การกำหนดไบอัสทรานซิสเตอร์คือกระบวนการตั้งค่าแรงดันไฟ DC หรือสภาวะกระแสไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ให้อยู่ในระดับที่ถูกต้อง เพื่อให้สัญญาณอินพุต AC ใดๆ ก็สามารถขยายได้อย่างถูกต้องโดยทรานซิสเตอร์

การทำงานแบบคงตัวของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์นั้นขึ้นอยู่กับกระแสฐาน แรงดันคอลเลกเตอร์ และค่ากระแสคอลเลกเตอร์เป็นอย่างมาก ดังนั้น หากทรานซิสเตอร์จะทำงานได้อย่างถูกต้องในฐานะเครื่องขยายสัญญาณเชิงเส้น จะต้องมีไบแอสรอบจุดทำงานอย่างถูกต้อง เนื่องจากการไบแอสทรานซิสเตอร์ที่ไม่เหมาะสมจะส่งผลให้เอาต์พุตบิดเบี้ยว

การกำหนดจุดทำงานที่ถูกต้องจำเป็นต้องเลือกตัวต้านทานไบแอสและตัวต้านทานโหลดเพื่อให้ได้กระแสอินพุตและแรงดันคอลเลกเตอร์ที่เหมาะสม จุดไบแอสที่ถูกต้องสำหรับทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ ไม่ว่าจะเป็น NPN หรือ PNP โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างสองขั้วของการทำงาน คือ ทรานซิสเตอร์จะ "เปิดเต็มที่" หรือ "ปิดเต็มที่" ตามแนวโหลด DC จุดทำงานส่วนกลางนี้เรียกว่า "จุดทำงานนิ่ง" หรือ  เรียกสั้นๆ ว่าQ-point

เมื่อทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ถูกไบแอสจนจุด Q อยู่ใกล้กับจุดกึ่งกลางของช่วงการทำงาน ซึ่งอยู่ประมาณกึ่งกลางระหว่างจุดตัดและจุดอิ่มตัว ทรานซิสเตอร์จะทำงานเป็นเครื่องขยายเสียงคลาส A โหมดการทำงานนี้ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าขาออกเพิ่มขึ้นและลดลงรอบจุด Q ของเครื่องขยายเสียงโดยไม่เกิดการผิดเพี้ยน ขณะที่สัญญาณอินพุตแกว่งผ่านหนึ่งรอบ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เอาต์พุตจะพร้อมใช้งานตลอด 360 องศาของรอบอินพุต

แล้วเราจะตั้งค่าไบแอส Q-point ของทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร – การกำหนดไบแอสที่ถูกต้องของทรานซิสเตอร์ทำได้โดยใช้กระบวนการที่เรียกกันทั่วไปว่า ไบแอ สฐาน

แต่ก่อนที่เราจะเริ่มพิจารณาการจัดเรียงไบอัสทรานซิสเตอร์ที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกัน เรามาทบทวนวงจรทรานซิสเตอร์ตัวเดียวพื้นฐานพร้อมกับแรงดันไฟและกระแสไฟฟ้าดังที่แสดงไว้ด้านบนก่อน

หน้าที่ของ “ระดับไบแอส DC” คือการตั้งค่าจุด Q ของทรานซิสเตอร์ให้ถูกต้องโดยการตั้งค่ากระแสคอลเลกเตอร์ ( I_C ) ให้เป็นค่าคงที่และคงที่โดยไม่ต้องใช้สัญญาณอินพุตภายนอกใดๆ ที่ใช้กับฐานของทรานซิสเตอร์

จุดปฏิบัติการสถานะคงที่หรือ DC นี้จะถูกตั้งค่าโดยค่าแรงดันไฟฟ้าของวงจร DC ( Vcc ) และค่าตัวต้านทานไบแอสใดๆ ที่เชื่อมต่อกับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์

เนื่องจากกระแสไบอัสเบสของทรานซิสเตอร์เป็นกระแสตรงแบบคงที่ การใช้ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งและบายพาสอย่างเหมาะสมจะช่วยป้องกันกระแสไบอัสจากทรานซิสเตอร์ตัวอื่นที่ส่งผลต่อสภาวะไบอัสของทรานซิสเตอร์ตัวถัดไป เครือข่ายไบอัสเบสสามารถใช้กับทรานซิสเตอร์แบบคอมมอนเบส (CB), คอมมอนคอลเลคเตอร์ (CC) หรือคอมมอนอิมิตเตอร์ (CE) ในบทช่วยสอนการไบอัสทรานซิสเตอร์แบบง่ายๆ นี้ เราจะมาดูการจัดเรียงไบอัสแบบต่างๆ ที่มีสำหรับวงจรขยายสัญญาณคอมมอนอิมิตเตอร์

