بایاس ترانزیستور فرآیند تنظیم ولتاژ کاری DC یا شرایط جریان ترانزیستور در سطح صحیح است، به طوری که هر سیگنال ورودی AC به درستی توسط ترانزیستور تقویت شود.
عملکرد حالت دائم یک ترانزیستور بستگی زیادی به مقادیر جریان بیس، ولتاژ کلکتور و جریان کلکتور دارد و بنابراین برای عملکرد درست ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده خطی، باید به طور صحیح در اطراف نقطه کار خود بایاس شود.
تعیین نقطه عملکرد صحیح مستلزم انتخاب مقاومت‌های بایاس و مقاومت‌های بار است تا جریان ورودی مناسب و شرایط ولتاژ کلکتور را فراهم آورد. نقطه بایاس صحیح ترانزیستور دوقطبی، چه npn و چه pnp، عموما جایی بین دو انتهای خط بار DC، کاملا «روشن» یا کاملا «خاموش»، قرار دارد. این نقطه عملیاتی مرکزی، «نقطه کار» یا نقطه Q نامیده می‌شود.
هنگامی که یک ترانزیستور دوقطبی به گونه‌ای بایاس شده است که نقطه Q نزدیک وسط محدوده عملکرد آن باشد، یعنی تقریبا در نیمه راه بین قطع و اشباع، گفته می‌شود که به عنوان تقویت کننده کلاس A عمل می‌کند. این حالت عملکرد اجازه می‌دهد که با تغییر سیگنال ورودی در یک سیکل کامل، ولتاژ خروجی در اطراف نقطه Q تقویت کننده بدون اعوجاج افزایش پیدا کند. به عبارت دیگر، خروجی به ازای °۳۶۰ کامل سیکل ورودی در دسترس است.
بنابراین چگونه این بایاس نقطه Q یک ترانزیستور را تنظیم کنیم؟ بایاس صحیح ترانزیستور با استفاده از فرآیندی که معمولا به عنوان بایاس بیس شناخته می‌شود به دست می‌آید.
اما قبل از اینکه به بررسی آرایش‌های مختلف بایاس ترانزیستور بپردازیم، اجازه دهید ابتدا مدار پایه تک ترانزیستور را به همراه ولتاژها و جریان‌های آن یادآوری کنیم.
عملکرد «سطح بایاس DC» تنظیم صحیح نقطه Q ترانزیستور با تنظیم جریان کلکتور (IC) آن در مقدار ثابت و حالت دائم است، بدون هیچگونه سیگنال ورودی خارجی به بیس ترانزیستور.
این حالت دائم یا نقطه کار DC با مقادیر ولتاژ منبع تغذیه مدار (VCC) و مقدار مقاومت‌های بایاس متصل به ترمینال بیس ترانزیستور تعیین می‌شود.
از آنجا که جریان‌های بایاس بیس ترانزیستورها جریان‌های DC حالت دائم هستند، استفاده مناسب از خازن‌های کوپلینگ و بای پس به جلوگیری از ورود هرگونه جریان بایاس به سایر مراحل ترانزیستور، که بر شرایط بایاس بعدی تاثیر می‌گذارد، کمک می‌کند. شبکه‌های بایاس بیس می‌توانند برای پیکربندی‌های مختلف ترانزیستور، بیس مشترک (CB)، کلکتور مشترک (CC) یا امیتر مشترک (CE) استفاده شوند. در این آموزش ساده بایاس ترانزیستور، آرایش‌های مختلف بایاس موجود برای تقویت کننده امیتر مشترک را بررسی می‌کنیم.
بایاس بیس یک تقویت‌کننده امیتر مشترک
یکی از مدارهای بایاس که اغلب برای ترانزیستور استفاده می‌شود، خود بایاس شدن مدار بایاس امیتر است که در آن از یک یا چند مقاومت بایاس برای تنظیم مقادیر DC اولیه برای سه جریان ترانزیستور (IB، IC و IE) استفاده می‌شود.
دو شکل متداول بایاس ترانزیستور دوقطبی عبارتند از: وابسته به بتا و مستقل از بتا. ولتاژهای بایاس ترانزیستور تا حد زیادی به بتای (β) ترانزیستور بستگی دارد، بنابراین بایاس ایجاد شده برای یک ترانزیستور لزوما برای ترانزیستور دیگر یکسان نیست، زیرا ممکن است مقادیر بتای آنها متفاوت باشد. بایاس ترانزیستور را می‌توان با استفاده از یک مقاومت فیدبک منفرد یا با استفاده از یک شبکه تقسیم ولتاژ ساده برای تامین ولتاژ بایاس مورد نیاز به دست آورد.
در زیر پنج نمونه از پیکربندی بایاس بیس ترانزیستور از یک منبع (VCC) آورده شده است.
