วงจรทรานซิสเตอร์เป็นศูนย์กลางของเทคโนโลยีการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันแม้ว่าวงจรรวมจะถูกใช้สําหรับหลายวงจรในปัจจุบัน แต่การออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์พื้นฐานมักจําเป็นในหลากหลายพื้นที่

แม้ว่าการใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกส่วนกับทรานซิสเตอร์จะใช้ส่วนประกอบมากกว่า แต่ก็เป็นไปได้ที่จะปรับแต่งวงจรเพื่อให้มีฟังก์ชันการทํางานที่จําเป็นดังนั้นวงจรที่ใช้ทรานซิสเตอร์แบบแยกและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมสองสามชิ้นจึงเป็นหัวใจสําคัญของการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ซึ่งหมายความว่าการทําความเข้าใจการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์ยังคงมีความสําคัญ เนื่องจากไม่เพียงแต่ช่วยให้สามารถออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์พื้นฐานได้ แต่ยังให้ความเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับการทํางานของวงจรรวมที่ใช้เทคโนโลยีทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์

เห็นได้ชัดว่าส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สําคัญในวงจรทรานซิสเตอร์คือทรานซิสเตอร์เองชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้สามารถรับได้ในรูปแบบที่ไม่ต่อเนื่องหรืออาจอยู่ในวงจรรวม

ทรานซิสเตอร์ผลิตขึ้นในรูปแบบที่หลากหลายและสามารถรับได้เพื่อตอบสนองบทบาทที่หลากหลายตั้งแต่สัญญาณขนาดเล็กไปจนถึงกําลังสูง และเสียงไปจนถึง RF และการสลับ

พวกเขายังมาเป็นทรานซิสเตอร์ PNP และทรานซิสเตอร์ NPN - ของทรานซิสเตอร์ NPN เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีแนวโน้มที่จะพอดีกับระบบกราวด์เชิงลบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและประสิทธิภาพของพวกเขายังดีกว่าในแง่ของความเร็ว

แม้ว่าทรานซิสเตอร์ NPN จะใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่ใช้ทรานซิสเตอร์ PNP พวกเขามักจะพบแอปพลิเคชันที่เสริมทรานซิสเตอร์ NPN และวงจรอื่นๆ อีกสองสามตัว

หมายเหตุเกี่ยวกับอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์:

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นอุปกรณ์เทอร์มินัลสามตัวที่ให้อัตราขยายกระแสโดยที่กระแสสะสมเท่ากับ Β เท่าของกระแสฐานทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มีจําหน่ายอย่างแพร่หลายและประสิทธิภาพจะปรับให้เหมาะสมเป็นเวลาหลายปี

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์มีจําหน่ายมานานกว่าเจ็ดสิบปี - เทคโนโลยีของมันได้รับการยอมรับเป็นอย่างดีและแม้ว่าเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามอาจใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรรวม แต่ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ยังคงใช้ในปริมาณมากในวงจรอนาล็อกและดิจิตอลต่างๆทั้งภายในวงจรรวมและเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกส่วน

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกในปี 1949 โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ที่ทํางานที่ Bell Labs ในสหรัฐอเมริกาการค้นพบทําให้การอ่านน่าสนใจ

หมายเหตุเกี่ยวกับประวัติทรานซิสเตอร์:

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ถูกคิดค้นโดยนักวิจัยสามคนที่ทํางานที่ Bell Labroratories: John Bardeen, Walter Brattain และ William Schockley พวกเขากําลังทํางานเกี่ยวกับแนวคิดที่ใช้เอฟเฟกต์สนามเพื่อควบคุมกระแสในเซมิคอนดักเตอร์ แต่พวกเขาไม่สามารถทําให้แนวคิดนี้ได้ผลพวกเขาหันมาให้ความสําคัญกับความเป็นไปได้อื่นและสร้างอุปกรณ์เทอร์มินัลสามตัวโดยใช้หน้าสัมผัสจุดที่เว้นระยะห่างกันสองจุดบนเวเฟอร์เจอร์เมเนียมแนวคิดนี้ได้ผลและพวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่ามันให้ผลกําไรในช่วงปลายปี 1949

พารามิเตอร์การออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์

ก่อนที่จะเริ่มการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์สําหรับวงจรทรานซิสเตอร์จําเป็นต้องกําหนดข้อกําหนดสําหรับวงจร: พารามิเตอร์หลักบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับวงจรทรานซิสเตอร์

อาจมีพารามิเตอร์หลายตัวที่จําเป็นในข้อกําหนดสําหรับการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์:

• อัตราขยายแรงดันไฟฟ้า:   อัตราขยายแรงดันไฟฟ้ามักเป็นข้อกําหนดหลักสําหรับการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์อัตราขยายแรงดันไฟฟ้าของวงจรคือการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าจากอินพุตไปยังเอาต์พุตของวงจรในแง่ของคณิตศาสตร์ อัตราขยายแรงดันไฟฟ้า A _v คือแรงดันขาออกหารด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้า
• อัตราขยายแรงดันไฟฟ้าเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของวงจรจํานวนมาก เนื่องจากช่วยให้ "ขนาด"
• อัตราขยายปัจจุบัน:   อัตราขยายกระแสของวงจรมักมีความสําคัญในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวงจรขับเคลื่อนโหลดอิมพีแดนซ์ต่ําบ่อยครั้งที่วงจรที่ไม่มีแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและจําเป็นต้องใช้เฉพาะอัตราขยายกระแสเท่านั้นเพื่อเปิดใช้งานวงจรที่มีเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ค่อนข้างสูงเพื่อขับเคลื่อนวงจรอื่นที่มีอิมพีแดนซ์ต่ํากว่า
• มีตัวอย่างมากมายเกี่ยวกับเรื่องนี้: ออสซิลเลเตอร์ RF มักต้องการขั้นตอนบัฟเฟอร์เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรออสซิลเลเตอร์เองไม่ได้โหลดมากเกินไป แต่จําเป็นต้องมีเอาต์พุตเพื่อขับเคลื่อนวงจรอื่นอัตราขยายปัจจุบันยังใช้ในวงจรจ่ายไฟที่องค์ประกอบอนุกรมผ่านของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจําเป็นต้องให้กระแสไฟฟ้าในระดับที่มีนัยสําคัญ แต่ใช้การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้ากระแสต่ํามีตัวอย่างอื่น ๆ อีกมากมายที่ต้องการอัตราขยายปัจจุบัน
• เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้า gan อัตราขยายปัจจุบันของวงจรจะเปรียบเทียบระดับอินพุตและเอาต์พุต แต่ในแง่ของกระแสอัตราขยายปัจจุบันเท่ากับกระแสไฟขาออกหารด้วยกระแสไฟเข้า
• อิมพีแดนซ์อินพุต:   อิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรทรานซิสเตอร์มีความสําคัญเสมอกําหนดการโหลดในขั้นตอนก่อนหน้า และยังมีความสําคัญในวงจร RF ที่การจับคู่อิมพีแดนซ์เป็นพารามิเตอร์ที่สําคัญ
• ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์จํานวนมากอิมพีแดนซ์อินพุตสูงเป็นที่พึงปรารถนาเพราะหมายความว่าขั้นตอนก่อนหน้าไม่ได้โหลดมากเกินไปหากอิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรทรานซิสเตอร์ต่ําเกินไปจะโหลดอิมพีแดนซ์ก่อนหน้าลดระดับสัญญาณและอาจทําให้เกิดการบิดเบือนในบางกรณีการกําหนดค่าขั้นตอนทรานซิสเตอร์เพื่อให้อิมพีแดนซ์อินพุตที่เหมาะสมเป็นองค์ประกอบสําคัญของกระบวนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์
• อิมพีแดนซ์เอาต์พุต:อิมพีแดนซ์เอาต์พุตก็มีความสําคัญเช่นกันหากวงจรทรานซิสเตอร์ขับเคลื่อนวงจรอิมพีแดนซ์ต่ําเอาต์พุตจะต้องมีอิมพีแดนซ์ต่ํามิฉะนั้นแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมมากจะเกิดขึ้นในขั้นตอนเอาต์พุตทรานซิสเตอร์และในบางกรณีอาจเกิดการบิดเบือนของสัญญาณได้
• หากอิมพีแดนซ์โหลดต่ําโดยทั่วไปจําเป็นต้องใช้วงจรที่มีอัตราขยายกระแสสูงและสามารถเลือกรูปแบบวงจรที่เหมาะสมได้ในระหว่างกระบวนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์หากอนุญาตให้มีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่สูงขึ้นวงจรที่มีอัตราขยายแรงดันไฟฟ้าสูงกว่ามักจะเหมาะสมกว่า
• การตอบสนองความถี่:การตอบสนองความถี่เป็นอีกปัจจัยสําคัญที่จะส่งผลต่อการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์การออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์ความถี่ต่ําหรือเสียงนั้นแตกต่างจากที่ใช้สําหรับการใช้งาน RF มากนอกจากนี้การเลือกชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายในวงจรยังควบคุมการตอบสนอง: ทรานซิสเตอร์ตลอดจนค่าตัวเก็บประจุและตัวต้านทานในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ล้วนส่งผลต่อการตอบสนองความถี่
• ในช่วงแรกของการออกแบบวงจรจําเป็นต้องมีข้อกําหนดที่กําหนดไว้สําหรับการตอบสนองความถี่ที่จําเป็นจากนั้นจึงสามารถออกแบบวงจรได้ตามความต้องการ
• แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟ:   หนึ่งในพารามิเตอร์หลักสําหรับวงจรใดๆ คือความต้องการพลังงานในแง่ของแรงดันและกระแสที่ต้องการด้วยวิธีนี้ จึงมั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมนั้นมีความสามารถในปัจจุบันที่จําเป็นในขั้นตอนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์
• การกระจายพลังงาน:พารามิเตอร์อื่นที่เป็นพันธมิตรกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสที่จ่ายให้กับวงจรคือพลังงานที่กระจายไปหากการกระจายพลังงานสูงอาจต้องมีการเตรียมการเพื่อระบายความร้อนและโดยทั่วไปจะขจัดความร้อนออกจากวงจรและโดยเฉพาะอย่างยิ่งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ ที่อาจกระจายความร้อนจํานวนมากโดยทั่วไปแล้วนี่จะเป็นทรานซิสเตอร์ แต่ส่วนประกอบอื่น ๆ ก็อาจกระจายความร้อนได้เช่นกัน

