บทที่ 1 Introduction to Electronic...
78
1 I V บทที่ 1 Introduction to Electronic Circuits 1. วัตถุประสงค 1. เพื่อศึกษาคุณลักษณะของอุปกรณเชิงเสนและอุปกรณไมเชิงเสนที ใชในวงจรอิเล็กทรอนิกส 2. เพื่อศึกษากฎของเคอรชอฟฟ ( Kirchhoff’s Law) 3. เพื่อศึกษาทฤษฎีการทับซอน (Superposition) 4. เพื่อศึกษาทฤษฎีบทของเทวินินและนอรตัน (Thevenin’s and Norton’s Theorems) 2. บทนํา วงจรอิเล็กทรอนิกส (Electronic Circuits) สามารถอธิบายอยางงายไดวา คือ วงจรไฟฟาที่มีสวนประกอบทาง อิเล็กทรอนิกสมาเชื่อมตอกัน เพื อใหวงจรทํางานใดงานหนึ่ง สวนประกอบทางอิเล็กทรอนิกส (Electronics Component) ประกอบดวย ตัวตานทาน ตัวเก็บประจุ ตัว เหนี ยวนํา แหลงจายแรงดัน แหลงจายกระแส และอุปกรณสารกึ งตัวนํา ในการวิเคราะหวงจรไฟฟาจะใชกฎและทฤษฎีตาง ๆ มาชวยในการวิเคราะห กฎและทฤษฎีที สําคัญไดแก กฎ ของเคอรชอฟฟ ทฤษฎีการทับซอน ทฤษฎีบทของเทวินินและทฤษฎีบทนอรตัน 3. เนื้อหา อุปกรณเชิงเสนและอุปกรณไมเชิงเสน (Linear and Nonlinear Circuit Elements) อุปกรณอิเล็กทรอนิกสสวนใหญเปนอุปกรณที เปนเชิงเสน เชน ตัวตานทาน แหลงจายแรงดัน และแหลงจาย กระแส เปนตน ดังแสดงตัวอยางของคาความตานทานจากความชันของกราฟแสดงความสัมพันธระหวาง กับ ในรูปที่ 1.1 โดยจะเห็นไดวาจะไดกราฟเปนเสนตรงหรือมีความชัน รูปที่ 1.1 กราฟแสดงความสัมพันธระหวาง V-I
Transcript of บทที่ 1 Introduction to Electronic...
1
IV
บทท 1 Introduction to Electronic Circuits
1. วตถประสงค
1. เพอศกษาคณลกษณะของอปกรณเชงเสนและอปกรณไมเชงเสนท ใชในวงจรอเลกทรอนกส 2. เพอศกษากฎของเคอรชอฟฟ ( Kirchhoff’s Law) 3. เพอศกษาทฤษฎการทบซอน (Superposition) 4. เพอศกษาทฤษฎบทของเทวนนและนอรตน (Thevenin’s and Norton’s Theorems)
2. บทนา
วงจรอเลกทรอนกส (Electronic Circuits) สามารถอธบายอยางงายไดวา คอ วงจรไฟฟาทมสวนประกอบทางอเลกทรอนกสมาเชอมตอกน เพ อใหวงจรทางานใดงานหนง
สวนประกอบทางอเลกทรอนกส (Electronics Component) ประกอบดวย ตวตานทาน ตวเกบประจ ตวเหน ยวนา แหลงจายแรงดน แหลงจายกระแส และอปกรณสารก งตวนา
ในการวเคราะหวงจรไฟฟาจะใชกฎและทฤษฎตาง ๆ มาชวยในการวเคราะห กฎและทฤษฎท สาคญไดแก กฎของเคอรชอฟฟ ทฤษฎการทบซอน ทฤษฎบทของเทวนนและทฤษฎบทนอรตน
3. เนอหา อปกรณเชงเสนและอปกรณไมเชงเสน (Linear and Nonlinear Circuit Elements)
อปกรณอเลกทรอนกสสวนใหญเปนอปกรณท เปนเชงเสน เชน ตวตานทาน แหลงจายแรงดน และแหลงจายกระแส เปนตน ดงแสดงตวอยางของคาความตานทานจากความชนของกราฟแสดงความสมพนธระหวาง กบ ในรปท 1.1 โดยจะเหนไดวาจะไดกราฟเปนเสนตรงหรอมความชน
รปท 1.1 กราฟแสดงความสมพนธระหวาง V-I
2
อปกรณไมเชงเสน จะให กราฟท พลอดระหวาง v กบ I จะไมเปนเสนตรง ดงแสดงในรปท 1.2 โดยสวนใหญมกจะเปนอปกรณททาดวยสารก งตวนา เชน ไดโอด ทรานซสเตอร เปนตน ตวอยางสมการทใชหาคากระแสหรอแรงดนของอปกรณไมเชงเสน ไดแก
aIkVavkI
AeI v
=
−=
=2)1( ------------- (1.1)
รปท 1.2 กราฟแสดงความสมพนธระหวาง V-I ของอปกรณไมเชงเสน
กฎกระแสของเคอรชอฟฟ (Kirchhoff’s Current Law, KCL)
กฎกระแสของเคอรชอฟฟ กลาวไววา “ผลรวมทางพชคณตของกระแสท ไหลเขาสจดรวมใดๆ มคาเทากบศนย”
รปท 1.3 กระแสไหลไปยงจดรวม พจารณากระแสทไหลไปยงจดรวม ดงรป จาก KCL จะได 0)( 4321 =+−++ iiii ------------- (1.2) กระแส 3i ไหลออกจากจดรวม ซ งกคอกระแส 3i− ไหลเขาจดรวมน นเอง สมมตวาพจารณาผลรวมของกระแสท ไหลออกจากจดรวมของตวอยางในรปท 1.3 จะได
i4
ii1
i32
vAeI =
3
04321 =−+−− iiii ------------- (1.3) คณดวย(-1) ทง 2 ขางของสมการ 04321 =+−+ iiii ------------- (1.4) ซงผลลพธทไดเหมอนกนกบในตอนแรก ดงน น KCL จงอาจจะกลาวไดอกอยางวา “ผลรวมทางพชคณตของกระแสทไหลออกจากจดรวมใดๆมคาเทากบศนย ” ถาแปลงสมการใหอยในรป 3421 iiii =++ ------------- (1.5) อาจจะกลาวไดอกอยางวา “ผลรวมของกระแสท ไหลเขาสจดรวมใดๆเทากบผลรวมของกระแสท ไหลออกจากจดรวมนน” สามารถแสดง KCLในรปแบบทางคณตศาสตรไดดงน
∑=
=N
nni
10 ------------- (1.6)
โดยท ni คอ กระแสท n ซงไหลเขาส(หรอออกจาก)จดรวม N คอจานวนของกระแสท ไหลเขาจดรวม กฎแรงดนของเคอรชอฟฟ (Kirchhoff’s Voltage Law, KVL) กฎแรงดนของเคอรชอฟฟ กลาวไววา ”ผลรวมทางพชคณตของแรงดนรอบวงปดเทากบศนย ”
รปท 1.4 แรงดนวงรอบปด
จากรปท 1.4 สามารถเขยนสมการแรงดนของวงรอบปดไดดงน 054321 =+−++− vvvvv ------------- (1.7)
เคร องหมายหนา v จะเปนบวกเมอวงรอบปดเดนรอบจากข วบวกไปยงข วลบ(ศกยสงไปศกยต า) และจะเปนลบ เมอวงรอบปดเดนรอบจากข วลบไปยงข วบวก (ศกยตาไปศกยสง) ในการกาหนดทศทางการเดนรอบของวงรอบปดจะไมมผลตอผลลพธทไดแตอยางใด KVL สามารถเขยนใหอยในรปแบบทางคณตศาสตรไดดงน
v 2 v 3
v 1 v 4
v 5
4
∑=
=N
nnv
10 ------------- (1.8)
โดยท
nv คอ แรงดนท n ในวงรอบปด N คอ จานวนแรงดนในวงรอบปด ทฤษฎการทบซอน (Superposition) ทฤษฎการทบซอน กลาววา ในโครงขายวงจรเชงเสนใดๆ ท มแหลงกาเนดอสระต งแตสองแหลงข นไป แรงดนหรอกระแสทองคประกอบใดๆ ในวงจรจะเปนผลรวมทางพชคณตของแรงดนหรอกระแสขององคประกอบนนอนเกดจากแหลงกาเนดอสระแตละแหลง ในการคานวณหรอวเคราะหวงจรของแหลงกาเนดใดน น ตองทาใหแหลงกาเนดอสระอ นท งหมดเปนศนย กลาวคอ ลดวงจรแหลงกาเนดแรงดนอสระ และเปดวงจรแหลงกาเนดกระแสอสระ หลกการของทฤษฎการทบซอน Ø เมอคดผลตอบสนองของวงจร (แรงดนหรอกระแส) ท เกดจากแหลงจายอสระตวใดใหทาการกาจดแหลงจาย
อสระตวอนๆ คอ o แหลงจายแรงดนอสระใหมคาเทากบ 0 โวลต (หรอลดวงจร) o แหลงจายกระแสอสระใหมคาเทากบ 0 แอมแปร (หรอเปดวงจร)
(a) (b)
รปท 1.5
(a)แหลงจายแรงดนอสระใหมคาเทากบ 0 โวลต (b) แหลงจายกระแสอสระใหมคาเทากบ 0 แอมแปร Ø แหลงจายแบบไมอสระใหยงคงไวในวงจรเหมอนเดม เน องจากแหลงจายแบบไมอสระถกควบคมดวยแรงดนหรอ
กระแสในวงจร
Open Circuit
0A0A
Short Circuit
0V 0V
5
ข นตอนของการใชวธทฤษฎการทบซอน 1) กาจดแหลงจายอสระในวงจรใหเหลอเฉพาะแหลงจายอสระเพยงตวเดยว 2) หาคาของแรงดนหรอกระแสท ตองการท เกดจากแหลงจายในขอแรก 3) ทาซาขอ 1 –2 จนกระท งครบแหลงจายอสระทกตว 4) นาผลตอบสนอง (แรงดนหรอกระแส) ท ไดจากแหลงจายอสระแตละตวในขอ 2 มารวมกน ซ งจะไดเปน
ผลตอบสนองรวม
จะได 21 vvv += ทฤษฎบทเทวนน (Thevenin’s Theorem) ทฤษฎบทเทวนนกลาวไววา “วงจรเชงเสน 2 ขวใดๆ สามารถแทนไดดวยแหลงจายแรงดน thv อนกรมกบตวตานทาน thR ” ดงแสดงในรปท 1.6
รปท 1.6 วงจรสมมลของเทวนน
VS v1R1 R2
ISR1 R2 v2
หาคา v1 หาคา v2
VS v ISR1 R2
หาคา v
Linear two Terminal circuit v
a
b
Load
i
v
a
b
Load
i
vThRTh
วงจรสมมลของเทวนน
6
เมอ thv คอ แรงดนตกครอมขว a-b ขณะเปดวงจร และ thR คอ ความตานทานท ข ว a-b เม อกาจดแหลงจายอสระท งหมด KVL วงจรสมมลของเทวนนจะได
0=−− viRv thth ------------- (1.9) thth iRvv −= ------------- (1.10)
ในกรณท กระแส Ai 0= จะได
0| === iocth vvv ------------- (1.11) ocv คอแรงดนขณะเปดวงจร (Open Circuit Voltage)
ดงนน thv (หรอ ocv ) หาไดจากการถอดสวนทเปนโหลดทขว a-b ออกและคานวณหาคาของแรงดนท ขว a-b
สวน thR หาไดโดยทาการกาจดแหลงจายอสระท งหมด ซ งแบงออกเปน 2 กรณคอ
- กรณวงจรไมมแหลงจายไมอสระ
thR คอความตานทานรวมท ข ว a-b - กรณวงจรมแหลงจายไมอสระ ใหคงแหลงจายไมอสระไวเหมอนเดมและทาการปอนแหลงจายแรงดน
(หรอกระแส) ทขว a-b ดงรป จะได o
oth i
vR =
Linear circuit witha
b
all indepenentsources set equal
to zerovo
ioLinear circuit with
a
b
all indepenentsources set equal
to zerovo io
Linear two Terminal circuit
v oc
a
b
i = 0A
Linear circuit with a
b
all independent Sources set equal
to zero R Th
7
ทฤษฎบทนอรตน (Norton’s Theorem)
รปท 1.7 วงจรสมมลของนอรตน
ทฤษฎบทนอรตนกลาววา “วงจรเชงเสน 2 ข วใดๆสามารถแทนไดดวยแหลงจายกระแส Ni ขนานกบตวตานทาน NR ” ดงแสดงในรปท 1.7
เมอ Ni คอกระแสท ไหลผานข ว a-b ขณะลดวงจรขว a-b และ NR คอความตานทานท ข ว a-b เม อกาจดแหลงจายอสระท งหมด
KCL วงจรสมมลของนอรตนได
0=++− iRvi
NN ------------- (1.12)
NN R
vii −= ------------- (1.13)
ในกรณท แรงดนท ข ว a-b Vv 0= จะได
0| === vNsc iii ------------- (1.14)
sci คอ กระแสขณะลดวงจรทขว a-b (Short Circuit Current) ดงนน Ni (หรอ sci ) หาไดจากการถอดสวนทเปนโหลดทขว a-b ออก ทาการลดวงจรท ข ว a-b และ
คานวณหาคาของกระแสท ไหลผานข ว a-b
การหาคา NR ทาไดโดยการกาจดแหลงจายอสระท งหมด และทาการหาคาความตานทานรวมทขว a-b ซ งมวธการหาคาเหมอนกบการหาคาความตานทาน thR หมายเหต : บางกรณกพบวา NR หรอ thR จะมคาตดลบได ซ งกรณดงกลาวจะเกดข นในกรณท วงจรมแหลงจายไมอสระเทานน
Linear two-terminal circuit v
a
b
Load
i
v
a
b
Load
i
iN RN
วงจรสมมลของนอรตน
Linear two-terminal circuit
v = 0V
a
b
isc
8
ความสมพนธระหวางวงจรสมมลเทวนนและนอรตน แสดงไดดงน
Nth
scN
octh
RRiivv
===
วงจรสมมลของเทวนนเมอลดวงจรทขว a-b
จะได th
ocsc R
vii ==
นนคอจะไดความสมพนธระหวาง ocv , sci และ thR เปน thscoc Riv = 4. คาถามทายบท
1. กฎหรอทฤษฎใดบางท นามาใชในการวเคราะหวงจรอเลกทรอนกส 2. กฎกระแสและแรงดนของเคอรชอฟฟกลาวไววาอยางไร 3. วงจรสมมลเทวนนและนอรตนมความสมพนธกนอยางไร
5. อางอง [1] บณทต บวบชา. 2541. ทฤษฎและการวเคราะหวงจรไฟฟา1. กรงเทพฯ : ฟสกสเซนเตอร. [2] Donald P. Leach. 1992. Discrete and Integrated Circuit Electronics. Santa Clara University.