بایاس بیس ثابت یک ترانزیستور
مدار نشان داده شده به عنوان «مدار بایاس بیس ثابت» نامیده می‌شود، زیرا جریان بیس ترانزیستور (IB) به ازای مقادیر مشخص VCC ثابت می‌ماند و بنابراین نقطه کار ترانزیستور نیز باید ثابت بماند. این شبکه بایاس دو مقاومتی برای ایجاد ناحیه عملکرد اولیه ترانزیستور با استفاده از یک بایاس جریان ثابت به کار می‌رود.
این نوع آرایش بایاس ترانزیستور یک بایاس وابسته به بتا نیز می‌باشد، زیرا وضعیت عملکرد حالت دائم تابعی از مقدار بتای (β) ترانزیستور است، بنابراین نقطه بایاس در طیف وسیعی از ترانزیستورهای هم نوع متفاوت است، چراکه مشخصه‌های ترانزیستورها دقیقا یکسان نخواهد بود.
دیود امیتر ترانزیستور با اعمال ولتاژ بایاس بیس مثبت مورد نیاز از طریق مقاومت محدودکننده جریان (RB) به صورت مستقیم بایاس می‌شود. با فرض ترانزیستور استاندارد دو قطبی، افت ولتاژ مستقیم بیس-امیتر 0.7V خواهد بود. پس مقدار RB به صورت (VCC-VBE) بر IB است که در آن IB به عنوان IC/β تعریف شده است.
با استفاده از این آرایش بایاس از نوع تک مقاومتی، ولتاژها و جریان‌های بایاس در حین کار ترانزیستور ثابت نمی‌مانند و می‌توانند بسیار متفاوت باشند. همچنین دمای کار ترانزیستور می‌تواند بر نقطه کار تاثیر نامطلوبی بگذارد.
بایاس ترانزیستور با فیدبک کلکتور
این پیکربندی خود بایاس با فیدبک کلکتور یکی دیگر از روش‌های بایاس وابسته به بتا است که برای تامین بایاس DC لازم برای ترانزیستور، به دو مقاومت نیاز دارد. پیکربندی فیدبک کلکتور به بیس اطمینان حاصل می‌کند که ترانزیستور همیشه صرف نظر از مقدار بتا (β) در ناحیه فعال بایاس شده باشد. ولتاژ بایاس بیس DC از ولتاژ کلکتور (VC) گرفته می‌شود و بنابراین پایداری خوبی فراهم می‌کند.
در این مدار، مقاومت بایاس بیس (RB) به جای ریل ولتاژ تغذیه (VCC) به کلکتور (C) ترانزیستور متصل است. حال اگر جریان کلکتور افزایش یابد، ولتاژ آن کاهش یافته و درایو بیس و در نتیجه به طور خودکار جریان کلکتور را کاهش می‌دهد تا نقطه Q ترانزیستور ثابت بماند. بنابراین، این روش بایاس با فیدبک کلکتور، در اطراف ترانزیستور فیدبک منفی ایجاد می‌کند، چراکه از پایانه خروجی به پایانه ورودی، از طریق مقاومت RB، ارتباطی مستقیم وجود دارد.
از آنجا که ولتاژ بایاس از افت ولتاژ در مقاومت بار (RL) مشتق می‌شود، در صورت افزایش جریان بار، افت ولتاژ بیشتری در RL و مطابق با آن، کاهش ولتاژ در کلکتور (VC) ایجاد می‌شود. این اثر باعث کاهش جریان بیس (IB) می‌شود که به نوبه خود IC را به حالت عادی باز می‌گرداند.
هنگامی که جریان کلکتور ترانزیستور کاهش می‌یابد، واکنش عکس نیز رخ می‌دهد. پس این روش، خود بایاس نامیده می‌شود و پایداری ترانزیستور با استفاده از این نوع شبکه بایاس فیدبک به طور کلی برای اکثر طرح‌های تقویت کننده مناسب است.
بایاس ترانزیستور با فیدبک دوگانه
افزودن یک مقاومت اضافی به شبکه بایاس بیس در پیکربندی قبلی، با افزایش جریان عبوری از مقاومت‌های بایاس بیس، پایداری را نسبت به تغییرات بتا (β) بیشتر می‌کند.
جریان عبوری از RB1 عموما مقداری برابر با %۱۰ جریان کلکتور (IC) است. بدیهی است که این مقدار باید از جریان بیس مورد نیاز برای حداقل مقدار بتا (β) نیز بیشتر باشد.
یکی از مزایای این نوع پیکربندی خود بایاس این است که دو مقاومت همزمان بایاس اتوماتیک و فیدبک (Rf) را ارائه می‌دهند.
بایاس ترانزیستور با فیدبک امیتر
این نوع پیکربندی بایاس ترانزیستور، که غالبا بایاس خود امیتر نامیده می‌شود، از هر دو فیدبک امیتر و کلکتور-بیس برای تثبیت بیشتر جریان کلکتور استفاده می‌کند. این بدان دلیل است که مقاومت‌های RB1، RE و همچنین پیوند بیس-امیتر ترانزیستور همگی عملا به صورت سری به ولتاژ منبع تغذیه (VCC) وصل شده‌اند.