ฟังก์ชั่นวงจรทรานซิสเตอร์

มีฟังก์ชั่นต่าง ๆ มากมายที่วงจรทรานซิสเตอร์สามารถทําได้โดยปกติจะมีบล็อกมาตรฐานสําหรับฟังก์ชันทั่วไปเช่นแอมพลิฟายเออร์ออสซิลเลเตอร์ตัวกรองแหล่งกระแสแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลและอื่น ๆ อีกมากมาย

รูปแบบวงจรมาตรฐานเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายและสามารถนํามาใช้ได้ และค่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะถูกกําหนดในระหว่างกระบวนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

วงจรมักจะเป็นไปตามวงจรที่ได้รับการพิสูจน์แล้วซึ่งใช้มาหลายปีวงจรเหล่านี้มักใช้กับท่อสุญญากาศแบบเก่าหรือเทคโนโลยีวาล์วเทอร์มิออนิก และทํางานได้ดีพอๆ กันกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ตลอดจนทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม FET และบางครั้งแม้แต่แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้

รูปแบบพื้นฐานถูกนํามาใช้และกําหนดค่าสําหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้ประสิทธิภาพที่ต้องการบ่อยครั้งที่สิ่งนี้ต้องมีการทดลองเล็กน้อย แต่ในปัจจุบันซอฟต์แวร์จําลองวงจรสามารถจําลองการทํางานสําหรับวงจรได้อย่างแม่นยําเพื่อให้ค่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์สามารถปรับให้เหมาะสมสําหรับประสิทธิภาพและการทํางานที่ต้องการ

การกําหนดค่าวงจรทรานซิสเตอร์หรือโทโพโลยี

ไม่ว่าหน้าที่โดยรวมของวงจรจะเป็นอย่างไรก็ตามจําเป็นต้องพิจารณาโทโพโลยีที่จุดเริ่มต้นของกระบวนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

วงจรทรานซิสเตอร์สามารถออกแบบได้โดยใช้โทโพโลยีที่แตกต่างกันโดยแต่ละวงจรมีลักษณะที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุต

โทโพโลยีของการกําหนดค่าเหล่านี้ถูกเลือกตามข้อกําหนดการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และรวมถึงตัวปล่อยทั่วไป ตัวสะสมทั่วไปหรือตัวติดตามตัวปล่อย และฐานทั่วไป

กระบวนการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์

กระบวนการออกแบบทรานซิสเตอร์มีหลายขั้นตอนโดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะดําเนินการตามลําดับตรรกะ แต่มักจะมีการทบทวนขั้นตอนต่างๆ เพื่อปรับค่าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ให้เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพโดยรวมที่ต้องการ