va
b
i
iN RNv
a
b
i
v th R th
วงจรสมมลของนอรตน วงจรสมมลของเทวนน
v
a
b
i = i sc v th R th
9
บทท 2 SEMICONDUCTER DIODES
1 วตถประสงค 1. เพ อใหเขาใจถงคณลกษณะและคณสมบตท สาคญของไดโอด 2. เพอศกษาการทางานของไดโอดแบบตางๆ
2. บทนา
ไดโอดคออปกรณอเลกทรอนกสทมโครงสรางมาจากสารกงตวนาชนดพและเอน ม 1 รอยตอ ไดโอดเปนอปกรณทสาคญมากและมการใชกนอยางแพรหลายโดยเฉพาะในวงจรแหลงจายไฟกระแสตรง (DC Power Supply) ไดโอดทาหนาทแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบใหเปนแรงดนไฟฟากระแสตรง วงจรแหลงจายไฟฟากระแสตรงน จาเปนตองมเพอจายใหกบวงจรอเลกทรอนกสแบบตาง ๆ 3. เนอหา ไดโอด
ไดโอดสามารถแยกวงจรไดเปน 3 แบบ คอ Ideal Equivalent Circuit, Simplified Equivalent Circuit และ Piecewise–Linear Equivalent Circuit ซงแตละแบบจะมความสมบรณใกลเคยงกบไดโอดจรงทแตกตางกนไป วงจรสมมลของโอดในอดมคต (Ideal Equivalent Circuit) ไดโอดในอดมคตจะมลกษณะเปนสวทชทยอมใหกระแสไฟฟาผานไหลทางเดยว ซงกหมายความวาถามการไบอสยอนกลบไดโอดจะไมนากระแส และถามการไบอสเดนหนาจะทาใหไดโอดนากระแสได โดยไดโอดในอดมคตจะมคาแรงดนเทรดโฮลด (VT) เปน 0 มคาความตานทานเปน infinite เมอมการไบอสยอนกลบ และมความตานทานเปน 0 เมอไบอสเดนหนา ดงรป 2.1
รปท 2.1 a) กราฟแสดงคณลกษณะของไดโอด
b) ไดโอดในอดมคต
10
อยางไรกตามวงจรสมมลแบบนจะมคณลกษณะทแตกตางจากไดโอดจรงคอนขางมาก ซงในการคานวณจะใชการคานวณวงจรสมมลแบบนไดกตอเมอ ความตานทานในวงจรสวนอนทเกยวของมคามากกวาความตานทานของไดโอดมากๆ และแรงดนไฟฟาในวงจรสวนอนมคาสงกวาแรงดน VT ของไดโอดมากๆ (ปกตเกน 10 เทาขนไป)
วงจรสมมลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit) เปนวงจรทมความใกลเคยงวงจรไดโอดขนมาอกขนหนงทงนกเนองจากวา ในไดโอดจรงๆ นน คาความตานทานของสวนประกอบสวนอนซงมกตดทงได แตคาแรงดนเทรดโฮลดของไดโอด ซงจะมคาอยประมาณ 0.7 โวลท สาหรบไดโอดแบบซลกอนจะยงคงมผลกระทบตอบางวงจรอย ดงนนวงจรสมมลอยางงายจงจะคงคาแรงดนเทรดโฮลดเอาไวดงรปท 2.2(b) คอเปนเสมอนไดโอดในอดมคตตออนกรมกบแหลงจายแรงดนกระแสตรงเทากบ VT หรอ 0.7 โวลท และมคณลกษณะ V-I Plot ดงรปท 2.2(a)
รปท 2.2 วงจรสมมลอยางงายสาหรบไดโอดแบบซลกอน
วงจรสมมลแบบเสนตรงยอย (Piecewise–Linear Equivalent Circuit) วงจรสมมลแบบนจะมคณลกษณะทใกลเคยงคณลกษณะจรงของไดโอดมากทสดใน 3 แบบ ซงคณสมบตของไดโอดจะถกแบงออกเปนเสนตรงยอยๆ 3 สวน คอ สวนลาดเอยง (Sloping section) จะแทนคาเฉลยของ ac resistance สวนไบอสยอนกลบ (Reverse-bias) จะแทนการเปดวงจร (Open-circuit) ของไดโอด และสวนไบอสเดนหนา (Forward-bias) ทแรงดนเทรดโฮลด VT = 0.7 โวลท ดงรปท 2.3
11
รปท 2.3 เปนการแทนท วงจรสมมลของไดโอดจรงๆ ในทางปฏบต
วงจรสมมลแบบนจะมคาใกลเคยงกบวงจรไดโอดจรง แตตางทกราฟของวงจรสมมลไมมสวนโคงของกราฟ โดยในชวงของการไออสเดนหนากระแสเดนหนา IF จะเปน 0 mA จนถงแรงดนเทรดโอลล 0.7 โวลทกระแสจงคอยเพมขนดวยความชนเทากบ rav ตวอยาง
จงหาคาโดยประมาณความตานทาน rav เมอ IF = 10 mA (กระแส forward current ของไดโอด) ท VD = 0.8 โวลท
วธทา ใหทจดแรงดนเทรดโฮลด VD = 0.7 โวลท กระแสเดนหนาเทากบ 0 โวลท
นนคอ
( )( ) Ω==
−−
=∆∆
= 1010
1.0010
7.08.0mAV
mAV
IVr
d
dav
เวลาฟนตวยอนกลบ (Reverse Recovery Time) ในกรณอดมคต ถาแรงดนปอนใหกบไดโอดมการเปลยนแปลงอยางทนททนใดจากไบอสเดนหนาเปน ไบอสยอนกลบ ไดโอดจะเปลยนสภาวะทนททนใดจากการนาไฟฟาเปนไมนาไฟฟา แตอยางไรกตามในความเปนจรงเนองจากการม minority carriers จานวนมากในแตละวสด กระแสไฟฟาของไดโอดจะไหลยอนกลบและยงคงคางคากระแสยอนกลบ Ireverse ไวเชนนนในชวงเวลาหนง เทากบ storage time, ts ซงเปนชวงเวลาทใชเพอเปลยน minority carries ใหเปน majority-carries ใน opposite material ซงเปนชวงเวลาท short-circuit หลงจากนนเมอชวงเวลา storage phase ผานไป กระแสจะคอยๆ ลดระดบลงเขาสภาวะไมนากระแสอยางทควรจะเปนโดยใชเวลาเทากบ transition interval, t t ดงนน reverse recovery time (trr) จะเปนรวมของ storage time (ts) และ transition interval (t t) :
12
trr = ts + tt คา trr มความสาคญในงานประยกตททาใหการสวทชทมความเรวสงถกจากดลง ไดโอดทผลตออกมาใชโดยทวไปจะมคา trr อยระหวางไมก ns จนถง µs.
รปท 2.4 Defining the reverse recovery time.
สญลกษณของไดโอด
รปท 2.5 Various type of junction diodes. : [1]
การทดสอบไดโอด (Diode Testing) การทดสอบไดโอดทงายทสดคอการใชมเตอรวดความตานทานหรอโอหมเตอรทาการวดดวยคณสมบตของไดโอดทวา ความตานทานเมอไบอสเดนหนาจะมคาตามากและความตานทานเมอมการไบอสยอนกลบจะสงมากและคณสมบตของโอหมมเตอรทจะมแรงดนออกทขาวด ดงนนการลองสลบขวขาของมเตอรกจะทาใหทราบวาขวใดของไดโอดเปน Anode และขวใดเปน Cathode หรอมเตอรเสยใชงานไมไดดงรปท 2.6 อยางไรกตาม มเตอรทผลดมาแตละบรษทจะมศกยไฟฟาสงอยทขวดา ซงมอเตอรในตวอยางในรปท 2.6(b) จะมศกยไฟฟาสงอยทขวสแดง
13
รปท 2.6 Checking a diode with the (a) Forward – bias state and (b) Reverse – bias state
ซเนอรไดโอด (Zener Diode) ซเนอรไดโอดเปนการนาประโยชนของการมการ breakdown เมอปอนแรงดนยอนกลบมาใชโดยการผลตทมการควบคมสามารถทาใหไดโอดนากระแสยอนกลบเมอถงแรงดนทกาหนดตามตองการได ซงซเนอรไดโอดจะมคณสมบตทกอยางเหมอนไดโอดปกต นนคอจะนากระแสเมอมการไบอสเดนหนา แตในกรณปอนแรงดนยอนกลบไดโอดจะมคณสมบตไมนากระแสจนเมอแรงดนยอนกลบมคามากกวา Vz ทกาหนด ซงจะทาใหซเนอรนากระแสอยางรวดเรว ดงในรปท 2.7 ซง Vz เปนคณสมบตเฉพาะของไดโอดแตละตวไป
รปท 2.7 Zener test characteristics Fairchild IN961
14
รปท 2.8 (a) Condition direction of Zener diode (b) Equivalent circuit complete (c) approximate.
รปท 2.8(b) เปนวงจรสมมลของซเนอรซงจะประกอบดวยแหลงจายแรงดนมคาเทากบ Vz ทจะทาใหแรงดนครอมซเนอรจะตองมคามากกวา Vz กระแสจงสามารถไหลผานไปได และความตานทานภายในของซเนอร rz สญลกษณแหลงจายแรงดนในรป ไมไดหมายความถงแหลงจายแรงดนจรงๆ เนองจากวามการนา passive element เชน ความตานทานมาตอจะไมมการจายกระแสออกจากไดโอด คาแรงดนซเนอรทมการผลตออกมาในตลาดจะมคาตงแต 1.8 ถง 200 โวลทโดยมอตรากาลงอยระหวาง 14 ถง 50 วตต รปท 2.9 แสดงซเนอรไดโอดแบบตางๆ และสญลกษณ
รปท 2.9 Zener terminal identification and symbols.
15
ไดโอดแปลงแสง (Light – Emitting Diodes, LED) ไดโอดแปลงแสงหรอ light – emitting diode (LED) เปนทรจกกนดในการแสดงผลแบบตางๆ ซง LED จะใหแสงสวางออกมาเมอมการจายพลงงานให ในภาวะท LED มการ forward-bias รอยตอ p-n junction จะมการรวมกนของ holes และ electrons ซงการรวมกนจะทาใหเกดพลงงานออกมาเนองจากอเลกตรอนมการเปลยนสถานะหนงไปเปนอกสถานะหนง ใน semiconductor แบบ p-n junction โดยทวไปจะปลอยพลงงานออกมาในรปของความรอน เชน สารกงตวนาประเภท silicon และ germanium อยางไรกตามในสารกงตวนาประเภทอน เชน gallium arsenide phosphide (GaAsP) หรอ gallium phosphide (GAP) จะปลดปลอย photons ออกมาเปนจานวนมากจนทาใหเหนเปนแสงสวางขน สาหรบกระบวนการททาใหมการแปลงแสงออกมาไดจากการใสพลงงานไฟฟาเขาไปเรยกวา electroluminescence. 4. สรป
อปกรณไดโอดนนสามารถแบงออกไดเปน 3 แบบคอ วงจรสมมลของไดโอดในอดมคต (Ideal Equivalent Circuit) เปนวงจรในทางอดมคตซงมลกษณะเปนสวทชทยอมใหกระแสไฟฟาไหลผานไดทางเดยวเมอมการไบอสเดนหนา โดยมคาเทรดโฮลด (VT) เปน 0 และมคาความตานทานเปน infinite
วงจรสมมลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit) มความใกลเคยงกบวงจรไดโอดจรงข นมาอกข นหน งคอมคาแรงดนเทรดโฮลดอยประมาณ 0.7 โวลล
และ วงจรสมมลสมมลแบบสวนยอย (Piecewise–Linear Equivalent Circuit) มคณลกษณะใกลเคยงกบไดโอดจรงมากทสดเพราะมสวนยอยๆ 3 สวนคอ สวนลาดเอยง ซงเปนการแทนคาเฉลยของ ac resistance สวนไบอสยอนกลบ และสวนไบอสเดนหนา ซงมคาแรงดนเทรดโฮลดอยประมาณ 0.7 โวลล
โอดจะนากระแสได ถาใหแรงดนบวกทขาแอโนด และแรงดนไฟลบทขาแคโทด เรยกวา “ใหแรงดนไบอสตรง” ไดโอดจะกระแสเมอเกดแรงดนตกครอมทตวมนประมาณ 0.2 – 0.3 โวลต สาหรบไดโอดแบบเยอรมนเนยม และ 0.6 – 0.7 โวลต สาหรบไดโอดแบบซลกอน 5. คาถามทายบท 1. จงยกตวอยางไดโอดชนดตาง ๆ พรอมทงบอกคณสมบตทสาคญของไดโอดนน ๆ ดวย 2. เงอนไขทจะทาใหไดโอนากระแสหรอหยดนากระแสไดคออะไร 6. อางอง [1] Diodes,http://203.154.220.127/~elec2/diodes.php [2] ดารงค เคลาด, “Basic Electronic”, มหาวทยาลยสงขลานครนทร ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอรหนา
28 - 41.
16
บทท 3 Bipolar Junction Transistor
1. วตถประสงค
1. เพอศกษาหลกการทางานของ Bipolar Junction Transistor 2. บทนา
ทรานซสเตอรชนดสองรอยตอถกคนพบคร งแรก โดยคณะทางานหองปฏบตการของบรษทเบลเทโลโฟน(Bell Laboratories) ในป ค.ศ. 1947 นบไดวาเปนการปลกโลกของววฒนาการการสรางอปกรณสารก งตวนา ทรานซสเตอรชนดสองรอยตอ เรยกดวยตวยอวา BJT (Bipolar Junction Transistor) ทรานซสเตอร (BJT) ถกนาไปใชงานอยางแพรหลาย เชน วงจรขยายในเคร องรบวทยและเคร องรบโทรทศนหรอนาไปใชในวงจรอเลกทรอนกสท ทาหนาท เปนสวทซ (Switching) เชน เปด-ปดรเลย (Relay) เพอควบคมอปกรณไฟฟาอนๆ
3. เนอหา BJT
ทรานซสเตอร(Transistor) คอส งประดษฐทาจากสารก งตวนาม 3 ขา กระแสหรอแรงดนเคลอนเพยงเลกนอยทขาหน งจะควบคมกระแสท มประมาณมากท ไหลผานขาท งสองขางได หมายความวาทรานซสเตอรเปนท งเคร องขยายและสวทซทรานซสเตอร โครงสรางทรานซสเตอร
ทรานซสเตอรชนดสองรอยตอหรอ BJT น ประกอบดวยสารก งตวนาชนด p และ n ตอกน โดยการเตมสารเจอปน (Doping) จานวน 3 ช น ทาใหเกดรอยต า (Junction) ขนจานวน 2 รอยต า การสรางทรานซสเตอรจงสรางได 2 ชนดคอ ชนดท มสารชนด N 2 ชนเรยกวาชนด NPN และชนดทมสาร P 2 ชนเรยกวาชนด PNP ซ งมโครงสรางดงรปท 3.1 และ 3.2 ตามลาดบ
รปท 3.1 โครงสรางทรานซสเตอรชนด NPN
17
รปท 3.2 โครงสรางทรานซสเตอรชนด pnp
ขาทง3 ท ตอใชงานของทรานซสเตอร มช อเรยกดงน
• ขาคอลเลคเตอร (Collector) เรยกยอๆ วา ขาซ (C) เปนโครงสรางทมชนสารขนาดใหญทสด มกจะถกโดปเปนฐาน
• ขาอมตเตอร (Emitter) เรยกยอๆ วา ขาอ (E) เปนโครงสรางท มช นสารขนาดรองลงมาและอยคนละดานกบคอลเลกเตอร
• ขาเบส (Base) เรยกยอๆ วา ขาบ (B) เปนโครงสรางท มช นสารขนาดแคบสด เม อเทยบกบอกสองสวน และอยระหวางกลางของสารทงสอง
การดขาจากสญลกษณของทรานซสเตอรขาเบส (B) จะอยตอนกาง ขาท มหวลกศรกากบไว คอ ขาอมตเตอร (E) ถาเปนรปลกศรช เขาเปนทรานซสเตอรชนด PNP รปลกศรชออกเปนทรานซสเตอรชนด NPN ดงแสดงในรปท 3.3 และ 3.4
รปท 3.3 สญลกษณ npn รปท 3.4สญลกษณ pnp
กระแสและแรงดนของทรานซสเตอร (Transistor Current and Voltage) เน องจากทรานซสเตอรเปนอปกรณท มข ว 3 ขวคอ ขวคอลเลคเตอร, ข วเบส และข วอมตเตอร จงมกระแสและ
แรงดนทรานซสเตอรหลายคา ดงน • กระแสของทรานซสเตอร
18
ทรานซสเตอรเปนอปกรณซ งถกควบคมดวยกระแสเบส (Base Current: IB) กลาวคอเมอ IB มการเปลยนแปลงแมเพยงเลกนอยกจะทาใหกระแสอมตเตอร (Emitter Current: IE) และกระแสคอลเลคเตอร(Collector Current: IC) เปลยนแปลงไปดวย นอกจากนถาเราเลอกบรเวณการทางาน (Operating Region) หรอทาการไบอสทรอยตอของทรานซสเตอรทง 2 ตาแหนงใหเหมาะสม กจะได IE และ IC ซงมขนาดมากขนเมอเทยบกบ IB
รปท 3.5 ความสมพนธของกระแสระหวางขา C และ E
จากรปท 3.5 เมอจายสญญาณกระแส AC ทขวเบส (IB) หรอท ดานอนพตของทรานซสเตอรกจะไดรบสญญาณ
เอาตพตท ข วอมตเตอรและท ข วคอลเลคเตอร มขนาดเพ มข น ซงมสมการดงน IE = IC + IB ------------- (3.1) อตราขยายเบตาและอลฟา อตราขยายทางกระแสของทรานซสเตอรไดแก อตราขยายในวงจรคอมมอนอมตเตอร ซ งเปนวงจรท นยมใชงานมากท สด คาอตราขยายน ไดมาจากอตราสวนของกระแสคอลเลกเตอร (Ic) เทยบกบกระแสเบส (IB) เราเรยกคาอตราขยายกระแส (Current Gain) น วาคาเบตา (βdc) เชนหากกระแสขาเขาเปนกระแสเบสกระแสออกเปนกระแสคอลเลกเตอร หากกระแสเขาเทากบ 1 mA กระแสออกเทากบ 100 mA เรยกวาอตราขยายเทากบ 100 เทา ดงน นหากคาอตราขยายสามารถหาไดจากสมการดงน
βdc = ------------- (3.2)
โดยท วไปแลวคาอตราขยาย β dc จะอยในชวง 20 ถง 200 เทาหรอมากกวาน น นอกจากน แลวยงมอตราขยายของวงจรท จดวงจรแบบคอมมอนเบส โดยถอวากระแสเขาคอกระแสอมตเตอร กระแสออกคอกระแสคอลเลกเตอร คาอตราขยายดงกลาวเรยกวาคาอลฟา (αdc) ซงมสมการดงน α dc = ------------- (3.3)
B
C
II
E
C
II
19