جنبه منفی این پیکربندی فیدبک امیتر آن است که به دلیل اتصال مقاومت بیس، بهره خروجی را کاهش می‌دهد. ولتاژ کلکتور جریان عبوری از مقاومت فیدبک (RB1) را تعیین می‌کند و باعث ایجاد چیزی به نام «فیدبک دژنراتیو (مخرب)» می‌شود.
جریان عبوری از امیتر (IE، که ترکیبی از IC+IB است) باعث می‌شود که افت ولتاژ در RE در جهتی ظاهر شود که باعث بایاس معکوس پیوند بیس-امیتر می‌شود.
بنابراین اگر جریان امیتر افزایش یابد، به دلیل افزایش جریان کلکتور، افت ولتاژ I×RE نیز افزایش می‌یابد. از آنجا که پلاریته این ولتاژ باعث بایاس معکوس پیوند بیس-امیتر می‌شود، IB به طور خودکار کاهش می‌یابد. بنابراین جریان امیتر، نسبت به زمانی که مقاومت خود بایاس وجود نداشته باشد، افزایش کمتری خواهد داشت.
به طور کلی، مقادیر مقاومت به گونه‌ای تنظیم می‌شوند که افت ولتاژ در مقاومت امیتر (RE)، تقریبا %۱۰ تغذیه (VCC) و جریان عبوری از مقاومت RB1،۱۰% جریان کلکتور (IC) باشد.
بنابراین، این نوع پیکربندی بایاس ترانزیستور در ولتاژهای منبع تغذیه با توان نسبتا کم بهتر عمل می‌کند.
بایاس ترانزیستور با تقسیم ولتاژ
در اینجا پیکربندی ترانزیستور امیتر مشترک جهت افزایش پایداری با استفاده از یک شبکه تقسیم ولتاژ بایاس شده است. نام این پیکربندی بایاس از این واقعیت ناشی می‌شود که دو مقاومت RB1 و RB2 یک شبکه تقسیم ولتاژ ایجاد می‌کنند و محل اتصال آنها به ترمینال بیس ترانزیستور متصل شده است.
این پیکربندی بایاس با تقسیم ولتاژ متداول‌ترین روش بایاس ترانزیستور است. دیود امیتر ترانزیستور توسط مقدار ولتاژ ایجاد شده در مقاومت RB2 به صورت مستقیم بایاس می‌شود. همچنین، بایاس با شبکه تقسیم ولتاژ، مدار ترانزیستور را از تغییرات بتا مستقل می‌کند، زیرا ولتاژهای بایاس تنظیم شده در ترمینال‌های بیس، امیتر و کلکتور ترانزیستور به مقادیر مدار خارجی وابسته نیستند.
برای محاسبه ولتاژ ایجاد شده در مقاومت RB2 و در نتیجه ولتاژ اعمال شده به ترمینال بیس، به سادگی از فرمول تقسیم ولتاژ برای مقاومت‌های سری استفاده می‌کنیم.
به طور کلی، افت ولتاژ در مقاومت RB2 بسیار کمتر از مقاومت RB1 است. بدیهی است که ولتاژ بیس ترانزیستور (VB) نسبت به زمین، برابر با ولتاژ دو سر RB2 خواهد بود.
مقدار جریان بایاس عبوری از مقاومت RB2 عموما ۱۰ برابر مقدار جریان بیس (IB) مورد نیاز تنظیم می‌شود، به طوری که به اندازه کافی بزرگ باشد تا بر جریان تقسیم ولتاژ یا تغییرات بتا هیچ تاثیری نگذارد.
هدف از بایاس ترانزیستور این است که یک نقطه کار یا نقطه Q شناخته شده تعیین شود تا برای ترانزیستور دوقطبی کارآمد باشد و یک سیگنال خروجی بدون اعوجاج تولید کند. همچنین بایاس DC صحیح ترانزیستور ناحیه عملکرد AC اولیه تعیین می‌کند. مدارهای بایاس عملی از یک شبکه بایاس با دو یا چهار مقاومت استفاده می‌کنند.
در مدارهای ترانزیستور دوقطبی، نقطه Q با (VCE, IC) برای ترانزیستورهای npn یا (VEC, IC) برای ترانزیستورهای pnp نشان داده می‌شود. پایداری شبکه بایاس بیس و در نتیجه نقطه Q عموما با در نظر گرفتن جریان کلکتور به عنوان تابعی از بتا (β) و دما ارزیابی می‌شود.
در اینجا به طور مختصر پنج پیکربندی مختلف برای «بایاس ترانزیستور» با استفاده از شبکه‌های مقاومتی را بررسی کردیم. اما همچنین می‌توانیم یک ترانزیستور را با استفاده از دیودهای سیلیکونی، دیودهای زنر یا شبکه‌های اکتیو، که همگی به ترمینال بیس ترانزیستور متصل می‌شوند، بایاس کنیم. اگر بخواهیم، می‌توانیم ترانزیستور را با استفاده از منبع تغذیه ولتاژ دوگانه، به درستی بایاس کنیم.