ไบแอสทรานซิสเตอร์แบบอีซีแอลทั่วไป

วงจรไบแอสที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับวงจรทรานซิสเตอร์คือวงจรไบแอสตัวเองของวงจรไบแอสตัวปล่อย ซึ่งใช้ตัวต้านทานไบแอสหนึ่งตัวหรือมากกว่าเพื่อตั้งค่า DC เริ่มต้นสำหรับกระแสทรานซิสเตอร์สามตัว ( I_B ) ( I_C ) และ ( I_E )

รูปแบบไบแอสทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ที่พบบ่อยที่สุดสองรูปแบบ ได้แก่ แบบพึ่งพาเบต้า (Beta Dependent) และ แบบอิสระเบต้า ( Beta Independent ) แรงดันไบแอสของทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่าเบต้า ( β ) ของทรานซิสเตอร์ ดังนั้นการตั้งค่าไบแอสของทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งอาจไม่เหมือนกันสำหรับทรานซิสเตอร์ตัวอื่น เนื่องจากค่าเบต้าของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวอาจแตกต่างกัน การไบแอสทรานซิสเตอร์สามารถทำได้โดยใช้ตัวต้านทานป้อนกลับตัวเดียว หรือโดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบง่ายเพื่อให้ได้แรงดันไบแอสตามที่ต้องการ

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างห้าประการของการกำหนดค่าไบอัสฐานทรานซิสเตอร์จากแหล่งจ่ายเดียว ( Vcc )

ไบอัสฐานคงที่ของทรานซิสเตอร์

วงจรที่แสดงนี้เรียกว่า "วงจรไบอัสฐานคงที่" เนื่องจากกระแสฐานของทรานซิสเตอร์ ( IB) ยังคงที่สำหรับค่า Vcc ที่กำหนด ดังนั้นจุดทำงานของทรานซิสเตอร์จึงต้องคงที่เช่นกัน เครือข่ายไบอัสตัวต้านทานสองตัวนี้ใช้เพื่อสร้างพื้นที่การทำงานเริ่มต้นของทรานซิสเตอร์โดยใช้ไบอัสกระแสคงที่

การจัดเรียงไบอัสของทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ยังเป็นไบอัสที่ขึ้นอยู่กับเบตาด้วย เนื่องจากสภาวะการทำงานคงที่เป็นฟังก์ชันของค่าเบตา เบตา ของทรานซิสเตอร์ ดังนั้น จุดไบอัสจะแตกต่างกันในช่วงกว้างสำหรับทรานซิสเตอร์ประเภทเดียวกัน เนื่องจากคุณลักษณะของทรานซิสเตอร์จะไม่เหมือนกันทุกประการ

ไดโอดอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์ถูกไบแอสไปข้างหน้าโดยการจ่ายแรงดันไบแอสเบสบวกที่ต้องการผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแส RBสมมติว่าเป็นทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์มาตรฐาน แรงดันตกคร่อมเบส-อิมิตเตอร์ไปข้างหน้าจะเท่ากับ 0.7V ดังนั้นค่าของ R_B จึงเท่ากับ: (V_CC – V_BE)/I_B โดยที่ IB ถูกกำหนดให้เป็น I_C/ β

การจัดเรียงไบแอสแบบตัวต้านทานตัวเดียวนี้ทำให้แรงดันไบแอสและกระแสไบแอสไม่คงที่ระหว่างการทำงานของทรานซิสเตอร์ และอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมาก นอกจากนี้ อุณหภูมิการทำงานของทรานซิสเตอร์ยังส่งผลเสียต่อจุดทำงานอีกด้วย

การแสดงความคิดเห็นของนักสะสมที่มีอคติ

การกำหนดค่าป้อนกลับแบบไบแอสของคอลเลกเตอร์แบบปรับไบแอสเองนี้เป็นอีกหนึ่งวิธีการไบแอสแบบพึ่งพาเบต้า ซึ่งต้องใช้ตัวต้านทานสองตัวเพื่อให้ไบแอส DC ที่จำเป็นสำหรับทรานซิสเตอร์ การกำหนดค่าป้อนกลับแบบคอลเลกเตอร์ถึงเบสช่วยให้มั่นใจได้ว่าทรานซิสเตอร์จะถูกไบแอสในบริเวณแอคทีฟเสมอโดยไม่คำนึงถึงค่าเบต้า ( β ) แรงดันไบแอสฐาน DC คำนวณจากแรงดันคอลเลกเตอร์ V_Cจึงมีเสถียรภาพที่ดี