แตจากสมการทรานซสเตอรสมการท3.1 และคา IC มคาประมารใกลเคยงกบคา IE แตไมมากกวาคา IE ดงน นคาอตราขยายของสมการน จงมคาอยในชวง 0.95 ถง 0.99 เทาหรอมคาไมเกน 1 เทา ความสมพนธระหวางคา β dc และ α dc จากสมการท 3.1 และนา IC หารสมการท 3.1
= = = ------------- (3.4)
ซ งคา βdc = และคา α dc = ดงนนนาคาทงสองแทนในสมการท3.4 ไดดงน = ------------- (3.5) และ = ------------- (3.6)
• แรงดนของทรานซสเตอร ขณะตอทรานซสเตอรเพ อใชกบงานจรง มแรงดนไฟฟาหลายประการเกดข น ดงรป 3.6
รปท 3.6 แรงดนไฟฟาทเกดขนของทรานซสเตอร
C
BC
III )( +
C
E
II
C
B
C
C
II
II
+
C
B
II
+1
B
C
II
E
C
II
dcα1+dc
dc
ββ
dcβdc
dc
αα−1
20
หลกการทางาน ทรานซสเตอรท งชนด NPN และชนด PNP เม อนาไปใชงานไมวาจะใชในวงจรขยายสญญาณ(Amplifier) หรอ
ทางานเปนสวตซ จะตองทาการไบอสใหทรานซสเตอรทางานได โดยใชหลกการไบอส ดงน • ไบอสตรง (Forward Bias) ใหกบรอยตอระหวางอมตเตอรกบเบส • ไบอสกลบ (Reverse Bias) ใหกบรอยตอระหวางคอลเลคเตอรกบเบส
หลกการของทรานซสเตอรคอ ตองการท จะทาใหกระแสทางดานอนพต สามารถควบคมการไหลของกระแสเอาตพตได ดงน นการใหไบอสทางเอาตพตจงตองเปนการใหไบอสเปนแบบ Reverse Bias ถาเปนแบบ Forward Bias กระแสดานเอาตพตกจะเปนอสระไมสามารถควบคมได และทางดานอนพตจะตองใหไบอสเปนแบบ Forward Bias ดวยแรงดนไฟฟาต าๆ เพ อท จะไมทาใหกระแสเอาตพตเกดการอ มตวเสยกอน การทางานของทรานซสเตอรชนด NPN
การปอนแรงดนไฟฟาใหกบทรานซสเตอรชนด NPN คอ การจายไฟลบใหขา E เม อเทยบกบไฟบวกท จายใหขา B และจายไฟบวกใหขา C เม อเทยบกบไฟลบท จายใหขา B มท งไฟบวกและไฟลบ แตการเทยบศกย Forward นนจะเทยบระหวางขา B กบขา E เทานนทาใหขา B ซงเปนสาร P ไดรบแรงไฟ Forward คอเปนไฟบวกเมอเทยบกบขา E เทาน นแสดงดงรปท 3.7
รปท 3.7 การทางานของทรานซสเตอรชนด NPN การทางานของทรานซสเตอรชนด PNP
การปอนแรงดนไฟฟาใหกบทรานซสเตอรชนด PNP โดยการจายไฟบวกใหขา E เมอเทยบกบไฟลบทจายใหขา B และจายไฟลบเขาขา C เมอเทยบกบไฟบวกทจายใหขา B ทาใหขา B มทงไฟลบและไฟบวก ทาใหขา B ซงเปนสาร N ไดรบ Forward Bias คอ เปนลบเมอเทยบกบขา E เทาน น แสดงดงรปท 3.8
21
รปท 3.8 การทางานของทรานซสเตอรชนด PNP
สาหรบทรานซสเตอรชนด PNP นนเมอขา B กบขา E ได Forward Bias และจากขา B กบขา C ได Reverse Bias จะทาใหมกระแสเบส (IB) ไหลจากไฟบวกเขาขา E ไปยงขา B และกระแสคอลเลคเตอร (IC) จะไหลจากไฟบวกเขาขา E ออกมายงขา C ทศทางการไหลของกระแสจะวงไปตามทศทางของลกศร นอกจากการไลกระแสซ งจะไหลจากบวกไปยงลบแลว ยงมการไลกระแสจากข วลบไปข วบวกดวย หรอเรยกวา กระแสอเลกตรอน ทศทางการไหลของกระแสจะไปในทศทางยอนลกศร การไหลของกระแสในทรานซสเตอรจะถกกาหนดดวยแรงดนไฟฟาท จายใหขา B คอ ถาแรงดนไฟฟา Forward Bias ทขา B มากกระแสเบส(IB) จะไหลไดมาก กจะทาใหกระแสคอลเลคเตอร(IC) ไหลไดมากตาม ถาแรงดนไฟฟา Reverse Bias ทขา C มากกจะทาใหกระแสคอลเลคเตอรมากดวย การทกระแสในทรานซสเตอรจะไหลไดมากหรอนอย จะข นอยกบแรงดนไฟฟาท ปอนใหเปนหลก กลาวคอ ถาให VBE มาก IB จะไหลมาก ความตานทานในทรานซสเตอรระหวาง C – E กจะตาลงมาก IC กจะไหลมาก และ IE กจะไหลไดมากดวย ถาให VBE นอย IB จะไหลนอย ความตานทานในทรานซสเตอรระหวาง C – E กจะสง IC กจะไหลนอยและ IE กจะไหลไดนอยดวย การจดโครงสรางของทรานซสเตอรพนฐาน (Basic Transistor Configuration) Common-base
วงจรเบสรวม เปนวงจรท มการจายอนพตใหข วอมตเตอร และเอาตพตออกจากข วคอลเลคเตอร น นคอมข วเบสเปนจดตอรวมกบแหลงจายแรงดนไฟฟาท งสองวงจร วงจรเบสรวมตองการความถ สง มอตราขยายกระแสไฟฟาต า อตราขยายแรงดนไฟฟาสง และแรงดน AC อนพตกบแรงดน AC เอาตพต Inphase กน
22
รปท 3.9 ตวอยางวงจร common-base Common-emitter
วงจรอมตเตอรรวมเปนวงจรท การจายอนพตใหกบข วเบสและมเอาตพตออกมาจากข วคอลเลคเตอร ซ งมแหลงจายแรงดนไฟฟาท งสองมจดต ารวมกบข วอมตเตอร วงจรอมตเตอรรวมมอตราขยายกระแสและอตราขยายแรงดนไฟฟาสง และมการเล อนเฟสแรงดน AC อนพตไปยงเอาตพตเปนมม 180 องศา
รปท3.10 ตวอยางวงจร Common-emitter Common-Collector
วงจรคอลเลคเตอรรวมเปนวงจรท มการจายอนพตใหข วเบสและเอาตพตออกจากข วอมตเตอร วงจรคอลเลคเตอรรวมมอตราขยายกระแสไฟฟาสง แตอตราขยายแรงดนไฟฟาต า แรงดน AC อนพตกบแรงดน AC เอาตพตจะ inphase กน
23
รปท 3.11 ตวอยางวงจร Common-collector
4. สรป a. กระแสของทรานซสเตอร
IE = IC + IB b. อตราขยายกระแสดซ
=
c. อตราขยายอลฟา =
d. การเปลยนจากคา เปน
=
e. การเปลยนจากคา เปน =
dcαdcβ
dcαdcβ
B
C
II
dcβ
dcαE
C
II
dcβdc
dc
αα−1
dcα1+dc
dc
ββ
24
5. คาถามทายบท 1. จงอธบายหลกการทางานของทรานซสเตอร
6. อางอง [1] http://203.154.220.127/~elec2/worktr.php, 01/12/2546 [2] http://taback.sripruetta.ac.th/~wichian/en2007/webcourse/transistor/lesson9.htm,
01/12/2546 [3] http://www.thai.net/comd_mtc/tr/tr.htm, 01/12/2546 [4] เจน สงสมพนธ “เทคโนโลยอเลกทรอนกส 3 วงจรอเลกทรอนกส” สถาบนอเลกทรอนกสกรงเทพรงสต หนา
153-182
25
บทท 4 DC Biasing BJTS
1. วตถประสงค
1. เพ อศกษาการไบอสของวงจรทรานซสเตอรพ นฐานแบบตางๆ
2. บทนา การนาทรานซสเตอรไปใชในวงจรขยายสญญาณ จาเปนตองมการไบอส (Bias) ท เหมาะสมใหกบทรานซสเตอรเสยกอน เพ อใหทรานซสเตอรสามารถทางานได การไบอส หมายถง การกาหนดคาแรงดนและกระแสใหกบวงจรทรานซสเตอรเพ อใหทรานซสเตอรทางาน เรยกจดท ทาใหทรานซสเตอร พรอมเพ อการทางานน วาจด Operating Point หรอจดคว (Quiescent Point: Q Point) โดยปกตวงจรขยายสญญาณ จะทาหนาทขยายสญญาณ ac ดงน นในวงจรทรานซสเตอรใดๆจะตองม แรงดน, กระแส DC สาหรบการไบอส และ แรงดน, กระแส ac ของสญญาณทตองการขยาย สญญาณดงกลาวจะรวมกนอยในวงจร แตเราสามารถคานวณและวเคราะห ดวยทฤษฎของ Superposition โดยการแยกวเคราะหวงจรไฟฟาโดยการพจารณาจาก Source ทละสวน แตในทางปฏบตน น การวเคราะหวงจร DC เราสามารถหาจดทางานไดเลยโดยไมตองนาสญญาณ ac ท เปนสญญาณอนพตและเอาทพตของวงจรมาคด และทานองเดยวกนเม อตองการวเคราะหการตอบสนองทางดาน ac กไมจาเปนตองสนใจ DC Source ทาใหงายตอการวเคราะหวงจร 3. เนอหา เสนโหลดไฟกระแสตรงและจดทางาน (Load line analysis and Operating Point) ในวงจรขยายโดยใชทรานซสเตอร ผลของการจายแรงดนแลกระแส DC ใหกบวงจรจะทาใหไดจดทางาน (operating point) หรอจดสงบ (quiescent point) คาหน ง ซ งจะสงผลตอการทางานของวงจร โดยท สญญาณเอาทพต ac ของวงจรเม อมการทางานจะมคาแกวงผานจดทางาน โดยจดทางานเปนคาก งกลางของการแกวง การพจารณาจดสงบของวงจรจะดจากกราฟคณสมบตของเอาทพต (output characteristic) ดงในรปท 4.1 โดยจดทางานท เหมาะสมน นควรอยภายใน active region โดยเปนตาแหนงใดกได จากรปท 4.1 กาหนดให A, B, C และ D เปนจดทางาน ตามท ไดกลาวมาแลววาจดทางานท แตกตางกนจะใหการตอบสนองท ตางกน จากรปท 4.1 ทจดทางาน A ซงมคา IC =0 และ VCE =0 เม อพจารณาสญญาณท ถกขยาย จะเหนไดวา แรงดน VCE มโอกาสท จะเปล ยนไปไดทางเดยวเทาน น คอเพ มข น เชนเดยวกบ IC สาหรบจดทางาน B อยในตาแหนงท เปนบรเวณก งกลาง ของ VCE สงสดและ IC สงสด จงทาใหท ง VCE และ IC สามารถเปล ยนคาโดยเพ มข นหรอลดลงไดอยางเตมท ท จดทางาน C เปนจดทการเปลยนแปลงของคาของ VCE และ IC ในชวงลดคา มไดไมมากถงแมวาในชวงเพ มคา จะแกวงไดมากกตาม กราฟความสมพนธในบรเวณดงกลาวไมคอยเปน Linear จงทาใหเอาทพตมการบดเบอน (Distortion)มาก และสาหรบจดทางาน D เปนจดท มคาจากดสงสดทางดานกาลงของทรานซสเตอรมากเกนไป ทาใหเม อมการมใชงานจรงตอง
26
ควบคมไมใหแรงดนเอาทพตแกวงเกนคาสงสด เปนการจากดการทางาน จากรปท 4.1 จะเหนไดวา จด B เปนจดทเหมาะกบการทางานมากท สด เน องจากเอาทพตสามารถแกวงไดกวางท สด
รปท 4.1 Various operating points within the limits of operation of a transfer
การหาจดทางาน การหาจดทางาน หรอ จดสงบสามารถหาไดโดยทาการหาเสนโหลดไฟกระแสตรง (DC load line) บนกราฟคณสมบต (characteristic) เสยกอน และกาหนดคากระแสท ไหลเขามาทางอนพต กสามารถหาจด Q ออกมาไดตามตองการ ข นตอนการหาเสนโหลด และ จด Q
(a) วงจรทตองการหาจดทางาน (b) กราฟคณสมบตทางเอาทพต
รปท 4.2 วงจรและกราฟทตองการหาเสนโหลดจดทางาน จากรปท 4.2 (a) หาคาสมการแรงดนในสวนเอาทพตของวงจรโดยใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ ใสลปวงจร
แรงดนดวยทศทางการไหลของกระแส IC ไดดงน
27
0=++− CECCCC VRIV ∴ CECCCC VRIV += ------------- (4.1)
การหาเสนโหลด DC ทาไดโดยการกาหนดทางานของทรานซสเตอรใน 2 สภาวะคอ สภาวะทางานท จดอมตว และสภาวะการทางานท จด cut off
ทจดอมตว ให V 0=CEV แทนคาลงในสมการท (4.8)
CCCC V RI =+ V0 ∴
CCCC V RI = ------------- (4.2) ทจด cut off ให mA 0 =C I แทนคาลงในสมการท (4.2)
CCCEC V V R =+ mA) (0 ∴ CCCE VV = ------------- (4.3)
นาคาในสมการท (4.2) และ (4.3) ไปกาหนดตาแหนงลงบนแกน IC และ แกน VCE บนกราฟคณสมบต ทา
การลากเสนตรงตอจดท งสอง จะไดเสนตรงท เรยกวาเสนโหลด DC การหาจดทางาน (จด Q) ของวงจรทาไดโดยหาคากระแสอนพตท ไหลเขามา หาไดจากสมการแรงดนในสวนอนพตของวงจร ใชกฎแรงดนของเคอรชอฟฟ ไลลปวงจรแรงดนดวยทศทางการไหลของกระแส IB ไดดงน
0 V R I -V BEBB CC =++
BECCBB - V V RI =
∴ B
BECCB R
VVI −= ------------- (4.4)
นาคากระแส IB ในสมการท (4.4) ไปหาตาแหนงเสนกราฟของ IB ในกราฟคณสมบต เกดจดตดระหวางเสนกราฟ IB กบเสนโหลด DC จดตดน คอ จดทางานของวงจรทรานซสเตอรลกษณะกราฟท ไดออกมาแสดงดงรปท 4.3
รปท 4.3 กราฟแสดงเสนโหลดและจดทางาน (Q)
28
แรงดน VBE ของทรานซสเตอรคอ แรงดนท ตกครอมระหวางขา B และ ขา E ของทรานซสเตอรขณะทรานซสเตอรทางาน แรงดนน เปนไบอสตรง เสมอนแรงดนไบอสในตวไดโอด เกดแรงดนตกครอมตรงรอยตอโดยประมาณดงน ทรานซสเตอรเปนชนดซลกอน (Si) V 0.7 =BEV ------------- (4.5) ทรานซสเตอรเปนชนดเจอรเมเนยม (Ge) V 0.3 =BEV ------------- (4.6) ตวอยาง 4.1 จงหาจดทางาน Q ของวงจร เมอ Q1 เปนชนดซลกอน (Si)
(a) วงจร (b) กราฟคณสมบต
รปท 4.4 วงจรและกราฟท ใชในการคานวณตวอยาง 4.1 วธทา หาสมการแรงดนทเอาทพต 0=++− CECCCC VRIV ให mA 0 =C I V 25- == V V CCCE ให V 0=CEV
CCCC V RI =
∴ C
CCC R
VI =max mA 25k 1
V 25−=
Ω−
=
นาคา VCE = -25 V และ IC = -25 mA ไปกาหนดตาแหนงลงบนแกน IC และ VCE ของกราฟคณสมบตทางเอาทพต ไดเสนโหลด DC ออกมา แสดงดงรปท 4.5 หาสมการแรงดนทอนพต 0=++− BEBBCC VRIV
B
BECCB R
VVI −=
( ) mA 35.74k 680
V 7.0V 25−=
Ω−−−
=
29
นาคา IB = -35.74 µA ไปหาตาแหนงเสนกราฟของ IB ในกราฟคณสมบตทางเอาทพต ไดจดตดระหวาง IB
กบเสนโหลด DC เกดจด Q ของวงจร แสดงดงรปท 4.5
รปท 4.5 เสนโหลด DC และจด Qกาหนดลงนกราฟในรปท 4.4(b)
จากรปท4.5 ท จด Q จะได mA 18- V, 7- == CQCEQ IV การจดไบอสใหตวทรานซสเตอรทางานมผลตอการทางานของวงจรทรานซสเตอรเปลยนแปลงไปสงผลใหจดทางานของวงจรเปล ยนแปลงตามไปดวย การทางานของตวทรานซสเตอรมขดจากดเชนเดยวกบอปกรณสารก งตวนาอ นๆ การเลอกจดทางาน การเลอกคาไบอสท งแรงดนและกระแส ตองคานงถงคาสงสดท ทรานซสเตอรตวน นๆ ทนได ซ งจะถกบอกไวในขอมลรายละเอยดของตวทรานซสเตอร หรอแสดงคาออกมาในรปกราฟคณสมบตทางเอาทพตของวงจรทรานซสเตอร แสดงไวดงรปท 4.6
รปท 4.6 กราฟแสดงคาสงสดของทรานซสเตอร
จากรปท 4.6 แสดงกราฟคณสมบตทางเอาทพตของวงจรทรานซสเตอร การกาหนดคาไบอสของวงจร
สามารถทาไดโดยกาหนดจดทางานบนกราฟคณสมบตในยานทางาน (active region) ของทรานซสเตอรไมเกนคาสงสดท แสดงไวในกราฟ คอแกนแนวต ง (IC) แสดงคากระแสคอลเลกเตอรสงสด (IC(max)) ไว สวนแกนแนวนอน (VCE) แสดงคาแรงตกครอมท ตวทรานซสเตอรระหวางขา C กบขา E สงสด (VCE(max)) ไว และท เสนโคงแสดงคาการ
30
สญเสยกาลงไฟฟาคงท สงสด (PD(max)) ไว ในสวนปลายของคาดงกลาวมาเปนยานคตออฟ (cutoff region) กาหนดคาโดย IB ≤ 0 µA และยานอ มตว (Saturation region) กาหนดคาโดย VCE ≤ VCE(sat)
วงจรไบอสแบบคงท (FIXED – BIAS CIRCUIT) เปนวงจรไบอสคงตวของวงจรแบบอมตเตอรรวม จากรปท 4.7 เปนทรานซสเตอรแบบ npn อยางไรกตามสาหรบทรานซสเตอรแบบ pnp กสามารถวเคราะหและคานวณไดในแบบเดยวกนโดยการเปล ยนทศทางการไหลของกระแสและข วแรงดนท งหมดในการวเคราะหดาน DC จากรปจะเหนวาวงจรแยกสญญาณ ac ของอนพตออกโดยใชตวเกบประจ C1 และ C2 ท งยงชวยปองกนการไหลของกระแส DC ออกจากวงจรดวย ดงน นการคานวณจงไมตองนาสญญาณอนพตและเอาทพตมาคานวณ การไบอสของวงจรเกดจากแหลงจายแรงดน VCC แหลงเดยวเทาน น
รปท 4.7 fixed – bias circuit.
