353152 อเลกทรอนกส 1, ภาควชาครศาสตรไฟฟา มหาวทยาลยวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ

บทท 8 ทรานซสเตอร( BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS )

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Motivation

อปกรณนเรยกวาอะไร

คณรอะไรเกยวกบอปกรณนบาง

ทรานซสเตอร ( BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS )

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

ทรานซสเตอร

ทรานซสเตอรคออปกรณอเลกทรอนกสซงมรอยตอของสารกงตวน า PN จ านวน 2 ต าแหนง จงมชอเรยกอกอยางหนงวา ทรานซสเตอรรอยตอไบโพลาร (Bipolar Junction Transistor) ชอยอ BJT

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

โครงสรางของทรานซสเตอรทรานซสเตอรแตละชนดจะม 3 ขา ไดแก

ขาเบส ( Base : B )ขาอมตเตอร ( Emitter : E ) ขาคอลเลคเตอร( Collector : C ) หากแบงประเภทของทรานซสเตอรตามโครงสรางของสารทน ามาใชจะแบงได 2 แบบ คอ

1) ทรานซสเตอรชนด พเอนพ ( PNP ) มสญลกษณในวงจรเปน เปนทรานซสเตอรทจายไฟเขาทขาเบสใหมความตางศกยต ากวาขาอมตเตอร

2) ทรานซสเตอรชนด เอนพเอน ( NPN ) มสญลกษณในวงจรเปน เปนทรานซสเตอรทจายไฟเขาทขาเบสใหมความตางศกยสงกวาขาอมตเตอร

สญลกษณ

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

การจดโครงสรางของทรานซสเตอร ทรานซสเตอรมจ านวณทงหมด 3 ขว จงจดโครงสรางวงจรได 3 แบบ

1. วงจรเบสรวม(Common Base) 2. วงจรคอลเลคเตอรรวม (Common Collector) 3. วงจรอมตเตอรรวม(Common Emitter)

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

1. วงจรเบสรวม(Common Base) เปนวงจรทมการจายอนพตเขาทขวอมตเตอร และเอาตพตออกทขา

คอลเลคเตอร ซงจะมจดรวมกราวอยทขาเบส

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

คณลกษณะสมบตของอนพต กราฟแสดงใหเหนความสมพนธระหวางกระแสอนพต(𝐼𝐸 )กบแรงดนอนพต(𝑉𝐵𝐸) ส าหรบ 3 ระดบเอาตพตแรงดน

(𝑉𝐶𝐸)

คณลกษณะสมบตของเอาตพต กราฟแสดงใหเหนความสมพนธระหวางกระแสเอาตพต(𝐼𝐶 )กบแรงดนอนพต(𝑉𝐶𝐵) ส าหรบอนพตกระแส (𝐼𝐸 ) 1. ยานบรเวณคดออฟ (Cut-off Region) : ยานนจะไมมการขยาย มแรงดน แตมกระแสเลกนอย 2. ยานบรเวณอมตว (Saturation Region) : ยานนจะขยายเตมทสงสด มกระแส แตแรงดนเลกนอย 3. ยานบรเวณแอกทฟ (Active Region) : ยานการท างาน ใชส าหรบขยายสญญาณ

1. วงจรเบสรวม(Common Base)

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

1. วงจรเบสรวม(Common Base) จากเสนโคงเพมขนเลกนอย เปนการประมาณคาความสมพนธระหวาง 𝐼𝐶 และ 𝐼𝐸

ในยานแอคทฟดงสมการ

จากกราฟในยานคดออฟ (Cut-off) ทขาเบสและรอยตอเบสกบอมตเตอรไดรบไบอสกลบ

ในยานอมตว (Saturation) ทขาเบสและรอยตอเบสกบอมตเตอรไดรบไบอสตรง

EC II

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

1. การก าหนดคาวงจรเบสรวม(Common Base Configuration) คณลกษณะสมบตของอนพตจากกราฟความสมพนธนส าหรบก าหนดคาแรงดน𝑉𝐶𝐵 คอแรงดนทขาเบสกบอมตเตอรเพมขน กระแสอมเตอรเพมขนในลกษณะคลายกบคณลกษณะสมบตของไดโอด นนคอเมอทรานซสเตอรอยในสภาวะ “ON” จะมแรงดนตกครอมเบสกบอมเตอรจะก าหนดคาตามสมการ