ในวงจรนี้ ตัวต้านทานไบอัสฐาน R_B จะเชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุ C ของทรานซิสเตอร์ แทนที่จะเชื่อมต่อกับรางจ่ายแรงดันไฟฟ้า Vcc เมื่อกระแสตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าตัวเก็บประจุจะลดลง ทำให้เบสไดรฟ์ลดลง ส่งผลให้กระแสตัวเก็บประจุลดลงโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาจุด Q ของทรานซิสเตอร์ให้คงที่ ดังนั้น วิธีการไบอัสป้อนกลับตัวเก็บประจุนี้จึงทำให้เกิดการป้อน กลับเชิงลบรอบทรานซิสเตอร์ เนื่องจากมีการป้อนกลับโดยตรงจากขั้วเอาต์พุตไปยังขั้วอินพุตผ่านตัวต้านทาน R_B

เนื่องจากแรงดันไบแอสเกิดจากแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานโหลด RLหากกระแสโหลดเพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อม R_L จะสูงขึ้น และแรงดันคอลเลกเตอร์ V_C จะลดลงตามไปด้วย ผลกระทบนี้จะทำให้กระแสเบส I_Bลดลงตามไปด้วย  ซึ่งส่งผลให้ I_C กลับสู่สภาวะปกติ

ปฏิกิริยาตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นเช่นกันเมื่อกระแสคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์ลดลง ดังนั้นวิธีการไบแอสนี้จึงเรียกว่าไบแอสตัวเอง โดยที่เสถียรภาพของทรานซิสเตอร์ที่ใช้เครือข่ายไบแอสป้อนกลับประเภทนี้โดยทั่วไปแล้วจะเหมาะกับการออกแบบเครื่องขยายเสียงส่วนใหญ่

ไบแอสทรานซิสเตอร์ป้อนกลับแบบคู่

การเพิ่มตัวต้านทานเพิ่มเติมในเครือข่ายไบอัสฐานของการกำหนดค่าก่อนหน้านี้จะปรับปรุงเสถียรภาพให้ดียิ่งขึ้นเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของเบต้า ( β ) โดยการเพิ่มกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานไบอัสฐาน

โดยทั่วไป กระแสที่ไหลผ่าน R_B1 จะถูกตั้งค่าไว้ที่ประมาณ 10% ของกระแสคอลเลกเตอร์ ( I_C ) เห็นได้ชัดว่ากระแสนี้จะต้องมากกว่ากระแสฐานที่จำเป็นสำหรับค่าเบต้าต่ำสุด ( β ) ด้วย

ข้อดีอย่างหนึ่งของการกำหนดค่าไบแอสแบบอัตโนมัติประเภทนี้คือ ตัวต้านทานสองตัวจะให้ทั้งไบแอสอัตโนมัติและ ข้อเสนอแนะ Rƒ ในเวลาเดียวกัน

การกำหนดค่าการตอบรับของตัวปล่อย

การกำหนดค่าไบแอสทรานซิสเตอร์แบบนี้ มักเรียกว่าไบแอสแบบอิมิตเตอร์เอง (self-emitter biasing) ใช้ทั้งอิมิตเตอร์และเบส-คอลเลกเตอร์ป้อนกลับเพื่อรักษาเสถียรภาพของกระแสคอลเลกเตอร์ให้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากตัวต้านทาน R_B1 และ R_E รวมถึงจุดเชื่อมต่อเบส-อิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับแรงดันไฟฟ้า V_CCได้ อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อเสียของการกำหนดค่าป้อนกลับของตัวปล่อยสัญญาณแบบนี้คือจะลดค่าเกนเอาต์พุตเนื่องจากการเชื่อมต่อตัวต้านทานฐาน แรงดันคอลเลกเตอร์เป็นตัวกำหนดกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานป้อนกลับ RB1 ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "ป้อนกลับแบบเสื่อม"

กระแสที่ไหลจากตัวปล่อย I_E (ซึ่งเป็นการรวมกันของ I_C + I_B ) ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม RE ในทิศทางที่ทำให้เกิดการกลับทิศทางระหว่างจุดเชื่อมต่อฐาน-ตัวปล่อย