การคานวณเพ อหาจดทางานของวงจรในรป จะใชการคานวณโดยจะแยกพจารณาวงจรสวนอนพตซ งเปนการไหลของ IB และวงจรสวนเอาทพตเปนการไหลของ IC วงจรสวนอนพต (Input Equation Base - Emitter) สมการของวงจรหาไดดวย KVL ท อนพตของทรานซสเตอร ไดสมการดงน
BEBBCC VRIV +=
∴ B
BECCB R
VVI −= ------------- (4.7)
และ EBBE VVV −= เมอ 0=EV ดงนน
BBE V V =
31
วงจรสวนเอาทพต (Output Equation Collector - Emitter) จากความสมพนธคณสมบตของทรานซสเตอร
BC II β= ------------- (4.8) สมการของวงจรหาไดดวย KVL ท เอาทพต ไดสมการดงน
∴ CCCCCE RIVV −= ------------- (4.9) และ ECCE VVV −= แต 0=EV ดงน น CCE VV =
การอมตวของทรานซสเตอร (Transistor Saturation) สาหรบการใชงานวงจรขยายของทรานซสเตอร จาเปนตองไมใหทรานซสเตอรถงจดอ มตว เน องจากจะทาใหสญญาณเอาทพตเกดการบดเบอน (distorted) เมอทรานซสเตอรอมตวจะทาใหแรงดน VCE มคาโดยประมาณเทากบศนย (ในทางปฏบต VCE จะมคาเปนแรงดนต าๆ ซ งจะมผลตอการใชงานนอยมาก)
เม อทรานซสเตอรถงจดอ มตว V. 0≅CEV
Ω. 0
V 0
=
==csatC
CECE I
.I
VR
สาหรบวงจร ไบอสคงตวจะมคากระแส IC ดงสมการ
C
CCC R
VI =max
รปท 4.8 Saturation region (a) actual (b) approximate
32
การเปลยนของจดทางานเมอคา IB เปลยน จดทางาน (Q –point) ของวงจรจะเปล ยนแปลงไดโดยการเปล ยนคา RB ซ งจะสงผลให IB เปล ยนรปตงรปท 4.9(a) โดย จดทางานอยบนเสนโหลดน น นคอถา เพ มคา IB จะทาใหจดทางานอยท ตาแหนง VCE ต าลง แต IC จะเพ มข น แตถาลดคา IB จดทางานจะเล อนไปอยท ตาแหนงท VCE เพ มข นแต IC ลดลง ซ งทาใหเราสามารถเปล ยนจดทางานโดยการเปล ยนคา RB หรอ IB ได การเปลยนของจดทางานเมอคา RC เปลยน ถาหากวงจรมการเปล ยนแปลงคา RC ในขณะทคงคา VCC ไว จะทาใหเสนโหลดเปล ยนคาความลาดชน (Slope) ไป ซ งเม อพจารณาท IB คาเดมจด Q – point จะถกทาใหยายไปในตาแหนงท ตางกนดงรปท 4.9(b) การเปลยนของจดทางานเมอคา VCC เปลยน ถาวงจรมการเปล ยนแปลงคา VCC ในขณะท คาอ นคงท จะทาใหจดตดของเสนโหลดบนแกนต ง (IC) และแกนนอน (VCE) เปล ยนไปโดยคาความชนของเสนโหลดจะเทากน ซ งเม อพจารณาท IB คาเดม จดทางานจะถกทาใหเปล ยนตาแหนงไปเชนเดยวกบรปท 4.10
(a) (b) รปท 4.9 (a) Movement of Q-point with increasing levels of IB (b) Effect of increasing levels of RC on the load line and Q-point.
รปท 4.10 Effect of lower values of VCC on the load line and Q-point
33
วงจรอมตเตอรไบอส (EMITTER BIAS CIRCUIT) การไบอสแบบรกษาระดบท ขาอมตเตอร คอ วงจรไบอสแบบคงท ท เพ มตวตานทานคาคงท (RE) เขาไปใน
วงจรขาท อมตเตอร เน องจากการไบอสแบบท กลาวมาของวงจรทรานซสเตอร มกจะมปญหาเรองเสถยรภาพของจดทางาน เน องจากจดทางานสามารถเปล ยนแปลงไดเม อมการเปล ยนของอณหภม ซ งเปนผลมาจากพารามเตอรบางอยางของทรานซสเตอรมคาเปล ยนไป เชน เม ออณหภมเพ มจะทาให คา β เพมขน, VBE ลดลง ดงน นในการใชงานท ตองการวงจรท มเสถยรภาพจงจาเปน ตองมการปรบปรงวงจรจากวงจรพ นฐาน
รปท 4.11 วงจรไบอสแบบรกษาระดบทขาอมตเตอร (EMITTER BIAS CIRCUIT)
วงจรสวนอนพต (Input Equation Base - Emitter) พจารณาวงจรอนพต จาก KVL :
EEBEBBCC RIVRIV ++= จาก
( ) BE IβI 1+= ------------- (4.10) ดงนน
( ) EBBEBBCC RIVRIV 1+++= β
( ) EB
BECCB RR
VVI1++
−=
β ------------- (4.11)
ตวตานทาน emitter ท ปรากฏในวงจรอนพต จะมคาเปน (β+1)RE หรอหมายความวาการพจารณาจากทางดานอนพตจะเหน RE มคาเปน (β+1) เทาของคาจรง ซ งทาใหวงจรภายนอกมองเหนคาความตานทานอนพตมคาโดยประมาณ ( ) Ei RR 1+= β ------------- (4.12) วงจรสวนเอาทพต (Output Equation Collector - Emitter) พจารณาวงจรเอาทพต เมอเพม RE แลวทาใหเกดการเปล ยนแปลงในวงจรเอาทพตดงน จาก KVL :
34
รปท 4.12 Collector –emitter loop.
พจารณา รปท 4.12 ใช KVL : CCCEEECC RIVRIV ++= เมอ CE II ≅ เพราะฉะนน ( )ECCCCCE RRIVV +−= ------------- (4.13) แรงดนท ขาตางๆของทรานซสเตอร สามารถคานวณไดจากสมการตอไปน EEE RIV = จาก ECCE VVV −= ECEC VVV += CCCCC RIVV −= และ BBCCB RIVV −= EBEB VVV += การปรบปรงเสถยรภาพของการไบอส (Bias Stability Improvement) การเพม emitter resistor เขากบวงจรจะทาให stability ของวงจรดขน เชน ระดบ DC bias currents และ voltages จะมเปล ยนไปไมมากเม ออณหภมภายนอก และคา β ของทรานซสเตอรมการเปลยนแปลง. ตวอยาง จากวงจรในรปท 4.13 และ 4.14 จะมแรงดนและกระแสไบอสของวงจรเปนอยางไร เมอคา β เปน 50 และ 100 .
35
รปท 4.13 (a) DC fixed Bias Circuit, and (b) with RE
วธทา ผลของการเปลยนแปลงคา β ของสองวงจรไดดงตารางท 4.1 :
The Circuit β IB(µA) IC(mA) VCE(V) 50 47.08 2.35 6.83 without RE 100 47.08 4.71 1.64 50 47.08 2.35 6.83 with RE 100 36.3 3.63 9.11
สาหรบวงจรไบอสทไมม RE เมอคา β มการเปล ยนแปลงดวยสาเหตใดกตาม จะทาใหคากระแสและแรงดน
ไบอส IC และ VCE เปลยนแปลงไปมากซงจากตวอยางเมอ β เปลยนไป 100% จะทาให IC มการเปลยนแปลงถง 100% และ VCE เปลยนไป 76% เมอเทยบกบ วงจรทม RE คากระแสไบอส IC มการเปลยนแปลงไป 81% ในขณะท VCE เปลยนไปเพยง 35%
สาเหตท มการเปล ยนแปลงคาแรงดน VCE ของวงจรทม RE ไมเปล ยนไปมากกเน องจากวา เม อ β มคาเพมขนคา IB จะลดลงเนองจากสมการ IB เก ยวของกบ β ในขณะทวงจรไมม RE คา IB ไมขนกบคา β ดงสมการ
( )B
BECCREwithoutB R
VVI −=
( ) ( ) BB
BECCREwithB RR
VVI1 ++
−=
β
และจากการท IC= IB กจะสงผลทาใหคากระแส ICของวงจรทม RE มคาเพมขนไมมากซงจะทาให VCE มคา
เปลยนแปลงไปไมมากดวย
36
สภาวะอมตว (Saturation State) สภาวะทรานซสเตอรอมตวหมายถงการททรานซสเตอรนากระแส หรอ ON อยางเตมท ซงในการออกแบบจะใหแรงดนคลอม VCE มคาเปน 0 หรอเปรยบเสมอนมการ short circuit ทขา collector และขา emitter โดยทคากระแส IC ท สภาวะอ มตวมคาเปน
EC
CCCsat RR
VI+
=
ซ งคา RE ท เพ มข นมาจะทาใหคากระแส collector saturation มคาต ากวาวงจรไบอสแบบคงท ซ งไมม RE การวเคราะหเสนโหลด (Load-Line Analysis) การวเคราะหเสนโหลดของวงจร emitter bias ไมแตกตางจากวงจร Fixed-bias ปกตมากนก ซงจะทาการหาจดตดแกนตงและแกนนอนท VCE= 0 V และ IC = 0 mA จากสมการวงจรเอาทพต (Collector-Emitter)
( )ECCCECC RRIVV ++= จดตดแกนต งของ V-I Plot ท VCE = 0
)( EC
CCC RR
VI+
=
และจดตดแกนนอนของ V-I Plot ท IC = 0 CCCE VV = วงจรแบงแรงดน (Voltage-Divider Bias Circuit) วงจรไบอสแบบแบงแรงดนคอวงจรไบอสแบบรกษาระดบท ขาอมตเตอร โดยเพ มตวตานทานคาคงท ตอรวมกบขาเบสเทยบกบกราวด เน องจาก IC และ VCEQ เปนฟงกชนของอตราขยายกระแส β และคา β มความไวตอการเปลยนอณหภม (temperature sensitive) ซ งจะทาให คา IC และ VCE ของวงจรมการเปล ยนแปลงไดตลอดเวลาตามอณหภม วงจรท มการไบอสแบบแบงแรงดนน จะทาใหคาของกระแสและแรงดนไบอสมผลกระทบนอยมากตอการเปลยนแปลงของคา β หรอ ไมข นกบคาอตราขยายกระแส (Independent of the transistor beta)
37
รปท 4.14 วงจรไบอสแบบแบงแรงดน (Voltage-Divider Bias Circuit)
(a) (b)
รปท 4.15 (a) Redrawing the input side of the network. (b) The Thevenin equivalent circuit.
