى ذلك لمرور تيار قاعدة ومرور تيار مجمع أكبر بكثير فى الدائرة . وتكون النتيجة أن النصف الموجب لدورة الإشارة يتم تكبيره فى المجمع كما هو مبين . ومع ذلك , فخلال النصف السالب من دورة الإشارة , تكون وصلة (القاعدة –المشع) فى حالة انحياز عكسى وبالتالى لا يمر تيار بالدائرة . وتكون النتيجة عدم وجود خرج نتيجة للنصف السالب لدورة الإشارة . أى أن التكبير يكون غير أمين.

الآن , يتم إدخال مصدر بطارية VBB فى دائرة القاعدة كما هو مبين بالشكل . قيمة هذا الجهد يجب أن تحافظ على دائرة الدخل فى حالة انحياز أمامى حتى أثناء ذروة النصف السالب لدورة الإشارة .
فى حالة عدم تطبيق إشارة , يمر تيار مستمر IC فى دائرة المجمع نتيجة للجهد VBB كما هو مبين . يسمى هذا التيار IC "تيار المجمع عند إشارة الصفر" .
أثناء النصف الموجب لدورة الإشارة , تصبح دائرة الدخل أكثر انحياز فى الاتجاة الأمامى ومن ثم يزداد تيار المجمع .
مع ذلك , أثناء النصف السالب لدورة الإشارة , تصبح دائرة الدخل أقل انحياز فى الاتجاه الأمامى وينخفض تيار المجمع . بهذه الطريقة , النصف السالب لدورة الإشارة أيضا يظهر بالخرج وينتج تكبير أمين .
قيمة تيار المجمع نتيجة إشارة الصفر يجب أن يكون على الأقل مساوى لأقصى تيار مجمع نتيجة للإشارة بمفردها . وللتوضيح , نفرض تطبيق إشارة على قاعدة ترانزستور تعطى ذرة تيار مجمع بالقيمة 1mA . عندئذ تيار المجمع لإشارة الصفر يجب أن يساوى على الأقل 1mA بحيث أنه حتى أثناء ذروة النصف السالب لدورة الإشارة , لا يوجد هناك قطع كما هو مبين بالشكل .
إذا كان تيار المجمع لإشارة الصفر أقل , كالقيمة 0.5mA , عندئذ يوجد جزء ( المظلل) من النصف السالب لدورة الإشارة , سوف يتم قطعه فى الخرج .

الحد الأدنى المناسب لجهد (القاعدة – المشع) VBE عند أى لحظة :

[F.Abdelaziz]

الحد الأدنى المناسب لجهد (القاعدة – المشع) VBE عند أى لحظة :
لتحقيق التكبير الأمين , فإن جهد (القاعدة – المشع) VBE يجب ألا يقل عن 0.5V لترانزستور الجيرمانيوم و 0.7V للترانزستور السيليكون .

تيار القاعدة يكون صغير جدا حتى يتغلب جهد الدخل على الجهد الحاجز عند وصلة (القاعدة – المشع) . قيمة هذا الجهد 0.5V لترانزستور الجيرمانيوم و 0.7V لترانزستور السيليكون كما هو مبين بالشكل . بمجرد التغلب على الجهد الحاجز , يتزايد تيار القاعدة ومن ثم تيار المجمع بطريقة حادة . وبالتالى , إذا هبط الجهد بين القاهدة والمشع VBE لما دون هذه القيم خلال جزء من الإشارة , فإن هذا الجزء سوف يتم تكبيرة بمقدار أقل نتيجة لصغر تيار المجمع . وهذا يؤدى إلى تكبير غير أمين .
الحد الأدنى لجهد ( المجمع – المشع) VCE عند أى لحظة :

[F.Abdelaziz]

الحد الأدنى لجهد ( المجمع – المشع) VCE عند أى لحظة :
من أجل التكبير الأمين , فإن الجهد بين المجمع والمشع VCE يجب إلا يهبط عن 0.5V لترانزستور الجيرمانيوم و 1V لترانزستور السيليكون . هذا الجهد يسمى جهد "الركبة" knee voltage , كما فى الشكل .

مثال 1 :

[F.Abdelaziz]

مثال 1 :
ترانزستور سيليكون له VCC=6 V و مقاومة حمل المجمع RC=2.5 KΩ , أوجد :
أ‌- أقصى تيار مجمع مسموح أثناء تطبيق إشارة من أجل التكبير الأمين .
ب‌- أقل تيار مطلوب لإشارة الصفر .
الحل :

مثال 2 :
ترانزستور يستعمل 4kΩ و Vcc=13 V . ما هى أقصى إشارة دخل أذا كان =100 ؟ ومعطى Vkee=1V وأن تغير بمقدار 1V فى VBE يسبب تغير بمقدار 5mA فى تيار المجمع .

طرق انحياز الترانزستور :

[عماد رجب2]

بارك الله بك

[F.Abdelaziz]

طريقة مقاومة القاعدة :
فى هذه الطريقة يتم توصيل مقاومة مرتفعة ( بالكيلو أوم) بين القاعدة والجهد الموجب للمصدر للترانزستور npn وبين القاعدة والجهد السالب للمصدر للترانزستور pnp . هنا , تيار القاعدة المطلوب لإشارة الصفر يتم توفيره عن طريق الجهد Vcc ويمر خلال المقاومة RB . ولأن القاعدة موجبة بالنسبة للمشع تكون وصلة القاعدة المشع فى حالة انحياز أمامى . القيمة المطلوبة لتيار القاعدة لإشارة الصفر IB ( ومن ثم IC=IB) يتم تحديدها بالاختيار المناسب لقيم مقاومة القاعدة RB .

تحليل الدائرة :
مطلوب إيجاد قيمة RB بحيث يمر تيار المجمع المطلوب فى حالة إشارة الصفر .
نفرض أن تيار المجمع المطلوب لإشارة الصفر هو IC عندئذ يكون :

فى الدائرة المغلقة ABENA , بتطبيق قانون كيرشوف للجهد نحصل على :


وبمعرفة VCC و IB معروفة , كما أن VBE يمكن الحصول عليها من الداتا شيت للترانزستور , عندئذ يمكن إيجاد قيمة RB من الصيغة السابقة .
وحيث أن الجهد VBE عامة يكون صغير بالمقارنة بالجهد VCC , يمكن تقريب الصيغة السابقة إلى الصيغة التالية :




أحيانات تسمى هذه الطريقة " بطريقة الانحياز الثابت" .
المميزات :

• بسيطة للغاية , كل ما هو مطلوب المقاومة RB .
• ظروف الانحياز يمكن بسهولة تحديدها , كما أن الحسابات تكون سهلة .
• لا يوجد تحميل على المصدر بواسطة دائرة الانحياز حيث لم يتم استخدام مقاومة عبر وصلة القاعدة المشع .

العيوب :

• هذه الطريقة تعطى استقرار ضعيف , حيث لا يوجد وسيلة لإيقاف التزايد الذاتى فى تيار المجمع نتيجة لأرتفاع درجة الحرارة .

مثال 1 :