การไบแอสทรานซิสเตอร์คือการจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงไปยังฐานของทรานซิสเตอร์แบบ BJT หรือเกตของทรานซิสเตอร์แบบ FET เพื่อสร้างจุดการทำงานเฉพาะบนเส้นโหลดกระแสตรงและภายในช่วงการทำงาน เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณอินพุตได้รับการขยายอย่างสมบูรณ์

การทำงานในสภาวะคงที่ของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ขึ้นอยู่กับค่ากระแสเบส แรงดันคอลเลคเตอร์ และกระแสคอลเลคเตอร์เป็นอย่างมาก ดังนั้น หากต้องการให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้อย่างถูกต้องในฐานะตัวขยายสัญญาณเชิงเส้น จะต้องมีการไบแอสทรานซิสเตอร์อย่างเหมาะสมรอบจุดทำงาน เพราะการไบแอสทรานซิสเตอร์ที่ไม่เหมาะสมจะส่งผลให้สัญญาณเอาต์พุตผิดเพี้ยน

การกำหนดจุดการทำงานที่ถูกต้องนั้น จำเป็นต้องเลือกตัวต้านทานไบแอสและตัวต้านทานโหลดเพื่อให้ได้กระแสอินพุตและแรงดันคอลเลคเตอร์ที่เหมาะสม พร้อมกับแหล่งจ่ายไฟ DC

การไบแอสของทรานซิสเตอร์แบบ BJT คืออะไร?

จุดไบแอสที่ถูกต้องสำหรับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ไม่ว่าจะเป็น NPN หรือ PNP โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างสองขั้วการทำงาน คือ "เปิดเต็มที่" หรือ "ปิดเต็มที่" ตามเส้นโหลด DC จุดการทำงานตรงกลางนี้เรียกว่า "จุดการทำงานสงบ" หรือเรียกสั้น ๆ ว่าจุด Q

เมื่อทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ได้รับการไบแอสจนกระทั่งจุด Q อยู่ใกล้กึ่งกลางของช่วงการทำงานของเส้นโหลดกระแสตรง ซึ่งก็คือประมาณครึ่งทางระหว่างจุดตัดและจุดอิ่มตัว จะกล่าวได้ว่าทรานซิสเตอร์นั้นทำงานในโหมดแอมพลิฟายเออร์คลาส A

โหมดการทำงานนี้ช่วยให้แรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นและลดลงรอบจุด Q ของแอมพลิฟายเออร์โดยไม่เกิดการบิดเบือนขณะที่สัญญาณอินพุตแกว่งผ่านหนึ่งรอบสมบูรณ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เอาต์พุตพร้อมใช้งานตลอด 360 องศาของรอบอินพุต

เราจะไบแอสทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร

แล้วเราจะตั้งค่าไบแอส Q-point ของทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร? การตั้งค่าไบแอสที่ถูกต้องของทรานซิสเตอร์นั้นทำได้โดยใช้กระบวนการที่รู้จักกันทั่วไปว่าการไบแอสฐาน (Base Biasing)

แต่ก่อนที่เราจะเริ่มพิจารณาการจัดเรียงไบแอสทรานซิสเตอร์แบบต่างๆ ที่เป็นไปได้ เรามาทบทวนวงจรทรานซิสเตอร์เดี่ยวพื้นฐานพร้อมแรงดันและกระแสต่างๆ ดังแสดงในวงจรทรานซิสเตอร์ NPN แบบขั้นเดียวทางด้านซ้ายกันก่อน

หน้าที่ของ "ระดับการไบแอส DC" ใดๆ ก็คือการตั้งค่าจุด Q ของทรานซิสเตอร์ให้ถูกต้องตามเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของมัน ซึ่งทำได้โดยการตั้งค่ากระแสคอลเลคเตอร์ (IC) ให้มีค่าคงที่และเสถียร โดยไม่ต้องใช้สัญญาณอินพุตภายนอกใดๆ กับขั้วเบสของทรานซิสเตอร์