วงจรอนพต (Input Circuit) สมการของวงจรจะวเคราะหคาออกมาในรปวงจรเทวนน โดยหาคาความตานทานเทวนน (RTH) และหาคาแรงดนเทวนน (VTH) จากวงจรสมมลออกมา นาไปหาคากระแส IB ของวงจร RTH คอความตานทานของ terminal เมอให Voltage Source ลดวงจร 21 RRRTH = ------------- (4.14) สวน VTH คอ แรงดนปรากฏท terminal
21
2
2
RR
VRVV
CC
RTH
+=
= ------------ (4.15)
ดงนนไดเปนวงจรสมมลดงรปท 4.15 ใช KVL : EEBETHBTH RIVRIV ++= จาก ( ) BE IβI 1+=
ดงนน ( ) ETH
BETHB RR
VVI1++
−=
β ------------- (4.16)
และ BC II β=
38
วงจรเอาทพต (Output Circuit) สมการของวงจรหาไดโดย KVL ท เอาทพต ไดสมการดงน : ( )ECCCCCE RRIVV +−= ------------- (4.17)
การหาคา VC ,VE และ VB กสามารถหาไดเชนเดยวกบใน วงจรเอาทพตของ วงจรแบบรกษาระดบท ขาอมตเตอรเพราะเปนวงจรทมสวนประกอบเหมอนกน วงจรไบอสแบบแรงดนปอนกลบ (DC BIAS WITH VOLTAGE FEEDBACK) วงจรไบอสแบบแรงดนปอนกลบ คอ การจดวงจรไบอสท ขาเบสใหม โดยใชตวตานทานคาคงท ตอครอมขาเบสกบขา collector มผลใหระดบแรงดนท ขาเบสสามารถเปล ยนแปลงคาไดตามคาระดบแรงดนท ขา collector เปรยบเสมอนกบเปนแรงดนปอนกลบจากเอาทพตมาอนพต วงจรทางานไดคงท ตออณหภม การปรบปรงใหมเสถยรภาพสามารถทาไดดงวงจรในรปท 4.16
(a) (b)
รปท 4.16 (a) DC bias circuit with voltage feedback. (b) Input loop. วงจรอนพต (Input Circuit) สมการของวงจรหาไดดวย KVL ท อนพตของทรานซสเตอร ไดสมการดงน : EEBEBBCCCC RIVRIRIV +++= แทนคา BC II β= และ CE II ≅ จะได EBBEBBCBCC RIVRIRIV ββ +++= หรอ ( ) BBECBBECC RIRRIVV +++= β ดงนน
( )( )ECB
BECCB RRR
VVI++
−=
β ------------- (4.17)
39
การปรบปรงเสถยรภาพของวงจร (Stability Improvement) วงจรน จะทาใหเสถยรภาพดข นน นคอ จะทาใหคา IC และ VCE ซ งเปนจดทางานของวงจรไมข นกบคา β พจารณา เพอความสะดวกในการพจารณาจากสมการ IB ของวงจรถาให V’ = VCC – VBE และ R’ = RC + RE
ดงนน ( )''
RRVI
BB β+
=
จาก BC II β=
( )''RR
VIB
C ββ+
=
จากสมการจะเหนไดวา ถา BRR >>'β จะทาให '' RR RB ββ ≅+ ดงนน
( )
''
''
''
RV
RV
RRVI
BC
=
≅+
=ββ
ββ
หรอ ( )BC
BECC RR
VVI+−
=
จากสมการจะเหนไดวากระแส IC ท จดทางานของวงจรไมข นอยกบคา β จงทาใหเสถยรภาพของวงจรดข น อยางไรกตามเง อนไขจะเปนจรงกตอเม อ BRR >>'β หรอ ( ) BCE RRR >>−β วงจรเอาทพต (Output Circuit) สมการของวงจรหาไดโดย KVL ท เอาทพต ไดสมการดงน :
CCCEEECC RIVRIV '++= เมอ CC II ≅' และ CE II ≅ จะได ( )ECCCECC RRIVV ++= เพราะฉะนน ( )ECCCCCE RRIVV +−= ------------- (4.18) 4. คาถามทายบท
1. จากวงจรในรปท 4.7 เมอ VCC = 12 V, RB = 180 kΩ , RC = 2.2 kΩ และ β = 50 จงคานวณหา
40
(a) IBQ และ ICQ (b) VCEQ (c) VB และ VC (d) VBC
2.จากวงจรในรปท 4.14 ม R1=39 kΩ R2=3.9 kΩ RC=10 kΩ และ RE=1.5 kΩ จงคานวณหาจดทางาน (Operating Point) ของวงจร เม อ VCC=22 Volt และ β =140
5. อางอง
[1] ยน ภวรวรรณ .รศ.,ทฤษฎและการใชงานอเลกทรอนกส เลม 2 กรงเทพ, หจก. นาอกษรการพมพ, 2531. [2] พนธศกด พฒมานตพงศ, ทฤษฎวงจรอเลกทรอนกส เลม 1 . กรงเทพ: ซเอดยเคช น, หจก. ฟสกสเซนเตอร, 2543 [3] สรชย สขสกลชย ,วศวกรรมอเลกทรอนกส, ภาควชาครศาสตรไฟฟา สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร.
41
บทท 5 FET
1. วตถประสงค
1. เพอศกษาคณลกษณะของ FET 2. บทนา
สาหรบสารก งตวนาท สามารถขยายสญญาณไดนอกจากไบโพลารจงช นทรานซสเตอรแลว ยงมทรานซสเตอรอกแบบหน งซ งเปนท นยมใชงานคอฟลดเอฟเฟคททรานซสเตอร (Field-effect transistor) หรอ (FET) ความแตกตางระหวางทรานซสเตอรท วไปกบเฟทตางกนท ทศทางการไหลของกระแสทรานซสเตอรธรรมดาเปนลกษณะของกระแสสองทศทางเปนกระแสท เกดจากการแลกประจไฟฟาระหวางบวกกบลบ หรอระหวางโฮลกบอเลกตรอน สวนเฟทเปนทรานซสเตอรทนากระแสแบบยนโพลารหรอการชารจกระแสทางเดยว
ฟลดเอฟเฟคทรานซสเตอร ไดมการแยกออกเปนสองชนดใหญๆคอ JFET และ MOSFET ในบทนจะกลาวถงเพยง JFET
3. เนอหา Field-effect transistor
ฟลดเอฟเฟคทรานซสเตอรทางานดวยหลกของการควบคมดวยแรงดนไฟ (Voltage-Control) โดยการอาศยคาแรงดนไฟระหวางขาเกต (Gate) ทาใหเกดการเปล ยนแปลงกระแสทางออก จงชนฟลดเอฟเฟคททรานซสเตอรหรอเจเฟท ควบคมกระแสทไหลผานชองเดนกระแส (Channel) ดวยคาการรเวรสจงชน
ขอดของ FET - มอนพตอมพแดนซทสงมาก โดยท FET อยในระดบ MΩ ถง > 1000 MΩ ในขณะท BJT อยใน
ระดบ kΩ - ไมมแรงดนออฟเซต (Offset Voltage) เมอทาหนาท เปนสวทช - คณสมบตหลกๆไมถกผลกระทบจากการรงสภายนอกมากนก ในขณะทคา beta ของ BJT ไดรบ
อทธพลจากรงสตางๆคอนขางมาก - มสญญาณรบกวนตามาก เมอเทยบกบ BJT เนองจาก carrier ไมไดไหลผาน Junction เหมอน BJT
จงเหมาะกบการนาไปใชในการขยายสญญาณขนาดเลกๆ - เสถยรภาพทางอณหภมท ดกวา BJT - มโครงสรางท เลกกวา BJT ทาใหการผลตเปนไอซสามารถบรรจ FET ไดจานวนมากในพนทเลกๆ
ขอเสยของ FET - มคา gain-bandwidth หรอการตอบสนองความถตา กวา BJT ซงทาใหการใชงานกบสญญาณใน
ดานความถสงไมด แตปจจบนไดมการผลตเปน FET ท สามารถใชงานความถ สงๆได
42
- เสยหายไดงานจากไฟฟาสถต จงกชนฟลดเอฟเฟคททรานซสเตอร (Junction Field-effect transistor) หรอ JFET แบงออกเปน 2 ชนดคอชนด
เอนแชนแนล (N-Channel) กบชนดพแชนแนล (P-Channel) มขาเพอการใชงาน 3 ขา โดยหากพจารณาจากโครงสรางของเจเฟทชนดเอนแชนแนล ตามรปท 5.1 ขาบนสดคอเดรน (Drain) หรอขา D ขาดานลางคอขาซอรส (Source) หรอขา S โดยถอวาขาท งสองตออยกบสารชนดเอนซ งกาหนดเปนชองทางเดนกระแสหรอ channel ในขณะทขากลางเปนขาเกต (Gate) หรอขา G ซงเปนการควบคมการไหลของกระแสสรางมาจากสารชนดพม 2 region ของเกตโอบลอมแชนแนลซ งเปนสารเอนเอาไวในขณะท เจเฟทพแชนแนลมโครงสรางคลายกน เพยงแตในสวนของเนอสารมความแตกตางกนเทานนเอง โดยเนอสารในสวนทเปนทางไหลของกระแสตรงทเรยกวาแชนแนลน นเปนสารชนดพสวนเกตเปนสารชนดเอน
รปท 5.1 แสดงโครงสรางเบ องตนของเจเฟท สญลกษณ เจเฟท มสญลกษณดงรป เสนหนาในแนวด ง แสดงถง แชนแนลของเจเฟท ขาซอรสและเดรนตอกบแชนแนลน ลกศรท ช เขาคอขาเกต การท ลกศรช เขา แสดงถง เจเฟทชนด n แชนแนล สญลกษณของเจเฟทชนด p แชนแนล สงเกตไดวาลกศรช ออก พาหะขางมากของเจเฟทชนดน คอโฮล แทนท จะเปนอเลคตรอนแบบใน n แชนแนล
รปท 5.2สญลกษณของเจเฟท
43
4. สรป ฟลดเอฟเฟกตทรานซสเตอร จะทางานโดยการใชแรงดนท อนพตควบคมการไหลของกระแสไฟฟาท เอาทพต คอ
เปนอปกรณทควบคมโดยแรงดน โดยอาศยคาแรงดนไฟระหวางขาเกต (Gate) ทาใหเกดการเปล ยนแปลงกระแสทางออก จงชนฟลดเอฟเฟคททรานซสเตอรหรอเจเฟท ควบคมกระแสท ไหลผานชองเดนกระแส (Channel) ดวยคาการรเวรสจงชน
จงกชนฟลดเอฟเฟคททรานซสเตอร (Junction Field-effect transistor) หรอ JFET แบงออกเปน 2 ชนดคอ N-Channel และ P-Channel มขาเพ อการใชงาน 3 ขา คอ ขาเดรน (Drain) หรอขา D ขาซอรส (Source) หรอขา S และขาเกต (Gate) หรอขา G ซงเปนการควบคมการไหลของกระแสสรางมาจากสารชนดพม 2 region ของเกตโอบลอมแชนแนลซ งเปนสารเอนเอาไวในขณะท เจเฟทพแชนแนลมโครงสรางคลายกน เพยงแตในสวนของเน อสารมความแตกตางกนเทาน นเอง โดยเน อสารในสวนท เปนทางไหลของกระแสตรงท เรยกวาแชนแนลน นเปนสารชนดพสวนเกตเปนสารชนดเอน 5. คาถามทายบท
1. จงบอกหลกการทางานของ FET 6. อางอง
[1] เจน สงสมพนธ, “วงจรอเลกทรอนกส”, สถาบนอเลกทรอนกสกรงเทพรงสต หนา 281-295 [2] “การคานวณวงจรทรานซสเตอร”, หจก.สานกพมพฟสกสเซนเตอร หนา 222-247
44
บทท 6 FET BIASING
1. วตถประสงค 1. เพ อศกษาถงคณสมบตและการไบอสของ FET
2. บทนา
ในท น จะกลาวถงเจเฟท n แชนแนลเทาน น สวน p แชนแนลกไบอสเหมอนกนเพยงแตกลบข วไฟท ใชเทาน น การไบอสเจเฟทชนด n แชนแนล ตองใหไฟลบกบเกตเม อเทยบกบซอรส การไบอสในลกษณะน เปนการไบอสกลบ โดยจายแรงดนไฟ DDV เปนแรงดนของแหลงจายและเปนแหลงกาเนดของการผลกดนใหกระแสไหลจายเขาระหวางขาเดรนกนซอรส แลวจายแรงดนไฟ GGV เขาไปรเวรสระหวางเกตกบซอรส
3. เนอหา
กระแสในเจเฟทแบบเอนแชนแนล เกดจากการเคล อนท ของอเลกตรอนอสระจากซอสไปเดรนซ งจะตองผานแชนแนลระหวางเขตปลอดพาหะท งสอง แชนแนลน สามารถควบคมใหกวางหรอแคบกไดตามการไบอสท ขาเกต แรงดนท เกตย งเปนลบมาก แชนแนลจะย งแคบมาก กระแสจากซอสไปเดรนจะไหลนอยลงและในทางกลบกนถาแรงดนทเกตเปนลบนอยลงกระแสจากซอสไปเดรนจะมคามากขนหรอนอยลง เปนผลมาจากสนามไฟฟาทบรเวณเขตปลอดพาหะ ดวยเหตน ทรานซสเตอรชนดน จงมช อเรยกวา field effect transistor (FET)
รปท 6.1 การไบอสเจเฟทแบบธรรมดา คณสมบตและคาพารามเตอร
แรงดนพนชออฟ (pinch off voltage) ถาใหแรงดนท เกตเปน 0 โวลท ซ งเหมอนกบมการลดวงจรระหวางขาซอรสและขาเกต (แรงดนทซอรส = 0
แรงดนทเกต = 0) กราฟในรปท 6.2 จะแสดงถงลกษณะของอปกรณในกรณน กราฟในชวงระหวาง pV และ (max)DSV จะคอนขางคงท และกระแสเดรนจะเพ มข นอยางรวดเรวในชวงอ มตว ลกษณะน เกดข นเม อแรงดนท เดรนม
คาสงเกนไป เจเฟทจะเบรกดาวนตามท แสดงในกราฟ
45
แรงดนพนชออฟ คอ แรงดนในชวงท เลยจด PV ข นมาท จดน แชนแนลเกอบจะปดสนทดงน นแรงดนทขาเดรนทเพ มข นมาแทบจะไมทาใหกระแสเดรนเพ มเลย
รปท 6.2 เสนโคงกระแสเดรนเม อลดวงจรเกต จดหยดนากระแส-คทออฟ
ท GSV มคาเปนศนยจะทาใหกระแสเทากบ DSSI มคามากสดเม อเพ มแรงดนเกตจะทาใหกระแสไหลลดลงจนเทากบศนย เน องจาก GSV เปนลบมากขนในเอนแชนแนล การหยดนากระแสเรยกวาเกดภาวะคทออฟ (Cutoff) การถายโอนสญญาณ
เมอคา GSV มคาการปลยนแปลงจาก 0 ถงคา )(offGSV ของเอนแชนแนลเปนคาแรงดนไฟลบ และของพแชนแนลเปนคาแรงดนไฟบวก การถายโอนเม อมการเปล ยนแรงดนไฟดงกลาวจะเปนไปเสมอนกราฟการทางานของหลอดสญญากาศ ดงปรากฏกราฟแสดงการถายโอนในรปท ท กราฟออกมาเปนเสนโคงเชนน นออกมาจากผลการทดลองตามรปท