ดังนั้น หากกระแสตัวปล่อยเพิ่มขึ้น เนื่องจากกระแสคอลเลกเตอร์เพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อม I*R_E จะเพิ่มขึ้นด้วย เนื่องจากขั้วของแรงดันนี้ทำให้เกิดไบอัสย้อนกลับที่รอยต่อเบส-ตัวปล่อย IB จะลดลงโดยอัตโนมัติ ดังนั้น กระแสตัวปล่อยจะเพิ่มขึ้นน้อยกว่าที่ควรจะเป็นหากไม่มีตัวต้านทานไบอัสในตัว

โดยทั่วไปค่าตัวต้านทานจะถูกตั้งไว้เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานตัวปล่อย R_E อยู่ที่ประมาณ 10% ของ V_CC และกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R_B1 อยู่ที่ 10% ของกระแสคอลเลก เตอร์IC

ดังนั้นการกำหนดค่าไบอัสทรานซิสเตอร์ประเภทนี้จึงทำงานได้ดีที่สุดที่แรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายไฟที่ค่อนข้างต่ำ

ตัวแบ่งแรงดันทรานซิสเตอร์แบบไบอัส

ในที่นี้ การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์แบบคอมมอนอิมิตเตอร์จะถูกไบแอสโดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันเพื่อเพิ่มเสถียรภาพ ชื่อของการกำหนดค่าไบแอสนี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าตัวต้านทานสองตัว RB1 และ RB2 จะสร้างเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันหรือศักย์ไฟฟ้าข้ามแหล่งจ่าย โดยมีจุดเชื่อมต่อจุดศูนย์กลางเชื่อมต่อกับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ดังที่แสดง

การกำหนดค่าไบแอสแบบแบ่งแรงดันนี้เป็นวิธีไบแอสทรานซิสเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ไดโอดอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์ถูกไบแอสไปข้างหน้าโดยค่าแรงดันที่เกิดขึ้นคร่อมตัวต้านทาน RB2นอกจากนี้ ไบแอสเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันยังทำให้วงจรทรานซิสเตอร์ไม่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของค่าเบต้า เนื่องจากแรงดันไบแอสที่ตั้งไว้ที่ขั้วฐาน ขั้วอิมิตเตอร์ และขั้วคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับค่าวงจรภายนอก

ในการคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างตัวต้านทาน R_B2 และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วฐาน เราเพียงใช้สูตรตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับตัวต้านทานแบบอนุกรม

โดยทั่วไป แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน R_B2 จะน้อยกว่าตัวต้านทาน R_B1 มาก เห็นได้ชัดว่าแรงดันฐาน V_B ของทรานซิสเตอร์ เทียบกับกราวด์ จะเท่ากับแรงดันตก คร่อมR_B2

ปริมาณกระแสไบแอสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R_B2 โดยทั่วไปจะถูกตั้งไว้ที่ 10 เท่าของค่ากระแสฐาน I_B ที่ต้องการ เพื่อให้มีค่าสูงเพียงพอที่จะไม่ส่งผลต่อกระแสตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงของเบตา

เป้าหมายของ การไบแอสทรานซิสเตอร์ (Transistor Biasing) คือการกำหนดจุดทำงานนิ่งที่ทราบค่า หรือจุด Q เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ไม่บิดเบือน การไบแอส DC ที่ถูกต้องของทรานซิสเตอร์ยังช่วยกำหนดขอบเขตการทำงาน AC เริ่มต้นด้วยวงจรไบแอสที่ใช้งานจริง โดยใช้เครือข่ายไบแอสตัวต้านทานสองตัวหรือสี่ตัว

ในวงจรทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ จุด Q จะแสดงด้วย ( V_EC, I_C ) สำหรับทรานซิสเตอร์ NPN หรือ ( V_EC, I_C ) สำหรับทรานซิสเตอร์ PNP โดยทั่วไปแล้ว ความเสถียรของเครือข่ายไบอัสเบสและจุด Q จะถูกประเมินโดยพิจารณากระแสคอลเลกเตอร์เป็นฟังก์ชันของทั้งเบตา ( β ) และอุณหภูมิ

ในบทความนี้ เราได้พิจารณาโครงร่าง "การไบอัสทรานซิสเตอร์" ที่แตกต่างกันห้าแบบโดยใช้เครือข่ายตัวต้านทาน อย่างไรก็ตาม เรายังสามารถไบอัสทรานซิสเตอร์โดยใช้ไดโอดซิลิคอน ไดโอดซีเนอร์ หรือเครือข่ายแอคทีฟ ซึ่งทั้งหมดเชื่อมต่อกับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ นอกจากนี้ เรายังไบอัสทรานซิสเตอร์จากแหล่งจ่ายไฟแรงดันคู่ได้อย่างถูกต้องหากต้องการ