จุดการทำงานคงที่หรือจุดการทำงานกระแสตรง (DC) นี้ถูกกำหนดโดยค่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (VCC) ของวงจร และค่าของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบตัวต้านทานและ/หรือตัวต้านทานที่ขาอีมิเตอร์ซึ่งเชื่อมต่อกับวงจรทรานซิสเตอร์

เนื่องจากกระแสไบแอสฐานของทรานซิสเตอร์เป็นกระแสตรงคงที่ การใช้ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งและบายพาสอย่างเหมาะสมจะช่วยป้องกันกระแสที่ไม่พึงประสงค์จากวงจรทรานซิสเตอร์อื่นๆ ที่อาจส่งผลกระทบต่อสภาวะไบแอสของวงจรถัดไปได้

วงจรไบแอสฐานมักใช้สำหรับวงจรขยายสัญญาณแบบคอมมอน-เบส (CB) วงจรขยายสัญญาณแบบคอมมอน-คอลเลคเตอร์ (CC) รวมถึงวงจรขยายสัญญาณแบบคอมมอน-อีมิเตอร์ (CE) ทั่วไปด้วย

ในบทเรียนการไบแอสทรานซิสเตอร์แบบง่ายนี้ เราจะมาดูการจัดเรียงการไบแอสแบบต่างๆ ที่มีให้สำหรับวงจรขยายสัญญาณแบบ Common Emitter เนื่องจากเป็นรูปแบบทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ที่ใช้กันทั่วไปและเข้าใจง่ายที่สุด

การไบแอสทรานซิสเตอร์แบบ Common Emitter

หนึ่งในวงจรไบแอสที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับวงจรทรานซิสเตอร์คือวงจรไบแอสแบบ self-biasing ที่ขาอีมิเตอร์ โดยใช้ตัวต้านทานไบแอสค่าคงที่หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเพื่อกำหนดค่ากระแสตรงเริ่มต้นสำหรับกระแสทรานซิสเตอร์ทั้งสามกระแส ได้แก่ IB, IC และ IE

รูปแบบการไบแอสทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ที่พบได้บ่อยที่สุดสองแบบคือแบบขึ้นอยู่กับค่าเบต้าและแบบไม่ขึ้นอยู่กับค่าเบต้า เนื่องจากแรงดันไบแอสของทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่าเบต้า (β) ของมัน

โปรดจำไว้ว่าค่าเบต้าเกี่ยวข้องกับอัตราขยายกระแสตรงของทรานซิสเตอร์ ซึ่งกำหนดอัตราส่วนของกระแสคอลเลคเตอร์ (IC) ต่อกระแสเบส (IB) ดังนั้น เนื่องจากเป็นอัตราส่วนของกระแสสองกระแส (IC/IB = A/A) จึงไม่มีหน่วยโดยตรง ค่าเบต้าไม่คงที่ในทรานซิสเตอร์ทุกตัว แต่จะแตกต่างกันไปตามกระบวนการผลิต

ดังนั้น จึงเห็นได้ชัดว่า ค่าเบต้าที่สูงขึ้นสำหรับทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง หมายความว่ามันต้องการกระแสขับที่ฐานน้อยลงเพื่อสร้างกระแสคอลเลคเตอร์ในปริมาณที่กำหนด ทำให้มันมีความไวมากขึ้น นอกจากนี้ โปรดทราบว่า การตั้งค่าไบแอสสำหรับทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่ง (เช่น BC107) อาจไม่จำเป็นต้องเหมือนกันสำหรับทรานซิสเตอร์ BC107 ตัวอื่น เนื่องจากค่าเบต้าของพวกมันอาจแตกต่างกันเล็กน้อย

ประเภทของการกำหนดค่าไบแอสทรานซิสเตอร์แบบ Common Emitter

การไบแอสทรานซิสเตอร์สามารถทำได้โดยใช้ตัวต้านทานป้อนกลับตัวเดียว หรือโดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันอย่างง่ายเพื่อให้ได้แรงดันไบแอสที่ต้องการ ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างห้าแบบของการไบแอสฐานทรานซิสเตอร์จากแหล่งจ่ายแรงดันเดียว VCC