รปท 6.3 คณสมบตการถายโอนของเจเฟทชนดเอนแชนแนล
46
รปท 6.4 ผลการถายโอน ในรปแบบของกราฟคณสมบต
จากกราฟทมรปแบบเหมอนกบโคงพาราโบลคสามารถหาคาออกมาไดเปนสตร 2
)(
1
−=
offGS
GSDSSD V
VII ------------------------- (6.1)
คาความตานทานอนพต
เจเฟททางานดวยการรเวรสจงช นระหวางเกต-ซอรส ความตานทานอนพตจงมคาสงมาก สามารถหาไดจาก
GSS
GSIN I
VR = ------------------------- (6.2)
ความตานทานเอาทพต
เปนคาความตานทานระหวางเดรนกบซอรส เน องจากคากระแสของเดรนท จดพนชออฟมคาคงท แมคาแรงดนเดรน-ซอรสจะเพ มมากข น ดงน นหากตองการทราบวาของความตานทานเดรน-ซอรสของเจเฟท หาไดจากอตราสวนของการเปลยนแปลง
D
DSds I
Vr∆
∆= ------------------------- (6.3)
การไบอสเจเฟท
ท นยมมสองแบบคอ เซลฟไบอส (Self-bias) กบ โวลเตจดไวเดอรไบอส (Voltage-divider bias)
47
เซลฟไบอส (Self-bias) เม อจดวงจรใหขาเกตม GR ตอลงกราวด หากพจารณาแรงดนท เกตจะไดแรงดนเทากบ 0 โวลต แตหาก
พจารณาจากกระแสลคเกจ (Leakage) จะพบวามคาแรงดนไฟตกครอม GR อยจานวนหน ง หรอเม อพจารณาวาเจเฟทสามารถนากระแสได ยอมเกดคาแรงดนไฟตกครอม SR เม อเอาแรงดนไฟตกครอมดงกลาวมาเทยบกบเกตจะเกดการเทยบศกยเปนแรงดนไบอสทนท อยางเชน เปนเจเฟทชนดเอนแชนแนล เกดคาแรงดนไฟตกครอม SRดานบน เปนบวกดานลางเปนลบ เม อเอาเกตมาเทยบศกยกบซอรสแลวยอมเหนไดวาเม อกระแสเดรนเปนกระแสคามาก แรงดนไฟท ขาซอรสเทยบกราวดจงมคาบวกมากกวาเกต เกตจงมศกยลบในขณะท ซอรสมศกยบวก
สาหรบเจเฟทชนดเอนแชนแนล กระแสเดรน ( DI ) ยอมเปนกระแสท ทาใหเกดแรงดนไฟตกครอม SR เปนศกยบวกเม อเทยบกราวด เม อคา 0=GV และ SDS RIV = จงหาแรงดนเกต-ซอรสออกมาไดดงน
SDSGGS RIVVV −=−= 0 ดงนน SDGS RIV −= ------------------------- (6.4) การตงจด Q สาหรบเซลฟไบอส
หลกการเบ องตนของการจดไบอส ในกรณท ตองการต งจดทางาน (Bias Point) ซ งจดดงกลาวตองมาจากความสมพนธของคา ID กบ VGS หากจะคานวณจากคา RS สามารถใชสมการ 6.4 มา อางองไดคอ
RS = D
GS
IV ------------------------- (6.5)
จดมดพอยน
เชนเดยวกบไบโพลารทรานซสเตอร เพอใหการทางานในวงจรขยายมคาผดเพยนนอยทสดหากกาหนดการทางานใหไบโพลารทางานทจดกงกลางเสนโหลดไลนได ยอมแกปญหา ไดระดบหนงในสวนของเจเฟทกเชนเดยวกน
หากตองการลดความผดเพยน ตองออกแบบใหคากระแส 2DSS
DI
I = จดดงกลาวเรยกวามดพอยน (Midpoint
Bias) โวลเตจดไวเดอรไบอส (Voltage-divider bias)
ไบอสทใหเสถยรภาพทดคอการจดไบอสแบบโวลเตจดไวเดอรไบอส หากเปนเจเฟทแบบพแชนแชลสามารถจดวงจรไบอสไดดงรปท โดยมรซสเตอร 1R และ 2R ทาหนาทเปนตวดไวเดอร เมอจดไบอสอยางน สามารถทาใหเกดการไหลของกระแสเดรนขน ผลตรงนยอมทาใหเกดแรงดนซอรสขนโดยแรงดนซอรสนสามารถหาไดจากสตร
SDS RIV = แรงดนทเกตสามารถตงไบอสดวยรซสเตอรทงสองตวโดยสตรตอไปน
DDG VRR
RV
+
=21
2 ------------------------- (6.6)
48
แรงดนเกต-ซอรสหาไดจาก SGGS VVV −=
และแรงดนซอรสคอ GSGS VVV −=
ดงนนกระแสเดรนหาไดจาก
S
GSG
S
SD R
VVRVI )( −
== ------------------------- (6.7)
4. สรป
การไบอสเจเฟทชนด n แชนแนลนน จะตองใหไฟลบกบเกตเมอเทยบกบซอรส โดยจายแรงดนไฟ DDV ใหกระแสไหลจายเขาระหวางขาเดรนกบซอรส แลวจายแรงดนไฟ GGV เขาไปรเวรสระหวางเกตกบซอรส
กระแสในเจเฟทแบบเอนแชนแนล เกดจากการเคลอนทของอเลกตรอนอสระจากซอสไปเดรนซงจะตองผานแชนแนลระหวางเขตปลอดพาหะทงสอง โดยสามารถควบคมแชนแนลใหกวางหรอแคบไดตามการไบอสทขาเกต แรงดนทเกตยงเปนลบมาก แชนแนลจะยงแคบมาก ทาใหกระแสจากซอสไปเดรนจะไหลนอยลง เปนผลมาจากสนามไฟฟาทบรเวณเขตปลอด การไบอสทนยมมสองแบบคอ เซลฟไบอส (Self-bias) กบ โวลเตจดไวเดอรไบอส (Voltage-divider bias) 5. คาถามทายบท
1. จงบอกหลกการในการไบอส JFET 6. อางอง
[1] เจน สงสมพนธ, “วงจรอเลกทรอนกส”, สถาบนอเลกทรอนกสกรงเทพรงสต หนา 281-295 [2] “การคานวณวงจรทรานซสเตอร”, หจก.สานกพมพฟสกสเซนเตอร หนา 222-247
49
บทท 7 BJT Transistor Modeling
1 วตถประสงค
1. เพอวเคราะหการทางานของทรานซสเตอรในวงจรขยายโดยการใช แบบจาลอง (Model) ได 2. บทนา
การใชงานของทรานซสเตอรในวงจรขยาย สามารถวเคราะหวงจรไดโดยการใช แบบจาลอง (Model) ซ งจะแทนท การทางานของวงจรตอสญญาณ ac sinewave อยางไรกตามการวเคราะหสญญาณโดยใช model จาลองการทางานของวงจรในบทน วเคราะหสญญาณขนาดเลก (small signal) ของวงจรทรานซสเตอร ซ งแยกออกเปน 2 แบบ คอ re model และ hybrid equivalent model 3. เนอหา แบบจาลองของทรานซสเตอร (TRANSISTOR MODEL) แบบจาลอง (Model) หมายถงการนาองคประกอบตางๆ ท แทนท อปกรณสารก งตวนามาประกอบรวมกนแทนวงจรจรง ซ งองคประกอบท นามาใชจะแทนอปกรณจรงน จะเปนคาเชงประมาณ (Approximate) ทมลกษณะสมบตท ใกลเคยงอปกรณจรงภายใตเง อนไขการทางานท กาหนด
ในการวเคราะหสญญาณ ac นนวงจรสามารถตดสญญาณ DC ออกไดท งหมดซ งเปนหลกของทฤษฎ superposition โดยมองวาระบบประกอบดวย source ทเปน DC คอแหลงจายการ bias ของวงจรทงหลาย และ source ทเปน ac คอ อนพตของวงจร
รปท 7.1 (a) Transistor circuit, (b) Removing the DC supply and inserting the short-circuit equivalent for the capacitor
เมอมการพจารณาเฉพาะสญญาณ ac กจะทาการตด source อนออกหมด ในรปท 7.1(a) เปนวงจรทสมบรณของวงจรแบบขยาย Fixed Bias with RE ทมการใชวงจรแบงแรงดน เมอพจารณาเฉพาะ ac จะทาให DC
VO
+ _ VS
RS
C1 R1
C2 RC
+ _
C3 RE + _ Vi
B
C
ER2
(a)
+ _ VS
RS
R1 RC
+ _
+ _ Vi
B
C
EVO
R2
(b)
50
source ถก shot ลงกราวดหมดดงรปท 7.1(b) นอกจากนตว capacitor ทงหมดทตอวงจรดงรป ในทางปฏบตแลวจะมไวเพอกนสญญาณ DC โดยจะเลอกขนาดทใหสญญาณ ac ทความถใชงานไหลผานไดดทสด ซงกหมายความวาจะเปรยบเทยบเสมอน short circuit เมอพจารณาดาน ac ดงในรปท 7.1(b) จากวงจร ac ในรปท 7.1 (b) ดงกลาว สามารถเขยนไดใหมเปนวงจรดงรปท 7.2
รปท 7.2 Equivalent Circuit for small-signal ac analysis.
พารามเตอรทสาคญ (THE IMPORTANT PARAMETERS: Zi, Zo, Av, Ai) พารามเตอรทสาคญของวงจร Two-port เมอทาการวเคราะหวงจรดาน ac คอ อนพตอมพแดนซ (Input Impedance, Zi), เอาทพตอมพแดนซ (Output Impedance, Zo), อตราขยายแรงดน (Voltage Gain, Av) และ อตราขยายกระแส (Current Gain, Ai)
วงจร Two-port หมายถง วงจรทมค terminal 2 ค ดง Block Diagram ในรปท 7.3 ซงอนพตจะอยทางดานซายของ Block Diagram ในขณะทเอาทพตจะมโหลดของวงจรมาตอเมอนามาใชงาน
รปท 7.3 แสดงวงจร Two-port อนพตอมพแดนซ (Input Impedance, Zi) พจารณา input side ของ block diagram ในรปท 7.3 คาของ input impedance (Zi) สามารถหาไดโดยใช Ohm’s law คอ :
i
ii I
VZ = ---------- (7.1)
สมการคา อนพตอมพแดนซของวงจรน เปนสมการหลกทใชในการคานวณหาคา Zi เนองจากเราไมสามารถใช Ohm meter วดคาความตานทานนได เพราะ Ohm meter จะใชวดความตานทานใน DC mode วธการทจะหาคา Zi กคอการวดแรงดน Vi และ กระแส Ii แลวนามาคานวณตามสมการขางบน
+ _ VS
RS + + _
_ Vi
B
E
C
Vi
I Transistor
small-signal ac equivalent circuit
Zi R1||R Z0 RC
+
_ VS
Io
Io I +
_ Vi
Two-port Network
+ _ Vo
Zo Zi
51
อยางไรกตาม การวดแรงดนท เปน ac เปนเร องปกตธรรมดาซ งสามารถทาไดงายโดยใช Oscilloscope หรอ Digital Voltmeter แตการวดกระแส ac เปนเรองยาก ดงน นในทางปฏบตจงนยมใชการวดแรงดนครอมตวตานทานท รคาแนนอน แลวมาคานวณหาคากระแสทหลง รปท 7.4 การหาคา Zi (a) โดยการวดแรงดนครอมตวตานทานแทนการวดกระแส (b) การปรบความตานทาน RD จน Vi = 1/2VS จากรปท 7.4 (a) โดยการเพมตวตานทาน RD เขาไปในวงจรซงจะทาใหไดคากระแสไหลท อนพตคอ
D
iSi R
VVI −=
และ
i
ii I
VZ =
ในบางครงจะใช RD เปนตวตานทานปรบคาได แลวทาการวดเฉพาะแรงดน Vi โดยทจะทาการปรบความ
ตานทานจนได Vi เปนครงหนงของ Vs กจะทาใหไดวาคาความตานทาน RD ในขณะนนจะเทากบความตานทานอนพตของวงจร ดงรปท 7.5 (b) ทงนเนองจากวาเมอ RD เทากบความตานทานอนพตจะทาให Vi มคาเปนครงหนงของ Vs นนเอง เอาทพตอมพแดนซ (Output Impedance, Zo) คาเอาทพตอมพแดนซ (output impedance) เปนคาความตานทานทมองกลบเขาไปในระบบในดานเอาทพต ในขณะทใหแรงดนอนพตเปนศนย และเชนเดยวกบอนพตอมพแดนซ เราไมสามารถใช Ohm meter วดคาความตานทานนได ดงนนการหาคาเอาทพตอมพแดนซจะใหการคานวณจาก Zo = Vo/ Io ซงจะใชการคานวณคากระแสจากแรงดนครอมตวตานทานททราบคา RD ดงรปท 7.5
D
oLo R
VVI −=
และ o
oo I
VZ = ----------(7.2)
I
+
_ VS
Two-port System Zi
+ _ RD
VRD
+
_ Vi
(a)
+
_ VS
Two-port System Zi
RD +
_ Vi
(b)
52
หรอใชความตานทาน RD ท ปรบคาได โดยปรบจน Vo เทากบครงหนงของ VL คาความตานทาน RD ท ไดจะเทากบ Zo
รปท 7.5 Determining Zo อตราขยายแรงดน (Voltage Gain, AV) อตราขยายแรงดนหมายถง อตราสวนแรงดนเอาทพตตอแรงดนอนพต ซ งเปนการบอกใหรวาวงจรจะสามารถขยายแรงดนไดเปนก เทา ในกรณ no-load จะไดวาอตราขยายแรงดนมคาเปน
i
oV V
VA = ----------(7.3)
ซ งเม อโหลดเขามาตอจะทาใหแรงดนท เอาทพตมคาตกลงไป สงผลใหอตราขยายลดลง แรงดนอนพตจะตกลงมากหรอนอยขนอยกบขนาดของความตานทานโหลด (RL) ท นามาตอและ Zo (หรอ Ro) ซ ง RL/RO ทมคานอยจะทาใหแรงดนตกลงมากกวา RL/RO ทมคามาก นอกจากนการมคา RSOURCE (ความตานทานภายในของแหลงจายแรงดนอนพต) สงๆ กจะทาใหอตราขยายตกลงไดเชนเดยวกน อตราขยายกระแส (Current Gain, Ai) พารามเตอรอยางสดทายของวงจร two-port คอ current gain ซ งเปนส งท บอกใหรวาวงจรสามารถขยายกระแสไดมากนอยเทาไร โดยท
i
oi I
IA = ----------(7.4)
โดยท Ii คอกระแสท ไหลจากตนกาเนดสญญาณ ไปยงอนพตของวงจรและ Io หมายถง กระแสทไหลผานความตานทานโหลด (RL) ของวงจร
รปท 7.6 Determining the loaded current gain.