𝑉𝐵𝐸 = 0.7𝑉 ส าหรบการวเคราะหตามภาครปแบบเทยบเทาจากรปกราฟ(C) จะใชส าหรบการวเคราะหทรานซสเตอรในไฟฟา

กระแสตรง

รปท 10

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

กราฟคณลกษณะสมบตของ Common Base

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Example 1(a) จากกราฟคณลกษณะสมบต หากระแสทไหลผานขาคอลเลคเตอร ถา IE= 3 mA และ VCB= 10 V.(b) จากกราฟคณลกษณะสมบต หากระแสทไหลผานขาคอลเลคเตอร ถา IE = 3 mA แต VCB = 2 V.(c) จากกราฟคณลกษณะสมบต หา VBE ถาก าหนด IC= 4 mA และ VCB=20 V.(d) จากขอ (c) ใชกราฟคณลกษณะสมบต และรปกราฟเปรยบเทยบ รปท 10(c).

(a) จากกราฟคณลกษณะสมบต มการเพมเลกนอยดงนน(b) ผลกระทบของการเปลยน VCB มนอยมากและ IC ยงคงเทากบ 3 mA เหมอนเดม(c) จากกราฟคณลกษณะสมบต ผลของ VBE จะได 0.74 V.(d) อตราการขยายจากกราฟคณลกษณะสมบตอยาไรกตามรปท 10(c), VBE เปน 0.7 V ส าหรบกระแสอมตเตอรตางๆ

11

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

1. การก าหนดคาวงจรเบสรวม(Common Base Configuration)

Alpha () เปนอตราสวนของ IC ตอ IE

อดคต : =1 ในทางปฏบต : อยระหวาง 0.9 ถง 0.998

เนองจาก Alpha () ถกก าหนดเพยงอยางเดยว ส าหรบกระแสค านวณไดจาก

ส าหรบไฟฟากระแสสลบ จดท างานจะถกยายอยบนเสนโคงคณลกษณะสมบต ก าหนดโดย

E

Cdc

I

I

COBEC III

constant

CBVE

Cac

I

I

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Transistor Amplifier Action การขยายพนฐานของทรานซสเตอรสามารถท าไดบนพนฐานของการใชวงจรอมตเตอรรวม

ใชคาความตานทานทขา 20 จงหาดงนVoltage amplification:

V 50)kΩ 5)(mA 10(

mA 10

RL

IL

V

iI

LI

EI

CI

iR

iV

iI 10mA20Ω

200mV

Currents and Voltages:

250200mV

50V

iV

LV

vA

The combination of the two terms in italics results in the label transistor; that is, transfer + resistor → transistor.

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

1. การก าหนดคาวงจรเบสรวม(Common Base Configuration)

Beta () ในอดมคตไฟฟากระแสตรง IC และ IB เปนอตราสวนของ beta และก าหนดไดตามสมการ :

ส าหรบในทางปฏบตจะมคาอยในชวง 50 หรอมากกวา 400 สวนมากคาจะอยกลางๆส าหรบไฟฟากระแสสลบก าหนดตามสมการ:

represents the amplification factor of a transistor. ( is sometimes referred to as hfe, a term used in transistor modeling calculations)

B

Cdc

I

I

constant

CEVB

Cac

I

I

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

ค านวณหาคา จากกราฟ

ความสมพนธระหวาง factors and

ความสมพนธระหวางกระแส

1. การก าหนดคาวงจรเบสรวม(Common Base Configuration)

108

A 25

mA 2.77.5Vdc CE

B

C

I

Iβ

100

μA 10

mA 1

μA) 20 μA (30

mA) 2.2mA (3.2

β

7.5V

ac

CE

constantCEVB

C

I

I

1β

βα

1α

αβ

BC βII BE 1)I(βI

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

2.วงจรอมตเตอรรวม(Common-Emitter Configuration) โครงสรางการตอวงจรสวนใหญมกตอดงวงจรส าหรบทรานซสเตอรชนด pnp

และ npn

ขวตอเบสเปนอนพต (base-emitter) และ เอาตพต (collector-emitter).16

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

การขยายในยาน active ของขาอมตเตอรนนทรอยตอคอลเลคเตอรกบเบส ไดรบ reverse-biased ขณะทรอยตอ เบส-อมตเตอรเปน forward-biased

ในยาน active ของขาอมตเตอรสามารถใชไดกบวงจรขยายvoltage, current, or power amplification.