การไบแอสฐานคงที่ของทรานซิสเตอร์

วงจรที่แสดงในภาพเรียกว่า “วงจรไบแอสฐานคงที่” เนื่องจากกระแสฐานของทรานซิสเตอร์ IB จะคงที่สำหรับค่า VCC ที่กำหนด ดังนั้นจุดทำงานของทรานซิสเตอร์จึงต้องคงที่เช่นกัน เครือข่ายไบแอสตัวต้านทานสองตัวนี้ใช้เพื่อกำหนดช่วงการทำงานเริ่มต้นของทรานซิสเตอร์โดยใช้กระแสไบแอสคงที่

การจัดเรียงการไบแอสฐานคงที่นี้ยังขึ้นอยู่กับค่าเบต้าด้วย เนื่องจากสภาวะการทำงานคงที่นั้นเป็นฟังก์ชันของค่าเบต้าของทรานซิสเตอร์ ดังนั้นจุดไบแอสจะแตกต่างกันไปในช่วงกว้างสำหรับทรานซิสเตอร์ชนิดเดียวกัน เนื่องจากคุณลักษณะทางไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะแตกต่างกัน

ในที่นี้ รอยต่อ PN ระหว่างฐานและอีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์จะได้รับไบแอสไปข้างหน้าโดยการจ่ายแรงดันไบแอสฐานที่เป็นบวกตามที่ต้องการผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแส RB โดยสมมติว่าเป็นทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มาตรฐาน แรงดันตกคร่อมระหว่างฐานและอีมิเตอร์ในทิศทางไปข้างหน้าจะมีค่าประมาณ 0.7 V

จากนั้นค่าของ RB จะคำนวณได้ง่ายๆ ดังนี้:

RB = (VCC − VBE) / IB

โดยที่ IB ถูกกำหนดให้เป็น IC / β

ด้วยการจัดเรียงไบแอสแบบตัวต้านทานเดี่ยวเช่นนี้ แรงดันและกระแสไบแอสจะไม่คงที่ในระหว่างการทำงานของทรานซิสเตอร์ แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก นอกจากนี้ อุณหภูมิในการทำงานของทรานซิสเตอร์ยังอาจส่งผลเสียต่อจุดทำงาน (Q-point) ของมันได้อีกด้วย

การไบแอสทรานซิสเตอร์แบบป้อนกลับคอลเลคเตอร์

วงจรป้อนกลับแบบปรับไบแอสเองนี้เป็นอีกวิธีหนึ่งในการปรับไบแอสโดยขึ้นอยู่กับค่าเบต้า ซึ่งต้องใช้ตัวต้านทานสองตัวเพื่อให้ไบแอส DC ที่จำเป็นสำหรับทรานซิสเตอร์ระหว่างขั้วคอลเลคเตอร์และเบส

ในการจัดเรียงไบแอสแบบนี้ ตัวต้านทานไบแอสฐาน RB จะเชื่อมต่อกับขั้วคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ แทนที่จะเชื่อมต่อกับรางแรงดันไฟเลี้ยง VCC

การต่อวงจรแบบป้อนกลับจากคอลเลคเตอร์ไปยังฐานช่วยให้มั่นใจได้ว่าทรานซิสเตอร์จะได้รับไบแอสในย่านการทำงานเสมอ โดยไม่คำนึงถึงค่าเบต้า (β) แรงดันไบแอสฐานกระแสตรงได้มาจากแรงดันคอลเลคเตอร์ VC จึงทำให้จุดทำงาน (Q-point) มีเสถียรภาพที่ดีต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

การไบแอสแบบป้อนกลับจากคอลเลคเตอร์นี้ทำงานอย่างไร?