VS = 0 V
Two-port System
RSource +
_
VL +
_
VO ZO
IO
Av = Vo/Vi
Ai = Io / Ii RL
+ _ Vo
+
_ Vi Zi
Ii Io
53
เราสามารถหาความสมพนธระหวาง Ai และ Vi ได
จาก L
oo R
VI −=
i
io Z
VI −=
Li
io
ii
Lo
i
ii RV
ZVZVRV
IIA −=−==
//
หรอ L
iVi R
ZAA −=
ซงจากสมการดงกลาวจะทาใหเราสามารถหาคาอตราขยายแรงดนจากอตราขยายกระแสหรอกลบกนได โดยใชคาอมพแดนซเขามาชวยในการคานวณ แบบจาลองอารอ (re Model) แบบจาลอง re เปนแบบจาลองทแทนททรานซสเตอรดวยอปกรณทควบคมไดดวยกระแสไฟฟา หรอแหลงจายกระแสทควบคมระดบกระแสไดดวยกระแสไฟฟาอกชดหนง (Dependence Current Source) ซงเปนไปตามคณสมบตของทรานซสเตอร รปลกษณของเบสรวม (Common Base Configuration) วงจรในรปท 7.7 (a) เปนวงจรทมรปลกษณแบบเบสรวมเนองจากขาเบส B ของทรานซสเตอรเชอมตอรวมกนทงสวนอนพตและเอาทพต วงจรนสามารถเขยนเปนวงจรเปรยบเทยบไดดงรปท 7.7 (b) ซงจะไดวา อนพตของวงจรเปนการ forward-bias ของ p-n junction จงมลกษณะเหมอนการ forward-bias ของ diode โดยทวไป
รปท 7.7 Common-base BJT transistor (b) re model. พจารณาในดานเอาทพตของวงจรกระแส Ic ทไหลนนจะมคาขนอยกบ กระแส IE ดงนนเราสามารถแทนใน
สวนเอาทพตไดดวยอปกรณแหลงจายกระแสไฟฟา ทใหคากระแสออกขนกบกระแสอกสวนหนง โดยสมพนธกบ IC = αIE ----------(7.5)
จากทฤษฎของไดโอด เราพบวาคาความตานทานของไดโอดแบบ ac นนจะมคาแปรผนกบกระแสทไหลผานไดโอดดงสมการ
IE IC
E
B B
C
(a)
Ie IC e
b b
c IC =αIe
(b)
54
Ee I
mVr 26= ----------(7.6)
ดงนนเราสามารถแทนวงจรดงรปท 7.7 (b) ไดดวยวงจรในรปท 7.8 ซงเรยกวาวงจรสมมลแบบอารอ (re equivalent circuit)
รปท 7.8 Common-base re equivalent circuit อนพตอมพแดนซ (Input Impedance) จากความตานทาน ac ของไดโอดเทากบ re ดงน น Zi = re ----------(7.7)
จะเหนไดวาการตอวงจรแบบเบสรวมจะทาใหไดระดบอนพตอมพแดนซท ต ามากเน องจากคา re ของทรานซสเตอรมคาคอนขางต า คอเปนระดบโอหมเทาน น เอาทพตอมพแดนซ (output Impedance) การหาคาเอาทพตอมพแดนซโดยการใหสญญาณอนพตเปน 0 ซ งหมายถงกระแสอนพต Ie =0 A จากการท Ic = αIe = α (0) = 0 A ซงหมายถงเอาทพต Open Circuit หรอ Zo ≅ ∞Ω ----------(7.8) ซ งจะเหนไดวาคาเอาทพตอมพแดนซมคาสงมาก อตราขยายแรงดน (The Voltage gain) จากอตราขยายแรงดนเทากบอตราสวนแรงดนเอาทพตตอแรงดนอนพต
Vo = -IoRL = -(-Ic)RL = IeRL = αIeRL และ Vi = IeZi = IeRe
ดงนน ee
Le
i
oV rI
RIVVA α
==
หรอ e
LV R
RA α=
เมอ α มคาใกลเคยง 1 ดงน น
e
LV R
RA ≅ ; เมอ α ≅ 1 ----------(7.9)
อตราขยายแรงดนของวงจรเบสรวมกจะมคาสงมาก
IO Ic =αIE
IE Ii
re VO
IC
Zi +
_
+ ZO
Vi _
55
อตราขยายกระแส (The Current gain) อตราขยายกระแสคออตราสวนของกระแสเอาทพตตอกระแสอนพต
e
e
e
c
i
oi I
III
IIA α−=−==
ดงนน 1−≅−= αiA ----------(7.10)
คาอตราขยายของวงจรมคาประมาณ 1 และคาทเปนลบหมายความวากระแสเอาทพตท ไหลสวนทศกบการกาหนดในวงจร จากคาการใชแบบจาลอง re หาคาพารามเตอรตางๆ ของวงจรเบสรวมจะเหนไดวาการพจารณาคาตางๆ งายตอความเขาใจ อยางไรกตามเงอนไขตางๆ เปนคาโดยประมาณเทานน ในทางปฏบตผลท ไดจากการใชงานจรงอาจมความแตกตางจากแบบจาลองได สาหรบวงจรแบบเบสรวมจะมระดบอนพตอมพแดนซและอตราขยายกระแสตา เอาทพตอมพแดนซและอตราขยายแรงดนสง รปลกษณแบบอมเตอรรวม (Common Emitter Configuration) การใชแบบจาลอง re เพ อวเคราะห วงจรแบบอมเตอรรวม (CE) สามารถใชหลกการเดยวกบ วงจรแบบเบสรวม (CB) วงจรจะประกอบดวยสวนอนพตซงเปนการ forward-bias ขา B และ E สามารถแทนท ไดดวยไดโอด และเอาทพตของวงจรจะเปนแหลงจายกระแสทแปรตามกระแสอนพต โดยท Ic = βIb
IE = (β+1)Ib IE ≅ βIb ----------(7.11) ใชคาโดยประมาณ อนพตอมพแดนซ (The input Impedance, Zi) คา Zi ของวงจรจะมองเขาไปทางดานอนพตของวงจรซ ง
b
be
i
ii I
VIVZ ==
จาก eebei rIVV == ebrIβ≅
ดงนน b
eb
b
bei I
rII
VZ β≅=
นนคอ ei rZ β≅ ----------(7.12) จากสมการจะเหนไดวาคาความตานทานอนพตของวงจรจะมคาสงมาก ซ งถงแมวา re จะมคาไมสงมากนกแตเม อคณกบคา β แลวคาจะเพ มข นมาก เชน ทรานซสเตอรมคา β เทากบ 200 และมคา re เทากบ 5.5 Ω จะทาใหมคาอนพตอมพแดนซเทากบ
56
Zi = 200x5.5Ω= 1.1 kΩ ดงนนวงจรขยายแบบอมเตอรรวมจะมคาอนพตอมพแดนซทสงมาก ทาใหไมเปนภาระของแหลงจายสญาณอนพต เอาทพตอมพแดนซ
การหาเอาทพตอมพแดนซจะมคาเทากบ ro ของทรานซสเตอรซ งพจารณาจาก กราฟ VCE และ IC เมอ Ib เทากบ 0 โดยท
Zo = ro ----------(7.13) อยางไรกตามคา ro ของทรานซสเตอรคอนขางสง ซ งโดยปกตแลวจะมคาอยประมาณ 40 kΩ – 50 kΩ ซ ง
สามารถถอเปนอนนต ไดในการคานวณ ในทางปฏบตคา ro ของทรานซสเตอรจะสามารถทราบไดจาก datasheet ทไดจากโรงงานผผลต อตราขยายแรงดน (Voltage gain) จากแรงดนเอาทพตเทากบ LcLoo RIRIV −=−= LbRIβ−= iii ZIV = ebi rIV β=
ดงนน
i
oV V
VA =
eb
Lb
rIRI
ββ
−=
นนคอ e
LV r
RA = ----------(7.14)
จะเหนไดวาอตราขยายแรงดนของวงจรมคาสงถา RL มคาสงมาก ซงเครองหมาย – ในสมการหมายถงการ
ทสญญาณอนพตจะกลบเฟสกบสญญาณเอาทพต อตราขยายกระแส (Current gain) จากอตราขยายเทากบ
b
C
i
oi I
IIIZ ==
b
b
IIβ
=
และ β=iA ----------(7.15)
57
จะเหนไดวาอตราขยายกระแสของวงจรมคาสงมาก ดงน นวงจรอมเตอรรวมสามารถสรปไดวาเปนวงจรท ม อนพตอมพแดนซ ,Zi อยในระดบกลางๆ คอนขางสง ในขณะท คาเอาทพตอมพแดนซ ,Zo ระดบอตราขยายแรงดน,Av และระดบอตราขยายกระแส Ai มคาสง แบบจาลองไฮบรด (HYBRID MODEL) การใชแบบจาลองไฮบลดเปนการพจารณาวงจร two-port ทม port เปนสวนอนพตหนง port และเอาทพตอกหนง port ดงรปท 7.9 ซ งเปนพ นฐานของวงจรอเลกทรอนคสโดยทวไป
รปท 7.9 Two-port system
จากวงจร two-port ดงกลาวมขอมลตวแปรทเกยวของอย 4 คาคอ Ii, Vi, Io และ Vo ซงจากขอมลดงกลาวสามารถสรางความสมพนธทางคณตศาสตรไดมากมายหลายรปแบบ ในการวเคราะหแบบไฮบลด จะกาหนดเปน 2 สมการท ใชแทนความสมพนธตามวงจรดงกลาวโดยมคาพารามเตอร h เขามาประกอบดงน Vi = h11Ii + h12Vo ----------(a) Io = h21Ii + h22Vo ----------(b)
พารามเตอรท ใชสมการดงกลาวเรยกวา h-parameter ซงคา h มาจากคาวา hybrid ซ งแปรวาการผสม ในท น หมายถงในสมการมการผสมกนของตวแปร คอ V และ I การคานวณหาคาพารามเตอรของแตละสมการจะใชการกาหนดเง อนไขใหตวแปรบางตวเปนศนยดงน การหาคาพารามเตอร h11 เมอให Vo = 0 (short circuit ท output terminal) จากสมการ (a) จะไดเปน
i
i
IVh =11 ; เมอ Vo = 0 V ----------(7.16)
จากสมการจะเหนไดวาพารามเตอร h11 เปนคาของอนพตอมพแดนซ เนองจากเปนอตราสวนของแรงดนอนพตและกระแสอนพต เมอเอาทพต short circuit ดงน นจงเรยกพารามเตอรน วา short-circuit input-impedance parameter
Ii IO
1
1’
2 + Vo _
+ Vi _
2’
58
การหาคาพารามเตอร h12 เมอให Ii =0 (opening circuit ท input) จากสมการ (a) จะไดเปน
o
i
VVh =12 ; เมอ Io = 0 uniless ----------(7.17)
คาของพารามเตอร h12 ท ไดจะเปนอตราสวนของแรงดนอนพตตอแรงดนเอาทพตเม อ กระแสอนพตเปนซ งเรยกพารามเตอรน วา open-circuit reverse transfer voltage ratio parameter การหาคาพารามเตอร h21 เมอให Vo= 0 (short circuit ท output terminals) จากสมการ (b) จะไดเปน
i
o
IIh =21 ; เมอ Vo = 0 uniless ----------(7.18)
คาของพารามเตอร h21 ท ไดจะเปนอตราสวนของกระแสเอาพตตอกระแสอนพตเม อ แรงดนเอาทพตเปน 0 ซ งเรยกพารามเตอรน วา short-circuit forward transfer voltage ratio parameter การหาคาพารามเตอร h22 เมอให Io= 0 (open circuit ท input terminals) จากสมการ (b) จะไดเปน
o
o
VIh =22 ; เมอ Io = 0 siemems(S) ----------(7.19)
คาของพารามเตอร h22 ท ไดจะเปนอตราสวนของกระแสเอาทพตตอแรงดนอนพต เม อ กระแสอนพตเปน 0 ซ งเรยกพารามเตอรน วา open-circuit output admittance parameter จากคณสมบตของคาพารามเตอรตาง ๆ ทาใหสามารถไดออกมาเปนวงจรสมมลดงรปท 7.10 ซ งเน องจาก h11 มหนวยเปน Ω จงแทนท ดวยตวตานทานของอนพตในขณะท h12 เปนอตราสวนระหวางแรงดนอนพตตอเอาทพต ดงน นจงแทนท ดวยแหลงจายแรงดนท แปรตาม Vo ซงหมายถงแรงดนปอนกลบ, สาหรบ h21 เปนอตราขยายกระแสจงแทนดวยแหลงจายกระแสเอาทพตท แปรตามกระแสอนพต และ h22 เปนคา admittance ของเอาทพต
รปท 7.10 (a) Hybrid input equivalent circuit (b) output equivalent circuit. จากคณสมบตของ h-parameter สามารถเขยนใหมไดตามคณสมบต คอ
11hhi = (input resistance) 12hhr = (reverse transfer voltage ratio)
IO Ii
h12Vo VO +
_
+ Vi _
h22 h21Ii
h11
(a) (b)
59
21hh f = (forward transfer current ratio) 22hho = (output conductance)
รปท 7.11 Complete hybrid equivalent circuit.
วงจรสมมลของ two-port network และพารามเตอรตางๆ ท กลาวเปนพารามเตอรท ใชแทนท วงจรเชงเสน
(Linear Circuit) ทไมมแหลงจายกาลงอสระ (Independent Source) ภายใน ดงน นเราสามารถใชวงจร two-port ใดๆ ไดดวย model น
คาของ h-parameter ตางๆ ของวงจรขยายสญญาณขนาดเลก (small-signal) ของทรานซสเตอร สามารถไดมาจากการวเคราะหจากลกษณะสมบต (Characteristic) ท จดทางานท กาหนด ในทางปฏบตแลวการหาคาดงกลาวจะใช partial derivative (calculus) ในจดทางาน เชน คา h-parameter ของวงจรแบบอมเตอรรวม สามารถคานวณไดจากสมการตอไปน hie = ∂vi/∂ii = ∂vhe/∂ib ≅ ∆vhe/∆ib ;VCE constant hie = ∂vi/∂io = ∂vhe/∂ice ≅ ∆vhe/∆vce ;IB constant hie = ∂io/∂ii = ∂vc/∂ib ≅ ∆vc/∆ib ;VCE constant hie = ∂io/∂vo = ∂ic/∂vve ≅ ∆io/∆vce ;IBconstant
ในทางปฏบตคาพารามเตอรเหลาน ท สาคญ จะถกกาหนดมาใน datasheet จากโรงงานผผลตทรานซสเตอร ซ งคา h-parameter เหลาน มประโยชนในการคานวณ พารามเตอรท สาคญของวงจรเชน Zi, Zo, Ai, และ Av
IO Ii
hfVo VO +
_
+ Vi _
ho hfIi
hi
(a) (b)
60
การเปรยบเทยบแบบจาลองไฮบรดและอารอ พารามเตอรตางๆ ของ Hybrid Model และ re model สามารถเปรยบเทยบและแปลงคากนได วงจรในรปท
7.12 เปนการเปรยบเทยบการแปลงคาพารมเตอรแบบจาลอง h-parameter และ re ของวงจร แบบอมเตอรรวมในรปท 7.12 (a) และเบสรวม ในรปท 7.12 (b)
รปท 7.12 Hybrid versus re model: (a) common-emitter configuration: (b) common-base configuration ความสมพนธของ พารามเตอรตางๆ เปนไดดงสมการ : hie = βre hfe = βac ----------(7.20) hib = re hfb = - α ≅ -1
คาพารามเตอรดงกลาวของวงจรทรานซสเตอร สามารถเปลยนแปลงไดจากผลกระทบของ อณหภม ความถ แรงดน และ กระแส ซงการนาไปใชงานทตองการความถกตอง ตองคานงผลกระทบดงกลาวดวย 4. คาถามทายบท
1. จงแสดงแบบจาลอง re และแบบจาลอง Hybrid ของวงจร common-base configuration
5. อางอง [1] ดารงค เคลาด, “บทท 6 BJT Transistor Modeling”, มหาวทยาลยสงขลานครนทร ภาควชาวศวกรรม
คอมพวเตอร .