• กําหนดข้อกําหนด:การกําหนดข้อกําหนดที่แท้จริงเป็นขั้นตอนสําคัญและการทําให้ถูกต้องหมายความว่าแนวคิดของวงจรจะไม่เปลี่ยนแปลงในภายหลัง
• กําหนดฟังก์ชันวงจรและโทโพโลยี:   เมื่อข้อกําหนดโดยรวมได้รับการตัดสินสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แล้วจําเป็นต้องตัดสินใจเกี่ยวกับวงจรทรานซิสเตอร์จริงตัวอย่างเช่นมีวงจรออสซิลเลเตอร์ตัวกรองแอมพลิฟายเออร์ ฯลฯ จํานวนมากสําหรับทรานซิสเตอร์และสามารถเลือกประเภทที่เหมาะสมที่สุดสําหรับความต้องการเฉพาะได้สิ่งนี้มักจะกําหนดโทโพโลยีของวงจรจริงเช่นการใช้ตัวปล่อยทั่วไปตัวสะสมทั่วไปฐานทั่วไป แต่ถ้าไม่เช่นนั้นสิ่งนี้สามารถเป็นส่วนหนึ่งของการตัดสินใจโดยรวมได้ในขณะนี้เนื่องจากการโหลดออสซิลเลเตอร์เกนอิมพีแดนซ์เอาต์พุตและสิ่งที่คล้ายกันสามารถพิจารณาได้ในขณะนี้
• ตั้งค่าเงื่อนไขอคติ:   ในวงจรใด ๆ คุณสมบัติหลักประการหนึ่งของการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์คือเพื่อให้แน่ใจว่าระดับอคติสําหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่: ในกรณีนี้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ได้รับการตั้งค่าอย่างถูกต้องหากอคติไม่ถูกต้องวงจรทรานซิสเตอร์จะไม่ทํางานการกําหนดค่าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (ส่วนใหญ่เป็นตัวต้านทาน) ที่กําหนดอคติเป็นหนึ่งในขั้นตอนสําคัญในการออกแบบ
• กําหนดค่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้:นอกเหนือจากการตั้งค่าเงื่อนไขอคติแล้วยังต้องกําหนดค่าสําหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เพื่อให้การทํางานของวงจรกระบวนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ส่วนนี้ดําเนินการควบคู่ไปกับการตั้งค่าเงื่อนไขอคติเนื่องจากค่าสําหรับค่าหนึ่งจะส่งผลต่ออีกค่าหนึ่งและในทางกลับกัน
• ทบทวนค่าส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์สําหรับอคติและฟังก์ชัน:เมื่อตั้งค่าวงจรแล้ว จําเป็นต้องมีการทําซ้ําเล็กน้อยเสมอเพื่อปรับสมดุลข้อกําหนดสําหรับอคติและฟังก์ชันการทํางานโดยรวมของวงจรมีแนวโน้มที่จะมีการทําซ้ําในกระบวนการนี้
• วงจรทดสอบ:การทดสอบวงจรเป็นองค์ประกอบสําคัญของการออกแบบใดๆบ่อยครั้งที่ห้องปฏิบัติการหลายแห่งจะมีซอฟต์แวร์จําลองวงจรดังนั้นจึงสามารถจําลองวงจรได้ก่อนที่จะสร้างขึ้นเพื่อขจัดปัญหาส่วนใหญ่อย่างไรก็ตามการทดสอบขั้นสุดท้ายคือการสร้างและเรียกใช้วงจรภายใต้สภาวะที่ใกล้เคียงกับสภาพการทํางานมากที่สุด
• ทําซ้ําและแก้ไข:บ่อยครั้งที่จําเป็นต้องปรับเปลี่ยนวงจรอิเล็กทรอนิกส์หากจําเป็นให้ทําใหม่และทดสอบด้วยค่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใหม่เค้าโครง ฯลฯ

สิ่งเหล่านี้แสดงถึงพารามิเตอร์วงจรหลักบางส่วนที่จําเป็นสําหรับการออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์การรู้พารามิเตอร์เหล่านี้สามารถควบคุมการเลือกการกําหนดค่าวงจรได้และจะควบคุมการกําหนดค่าส่วนประกอบและปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายอย่างแน่นอน

ดังนั้นจึงจําเป็นต้องทราบพารามิเตอร์ที่ควบคุมการทํางานของวงจรทรานซิสเตอร์ก่อนจึงจะสามารถเริ่มการออกแบบได้