เมื่อต่อตัวต้านทานป้อนกลับระหว่างคอลเลคเตอร์และเบส หากกระแสคอลเลคเตอร์เพิ่มขึ้น แรงดันคอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์ (VCE) จะลดลง ทำให้แรงดันขับเบสลดลง และส่งผลให้กระแสคอลเลคเตอร์ลดลงโดยอัตโนมัติ เพื่อรักษาระดับ Q-point ของทรานซิสเตอร์ให้คงที่

ดังนั้น วิธีการไบแอสแบบป้อนกลับจากคอลเลคเตอร์นี้จึงสร้างรูปแบบของการป้อนกลับเชิงลบขึ้นรอบๆ ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากขณะนี้มีวงจรป้อนกลับโดยตรงจากขั้วเอาต์พุตของคอลเลคเตอร์ไปยังขั้วอินพุตของฐานผ่านตัวต้านทานป้อนกลับ RB ซึ่งทำให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในช่วงการทำงานปกติ

เนื่องจากแรงดันไบแอสได้มาจากแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานโหลด RL ดังนั้นหากกระแสโหลดเพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อม RL ก็จะมากขึ้น และแรงดันคอลเลคเตอร์ VC ก็จะลดลงตามไปด้วย

ผลกระทบนี้จะทำให้กระแสฐาน IB ลดลงตามไปด้วย ซึ่งจะทำให้ IC กลับสู่ระดับปกติ ปฏิกิริยาตรงกันข้ามก็เกิดขึ้นเช่นกันเมื่อกระแสคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ลดลง

การไบแอสแบบป้อนกลับจากคอลเลคเตอร์เป็นวิธีการไบแอสตัวเองที่ง่ายและประหยัดต้นทุน โดยทั่วไปแล้วความเสถียรของทรานซิสเตอร์เมื่อใช้เครือข่ายไบแอสแบบป้อนกลับประเภทนี้จะดีสำหรับงานออกแบบวงจรขยายสัญญาณส่วนใหญ่ แต่จะลดอัตราขยายแรงดันของทรานซิสเตอร์ลงเนื่องจากการป้อนกลับเชิงลบ

การไบแอสทรานซิสเตอร์แบบป้อนกลับคู่

การเพิ่มตัวต้านทานอีกตัวเข้าไปในวงจรไบแอสฐานของการกำหนดค่าก่อนหน้านี้ จะช่วยปรับปรุงเสถียรภาพของจุด Q ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของค่าเบต้า (β) และอุณหภูมิ โดยการเพิ่มกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานไบแอสฐาน

โดยทั่วไป กระแสที่ไหลผ่าน RB1 จะถูกตั้งค่าไว้ที่ค่าประมาณ 10% ของกระแสคอลเลคเตอร์ IC และแน่นอนว่ามันจะต้องมากกว่ากระแสเบสที่จำเป็นสำหรับค่าเบต้าต่ำสุด β ด้วย

ข้อดีอย่างหนึ่งของการกำหนดค่าไบแอสอัตโนมัติแบบนี้คือ ตัวต้านทานทั้งสองตัวให้ทั้งไบแอสอัตโนมัติและฟีดแบ็ก RF ในเวลาเดียวกัน

การกำหนดค่าการป้อนกลับจากอีมิเตอร์

ในการต่อวงจรแบบ Emitter Feedback Biasing ซึ่งบางครั้งเรียกว่า “self-emitter biasing” จะมีการเพิ่มตัวต้านทานระหว่างขั้วอีมิเตอร์และกราวด์ ซึ่งเมื่อรวมกับตัวต้านทานป้อนกลับระหว่างฐานและคอลเลคเตอร์ จะช่วยรักษาเสถียรภาพของกระแสคอลเลคเตอร์ได้ดียิ่งขึ้น

เนื่องจากตัวต้านทาน RB1 และ RE รวมถึงจุดเชื่อมต่อเบส-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ ล้วนต่ออนุกรมกับแรงดันไฟเลี้ยง VCC อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อเสียของวงจรป้อนกลับแบบอีมิเตอร์นี้คือ มันลดอัตราขยายเอาต์พุตลงเนื่องจากการต่อตัวต้านทานที่อีมิเตอร์ แรงดันที่คอลเลคเตอร์จะเป็นตัวกำหนดกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานป้อนกลับ RB1 ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “การป้อนกลับแบบลดทอน”