Ic Ib
hie Vce +
_
+ Vbe _
hfeIb b
e
c
e
Ic Ib
βr Vce +
_
+ Vbe _
βIb
b
e
c
e
(a) Ic Ie
hib Vcb +
_
+ Veb _
hfbIe
e
b
c
b
Ic Ie
re Vcb +
_
+ Veb _
αIe e
b
c
b
(b)
61
บทท 8 OP-AMP
1. วตถประสงค
1. เพ อศกษาถงคณสมบตของออปแอมป 2. บทนา
ออปแอมป (Operation Amplifier, Op-Amp) หรอวงจรขยายเชงดาเนนการ เปนอปกรณวงจรรวมหรอไอซประเภทเชงเสน (Linear Integrated Circuit) ซ งมการนาไปใชในงาประยกตตาง ๆ อยางกวางขวาง ออปแอมปถกออกแบบคร งแรกในป 1948 เพอชวยปฏบตการดานคณตศาสตรในเคร องอนาลอกคอมพวเตอร (Analog Computer) ด งน น จงใชช อวา Operational Amplifier ซ งหมายถง วงจรขยายดาเนนการ นอกจากน ออปแอมปยงไดถกนาไปใชในงานประยกตตาง ๆ มากมาย ท งน กเน องจากเปนวงจรขยายผลตาง (Differential Amplifier) ทมอตราขยายท สงมาก และการออกแบบและวเคราะหวงจรท ใช ออปแอมปกสามารถทาไดงาย
งานประยกตท ใชออปแอมปจะพบไดในวงจรเคร องวด, วงจรแสดงผล และวงจรอเลกทรอนกสในการควบคมกระบวนการ, วงจรปรบสญญาณ, วงจรสอสาร, ระบบเตอนภย, วงจรอเลกทรอนกสทางดานการแพทย, ดานวทยาศาสตร และในระบบคอมพวเตอร เปนตนจะเหนไดวาออปแอมปไดถกนาไปใชงานอยางกวางขวาง ดงน นจงอาจเรยกออปแอมปไดวา เปนวงจรขยายเชงเสนอเนกประสงค 3. เนอหา ออปแอมปในอดมคต
รปท 8.1 สญลกษณของออปแอมป
สญลกษณของออปแอมปเปนดงรป 8.1 ซ งใชแหลงจายกระแสตรง คอ +VSS และ –VSS จายใหกบออปแอมป ซงสวนใหญจะใชไมเกน ± 15 V ทางดานอนพต จะม 2 ข วคอ อนพตทางลบและอนพตทางบวก
62
รปท 8.2 ลกษณะการตอใชงานของออปแอมป
จากรป 8.2 จะเหนวา เอาทพต VO ท ออกจากออปแอมปจะผานตวตานทาน RL ลงกราวดและอนพตทางบวก แทนดวยข วของ VP สวนอนพตทางลบแทนดวยข วของ VN ซ งผลตางระหวางท งสองข วของออปแอมปจะเปน VD VD = VP - VN ____________(8.1) ในออปแอมปอดมคตนน เราจะสามารถหาอตราขยาย (µ) ได จาก
µ = D
O
VV
____________ (8.2)
จากสองสมการขางตน จะไดวา VO = µ(VP – VN) ____________ (8.3) คณลกษณะของออปแอมป คณลกษณะของออปแอมปในอดมคต แสดงดงรป 8.3 ซงอตราขยายเปนไปตามสมการ (8.2) และแรงดนเอาทพตจะไมเกนคาของแรงดนทปอนใหกบออปแอมป (+VSS และ –Vss)
รปท 8. 3 กราฟแสดงลกษณะแรงดนของออปแอมปในอดมคต
63
ในออปแอมปแบบอดมคตน น จะมคณลกษณะพ นฐานอย 4 แบบคอ 1. แรงดนเอาทพตจะไมเกนแรงดนทจายใหกบออปแอมป
จากกราฟดงรป 8.3 ทาใหทราบวาแรงดนเอาทพตท ไดจากออปแอมปน นจะมคาไมเกนแรงดนท ปอนใหกบออปแอมป นนกคอ -VSS ≤ VO ≤ + VSS
2. อตราขยายมคาเปนอนนต (µ = ∞) ในทางอดมคต ออปแอมปจะมอตราขยายไดเปนอนนต ในทางปฏบตอตราขยายจะไมเปนอนนต แตมคาสงมาก ตงแต 20,000 ถง 2,000,000 เทา
3. ขาอนพตทงสองเสมอนเชอมตดกน (VD = 0) จากสมการท 3.2 เราสามารถเขยนใหมไดเปน
VD = µ
OV
เม ออตราขยายมคาเปนอนนต และ VO มคาไมเกน +VSS จะทาให VD = 0 นนคอไมมผลตางของแรงดน ระหวางขา VP และขา VN นนเอง
4. กระแสของอนพตท งสองเปนศนย (IN = IP = 0) เน องจาก ความตานทานภายใน (RI) ของออปแอมปมคาสงมาก (∞) น นคอ จะทาใหกระแสท ไหลเขาขาท งสองมคาเปน 0 สามารถสรปเปนสมการไดดงน
1. -VSS ≤ VO ≤ + VSS 2. µ = ∞ 3. VD = 0 4. IN = IP = 0
64
รปท 8. 4 วงจรสมมลของออปแอมปในอดมคต
ตวอยาง 8.1 ออปแอมปดงรปท 8.4 มอตราขยาย 100,000 เทา และไดเอาทพตออกมาเทากบ 18 V จงหาคาทมากทสด ระหวางขาอนพตท งสองของออปแอมป วธทา
จาก VD = µ
OV
แทน VO = 18 V, µ = 100,000
จะได VD = 000,100
18 = 180 µV
น นคอคาท มากท สดระหวางผลตางของอนพต คอ 180 µV วงจรขยายแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier) วงจรขยายแบบกลบเฟส จะมการตอ R1 และ R2 ดงรป 8.5 เพมเขามาดวย โดย R2 จะตอแบบมการปอนกลบทางลบ (Negative Feedback) โดยการนาเอาทพตท ไดตอเขากบตวตานทาน R2 แลวนาไปเขาท ขาอนพตทางลบ (จงเรยกวาการปอนกลบทางลบ) ซ งวงจรขยายแบบกลบเฟส จะมอตราขยายเทากบ
AV = SIG
O
VV
= -1
2
RR
65
รปท 8. 5 วงจรขยายแบบกลบเฟส
ตวอยาง 8.2 จงหาอตราขยายของวงจรขยายแบบกลบเฟส โดยกาหนดให R1 = 100 kΩ และ R2 = 330 kΩ และหาคา R1 หาเปลยนอตราขยายเปน -10 เทา วธทา
จาก AV = -1
2
RR
แทน R1 = 100 kΩ, R2 = 330 kΩ
จะได AV = - ΩΩ
k100k330
= - 3.3
เปลยนอตราขยายเปน -10 เทา
จะได R1 = -V
2
AR
= -10k330 Ω
= 33 kΩ
วงจรบวกสญญาณ (Summing Amplifier) เปนวงจรทใชบวกสญญาณอนพตหลาย ๆ สญญาณใหเปนเอาทพตเดยว
66
รปท 8. 6 วงจรบวกสญญาณ
เร มแรก เรากาหนดให V2 มคาเปน 0 ดงรป 8.7 จะได I1 + IF = 0 แต I1 = 1
1
RV
และ IF = F
1O
RV
จะได
VO1 = -V1
1
F
RR×
รปท 8. 7 พจาณา V1 โดยให V2 = 0
จากน น เราให V! มคาเปน 0 ดงรป 8.8 จะได I2 + IF = 0 แต I2 = 2
2
RV
และ IF = F
2O
RV
จะได
VO2 = -V2
2
F
RR×
67
รปท 8. 8 พจารณา V2 โดยให V1 = 0
เมอใสทง V1 และ V2 พรอมกน จะได
VO = VO1 + VO2 = - (2
F2
1
F1 R
RVRRV ⋅+⋅ )
ในกรณทมอนพตเขามาหลายอนพตนน เราสามารถคานวณได จากสตร
VO = - (X
FX
2
F2
1
F1 R
RV...RRV
RRV ⋅++⋅+⋅ )
รปท 8. 9 ลกษณะการตอวงจรบวก แบบมอนพต x ตว
วงจรขยายแบบไมกลบเฟส (Noninverting Amplifier) วงจรขยายแบบไมกลบเฟส จะมเฟสเดยวกนกบอนพตท เขามา โดยท ขาอนพตจะถกปอนเขาทางอนพตบวก แต RF กยงคงตอเขาทางอนพตขาลบ ดงรป 8.10
68
รปท 8. 10 วงจรขยายแบบกลบเฟส
กาหนดให I1 = R
VSIG และ IF = F
SIGO
RVV −
เมอ IN = 0 ทาให I1 = IF จะได
R
VSIG = F
SIGO
RVV −
นนคอ อตราขยายสาหรบวงจรขยายแบบไมกลบเฟส คอ
AV = SIG
O
VV
= 1 + R
R F
วงจรตามแรงดน (Voltage Follower) จากวงจรขยายแบบไมกลบเฟส ถาเราให R มคามาก ๆ และ RF มคานอยมาก ๆ เราจะไดวงจรดงรป 8.11
รปท 8. 11 วงจรขยายตามแรงดน
วงจรดงรป เรยกวาวงจรขยายตามแรงดน ซ งมอตราขยายเทากบ 1 มกใชเช อมตอสองวงจรเขาดวยกน เนองจากมความตานทานอนพตทสงมาก และมความตานเอาทพตทตา
69
วงจรลบสญญาณ (Difference Amplifier) เปนวงจรท สญญาณเอาทพตเปนผลจากการลบกนของสญญาณอนพตท งสอง
รปท 8. 12 วงจรลบสญญาณ
เร มแรก ให V2 = 0 วงจรจะกลายเปนวงจรขยายแบบกลบเฟส จะได VO1 คอ
VO1 = -R
R F V1
รปท 8. 13 พจารณา V1 โดยให V2 = 0
จากนน ให V1 = 0 เราจะไดวงจรขยายแบบไมกลบเฟส ได VO2 คอ
VO2 = (1+R
R F )(F
F
RRR+
)V2
= R
R F V2
70
รปท 8. 14 พจารณา V2 โดยให V1 = 0
ดงนน VO = VO1 + VO2 คอ
VO = R
R F (V2 – V1)
4. คาถามทายบท
1. จงหาอตราขยายของวงจรขยายแบบกลบเฟส โดยกาหนดให R1 = 100 kΩ และ R2 = 470 kΩ และหาคา R1 หาเปลยนอตราขยายเปน -20 เทา 5. อางอง
[1] Donald P. Leach. 1992. Discrete and Integrated Circuit Electronics. Santa Clara University.
71
บทท 9 OP–AMP Application
1. วตถประสงค
1. เพอศกษาถงการนาออปแอมปไปประยกตใชงานเปนวงจรตาง ๆ
2. บทนา ออปแอปมโดยท วไปเม อนาตวตานทาน ตวเกบประจ หรอตวเหน ยวนาเขามาตอรวมดวย จะทาใหฟงกชนการถายโอน (Transfer – Function) มคาเปล ยนแปลงไปตามองคประกอบรอบขาง เชน การนาความตานทานอนพต และความตานทานเอาทพตมาตออยางเหมาะสม ในลกษณะวงจรขยายสญญาณ ฟงกชนการถายโอน คอ อตราขยายแรงดนของวงจร จะมคาคงท โดยจะแปรตามคาความตานทานท งสอง และในการวเคราะหวงจรโดยท วไปแลว คาพารามเตอรตาง ๆ อนเปนคณสมบตของออปแอมปจะไมปรากฏในสมการฟงกชนการถายโอน เน องจากมการตอวงจรแบบปอนกลบ และดวยคณสมบตของออปแอมปมอตราขยายแรงดนผลตาง (Differential Gain) ทสงมาก 3. เนอหา วงจรขยายผลตาง (Difference Amplifier) เปนวงจรท สญญาณเอาทพตเปนผลของการลบของสญญาณอนพตท งสองจากจด A และ B ซงมคณสมบตเหมอนกบอนพตผลตางของออปแอมปมาตรฐาน แตตางกนท วงจรขยายผลตางมการปอนกลบทางลบ เพอควบคมอตราขยายของวงจรตามตองการ
รปท 9. 1 วงจรขยายผลตาง
เร มจากการให V2 = 0 ดงนนจงเหลอแค V1 ตวเดยวทผานทางออปแอมปเขาทางขาอนพตลบ จะไดเอาทพต
72
VO1 = -V1( RRF ) ----------(9.1)
รปท 9. 2 พจารณา V1 โดยให V2 = 0
จากน นทาการให V1 = 0 เพอคดเอาทพตทออกจาก V2 ทเขาทางขาอนพตบวก จะได
VP = V2 (F
F
RRR+
) ----------(9.2)
รปท 9. 3 พจารณา V2 โดยให V1 = 0
และเอาทพตจากวงจรขยายแบบไมกลบเฟส หาไดจาก
VO2 = VP ( RRR F+
)
แทนคา VP จาก (9.2) จะได
VO2 = V2 (F
F
RRR+
) (R
RR F+)
73
VO2 = V2 ( RR F ) ----------(9.3)
ผลรวมของ VO1 และ VO2 จากสมการ (9.1) และ (9.3) จะไดวา VO = VO1 + VO2
= -V1( RR F ) + V2 ( R
R F )
= (V2 – V1) ( RR F )
VO = VDIFF( RRF )
นนคอ อตราขยายของวงจรขยายผลตาง คอ
AV = DIFF
O
VV
= R
R F ----------(9.4)
วงจรขยายแบบอนทเกรต (Integrating Amplifier) สญญาณเอาทพตของวงจรอนทเกรต (Integrator) จะข นอยกบการอนทเกรต (Integral) บนเวลาของสญญาณอนพต ซ งจะมคาคงตวเวลาของอารซ (RC Time Constant) ของวงจรจะกาหนดฟงกชนถายโอน (Transfer Function) ของวงจรอนทเกรต ดงรป
รปท 9. 4 วงจรขยายแบบอนทเกรต
ความสมพนธของวงจร จาก iR = iC iR = VI / R และ
iC = Cdt
dVC = -Cdt
dVO
74
แทนคา iR และ iC ได
RVI = - C
dtdVO
ดงนน
VO = RC
1−∫
t
0VI dt ----------(9.5)
วงจรกรองความถตา (Low Pass Filter) ในการใชงานวงจรอเลกทรอนกสบางคร ง เราตองการใหสญญาณบางความถ ผานเขาไปไดเทาน น โดยท สญญาณซ งมความถ นอกเหนอจากน นจะถกกาจดออกไป ในวงจรกรองความถ ต าน น จะไมใหสญญาณท ความถ สง ๆ ผานไปได ซ งวงจรเปนดงรป 9.5(a)
1
2
RRlog20
)dB(A V
ω
sr
=ω
CR12
รปท 9. 5 (a) ลกษณะของวงจรกรองความถตา (b) กราฟของการกรองความถ ต า
สามารถหาอตราขยายของวงจรไดจาก
AV = I
O
VV
= CRj1R/R
2
12
ω+−
แตคาทได ยงเปนจานวนเชงซอน ตองทาการใสคาสมบรณใหกบ AV
|AV| = ( )22
12
CR1R/R
ω+ ----------(9.5) พจารณาท ความถ ต ามาก ๆ จะได CR 2ω << 1 ดงนนสมการ (9.6) จะเปน
|AV| ≅ 01
R/R 12
+ =
1
2
RR
----------(9.7)
75
พจาณาท ความถ สงมาก ๆ จะได CR 2ω >>1 ดงนนสมการ (9.6) จะเปน
|AV| ≅ CR
R/R2
12
ω =
CR1
1ω ___________ (9.8)
สามารถนาไปเขยนกราฟได โดยความถ ต า กราฟจะมความชนเปน 0 สวนความถ สงจะมความชนเทากบ -
20 dB/decade (อตราขยายลดลง 20 dB ตอความถทเพมขน 10 เทา) และเสนท งสองตดกนท จด ω = CR
12
และ
สามารถนาไปเขยนกราฟไดดงรป 9.5(b) วงจรกรองความถสง (High Pass Filter) วงจรกรองความถสง เปนวงจรทกรองไมใหความถ ต า ๆ ผานไปได ลกษณะของวงจรเปนดงรป 9.6(a)
1
2
RRlog20
)dB(AV
ω
sr
=ω
CR11
รปท 9. 6 (a) ลกษณะของวงจรกรองความถสง (b) กราฟของการกรองความถสง
หาอตราขยายของวงจรไดจาก
AV = I
O
VV
= CR/j1
R/R1
12
ω−−
แตคาท ได ยงเปนจานวนเชงซอน ตองทาการใสคาสมบรณใหกบ AV
|AV| = ( )2
1
12
CR/11R/Rω+
___________ (9.9)
พจารณาท ความถ ต ามาก ๆ จะได CR 2ω << 1 ดงนนสมการ (9.9) จะเปน
|AV| ≅ 01
R/R 12
+ =
1
2
RR
___________ (9.10)
76
พจาณาท ความถ สงมาก ๆ จะได CR 2ω >>1 ดงนนสมการ (9.9) จะเปน
|AV| ≅ CR/1
R/R1
12
ω = CR 2ω ___________ (9.11)
สามารถนาไปเขยนกราฟได โดยความถ ต า กราฟจะมความชนเปน +20 dB/decade สวนความถสงจะม
ความชนเทากบ 0 และเสนทงสองตดกนทจด ω = CR
11
และสามารถนาไปเขยนกราฟไดดงรป 9.6(b)
วงจรกรองความถ เปนชวง (Band Pass Filter) เปนวงจรทยอมใหบางความถผานไปไดเทานน ซงรวมทงวงจรกรองความถตาและกรองความถสงเขาไวดวยกน มลกษณะการตอวงจรดงรป 9.7(a)
1
2
RRlog20
)dB(A V
ω
sr
=ω
11L CR
1
=ω
22H CR
1
รปท 9. 7 (a) ลกษณะของวงจรกรองความถ เปนชวง (b) กราฟของการกรองความถเปนชวง
โดยท Z1 = R1 - 1C
jω
Z2 = 22
2
CRj1Rω+
อตราขยายของวงจรเปน
AV = 1
2
ZZ−
= )
RCj1)(CRj1(
R/R
1122
12
ω+ω+
−
77
|AV| = 2
11
222
12
)RC
1(1)CR(1
R/R
ω+×ω+
พจารณาชวงเปนสามชวง คอ ชวงความถ ระหวาง ωL และ ωH , ชวงความถสง ω >> ωH และชวงความถตา ω << ωL ชวงความถระหวาง ωL และ ωH (Mid-Frequency Range) จะได ωR2C2 >> 1 และ (1/ωR1C1) << 1 จะไดอตราขยายเปน
|AV| = 0101
R/R 12
+×+ =
1
2
RR
___________ (9.12)
ชวงความถสง ω >> ωH จะได (1/ωR1C1) << 1 แต ωR2C2 จะไดเปนคาคงท คาหน ง
|AV| = 01)CR(1
R/R2
22
12
+×ω+
= 21CR
1ω
___________ (9.13)
ชวงความถตา ω << ωL จะได ωR2C2 >> 1 แต (1/ωR1C1) เปนคาคงท คาหน ง
|AV| = 2
11
12
)RC
1(101
R/R
ω+×+
= ωR2C1 ___________ (9.14) เม อไดความถ ท งสามชวง สามารถนาไปเขยนกราฟไดดงรป XxX วงจรเปรยบเทยบแรงดน (Voltage Comparator) เปนวงจรท ใชเปรยบเทยบสญญาณอนพตท ปอนใหท ขาอนพตขาหน ง กบระดบแรงดบเปรยบเทยบท ขาอนพตอกขาหน ง และระดบแรงดนของเอาทพตจะถกจากดอยท แรงดนท ปอนใหกบออปแอมป (+VSS และ –VSS)
78
รปท 9. 8 (a) Block Diagram แสดงลกษณะของวงจรเปรยบเทยบแรงดน (b) สญลกษณของวงจรเปรยบเทยบ
แรงดน
โดยมเงอนไขวา ถา VI > VR จะไดวา VO = +VSS แตถา VI < VR จะไดวา VO = -VSS
4. คาถามทายบท 1. ออปแอมปสามารถนาไปประยกตใชงานเปนวงจรใดไดบาง 5. อางอง
[1] Donald P. Leach. 1992. Discrete and Integrated Circuit Electronics. Santa Clara University.