ในยาน cutoff ของขาอมตเตอร ไมก าหนดคาของบาเบส หมายเหต คณลกษณะสมบตของคอลเลคเตอรดงรปท IC ไมเทากบศนย เมอ IB เปนศนย

17

2.วงจรอมตเตอรรวม(Common-Emitter Configuration)

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

2.วงจรอมตเตอรรวม(Common-Emitter Configuration)

AI

CBOCEO

B

II

01 จะแสดงดง

ท ICBO = minority collector currentICBO is usually so small that it can be ignored, except in high power transistors and in high temperature environments.

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Example 2(a) Using the characteristics of Fig. 14, determine IC at IB=30 A and VCE=10 V.(b) Using the characteristics of Fig. 14, determine IC at VBE=0.7 V and VCE=15 V.

(a) At the intersection of IB=30 A and VCE=10 V, IC =3.4 mA (b) Using Fig. 14(b), IB=20 A at VBE=0.7 V. From Fig. 14(a) we find that IC =2.5 mA at

the intersection of IB=20 A and VCE=15 V.19

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

3. การก าหนดคาวงจรคอลเลคเตอรรวม(Common Collector Configuration)

อนพตเปนขาเบสและเอาตพตเปนขาอมตเตอร

คณลกษณะสมบตคลายกบวงจรอมตเตอร ตางกนทการตอขาลงกราว

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

กระแสและแรงดนของทรานซสเตอร กระแสของทรานซสเตอร

ทรานซสเตอรจะถกควบคมดวยกระแสเบส(IB) ถา 𝐼𝐵มการเปลยนแปลงเพยงเลกนอยจะสงผลท าให กระแสอมตเตอร(𝐼𝐸) และกระแสคอลเลคเตอร(𝐼𝐶) เปลยนแปลงไปดวย

อตราขยายกระแสไฟฟา สามารถเขยนแทนดวยสมการ

𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵

𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵= 200 50μ𝐴= 10mA

กระแสอมตเตอรมคาเทากบ

𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵หรอประมาณ

𝐼𝐸 ≅ 𝐼𝐶

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

กระแสและแรงดนของทรานซสเตอร แรงดนของทรานซสเตอร

ขณะตอทรานซสเตอรเพอใชงานจรงจะมาแรงดนหลายประเภทเกดขน

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

ขอจ ากดของการท างาน VCE สงสด และ IC ต าสด (ICmax= ICEO) จะอยในยานคดออฟ (Cutoff region)

IC สงสด และVCE ต าสด (VCE max = VCEsat = VCEO) จะอยในยานอมตว (saturation region)

The transistor operates in the active region between saturation and cutoff. ก าลงไฟฟาทสญหายสงสด

Common-emitter:

Common-base:

Common-collector:

23

CCECmax IVP

CCBCmax IVP

ECECmax IVP

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Transistor Specification Sheet The information provided as Fig. is taken directly from the Small-Signal

Transistors, FETs, and Diodes publication prepared by Motorola Inc.

Note in the maximum rating list that VCEmax=VCEO=30 V with Icmax=200 mA. The maximum collector dissipation Pcmax=PD=625 mW.

The specification sheet can be a very valuable tool in the design or analysis mode Every effort should be made to be aware of the importance of each parameter and

how it may vary with changing levels of current, temperature, and so on.24

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

เครองมอทใหทดสอบ Transistor•Curve Tracer

Provides a graph of the characteristic curves.

•DMM Some DMMs measure DC or hFE.

•Ohmmeter

25

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

Transistor Casing and Terminal Identification The entire structure of transistor is encapsulated in a container such as that shown in Fig. 3.29. Those with the heavy duty construction are high-power devices, while those with the small can (top hat) or plastic

body are low- to medium-power devices.

26

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

สมการสรป

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

แบบฝกหดทายบทเรยนกราฟท1

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

แบบฝกหดทายบทเรยน1. จากกราฟคณลกษณะสมบต หากระแสทไหลผานขาคอลเลคเตอร ถา IE= 4.5 mA และ VCB= 4 V2. จากขอ 1 ถา IE= 4.5 mA และ VCB= 16 V3. .

4. Using the characteristics of Fig 2. 1. Determine ICEO at VCE = 10 V.2. Determine 𝛽dc at IB =10 mA and VCE = 10 V.3. Using the 𝛽dc determined in part (b), calculate ICBO.

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

แบบฝกหดทายบทเรยน กราฟท2

353152 วงจรอเลกทรอนกส 1

การบานบทท 8 5.