กระแสที่ไหลจากอีมิเตอร์ IE (ซึ่งเป็นผลรวมของ IC + IB) ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม RE ในทิศทางที่ทำให้รอยต่อฐาน-อีมิเตอร์เกิดการไบแอสย้อนกลับ

ดังนั้น หากกระแสที่อีมิเตอร์เพิ่มขึ้น เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของกระแสคอลเลคเตอร์ แรงดันตกคร่อม I × RE ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย เนื่องจากขั้วของแรงดันนี้ทำให้รอยต่อระหว่างฐานและอีมิเตอร์มีไบแอสย้อนกลับ กระแส IB จึงลดลงโดยอัตโนมัติ ดังนั้น กระแสที่อีมิเตอร์จึงเพิ่มขึ้นน้อยกว่าที่ควรจะเป็นหากไม่มีตัวต้านทานไบแอสตัวเอง

โดยทั่วไป ค่าความต้านทานจะถูกกำหนดเพื่อให้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานที่ขาอีมิเตอร์ RE มีค่าประมาณ 10% ของ VCC และกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน RB1 มีค่าประมาณ 10% ของกระแสที่ขาคอลเลคเตอร์ IC

ดังนั้น การจัดเรียงไบแอสทรานซิสเตอร์แบบนี้จึงทำงานได้ดีที่สุดที่แรงดันไฟเลี้ยงค่อนข้างต่ำ

การไบแอสทรานซิสเตอร์แบบแบ่งแรงดัน

ในวงจรทรานซิสเตอร์แบบอีมิเตอร์ร่วม (Common Emitter) นี้ จะใช้ตัวแบ่งแรงดัน (voltage divider network) ในการไบแอสเพื่อเพิ่มเสถียรภาพ ชื่อของวงจรไบแอสแบบนี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า ตัวต้านทานสองตัว RB1 และ RB2 ทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันหรือศักย์ไฟฟ้าคร่อมแหล่งจ่ายไฟ โดยจุดกึ่งกลางของตัวต้านทานทั้งสองเชื่อมต่อกับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ ดังแสดงในภาพ

วงจรไบแอสแบบแบ่งแรงดันนี้เป็นวิธีการไบแอสทรานซิสเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด รอยต่อเบส-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์จะได้รับไบแอสไปข้างหน้าด้วยค่าแรงดันที่เกิดขึ้นคร่อมตัวต้านทาน RB2

นอกจากนี้ การไบแอสด้วยวงจรแบ่งแรงดันยังทำให้วงจรทรานซิสเตอร์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของค่าเบต้าลดลง เนื่องจากแรงดันไบแอสที่ตั้งไว้ที่ขั้วฐาน ขั้วอีมิเตอร์ และขั้วคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ได้รับการกำหนดโดยวงจรแบ่งแรงดันและวงจรภายนอก

ในการคำนวณแรงดันที่เกิดขึ้นคร่อมตัวต้านทาน RB2 และแรงดันที่จ่ายให้กับขั้วฐาน เราเพียงแค่ใช้สูตรตัวแบ่งแรงดันสำหรับตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกัน

โดยทั่วไป แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน RB2 จะน้อยกว่าแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน RB1 มาก เห็นได้ชัดว่าแรงดันฐานของทรานซิสเตอร์ VB เมื่อเทียบกับกราวด์ จะเท่ากับแรงดันตกคร่อม RB2

โดยทั่วไป ปริมาณกระแสไบแอสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน RB2 จะถูกตั้งค่าไว้ที่ 10 เท่าของค่ากระแสเบสที่ต้องการ IB เพื่อให้มีค่าสูงเพียงพอที่จะไม่มีผลกระทบต่อกระแสตัวแบ่งแรงดันหรือการเปลี่ยนแปลงในค่าเบต้า

สรุปบทเรียนเกี่ยวกับการไบแอสทรานซิสเตอร์

เป้าหมายของการไบแอสทรานซิสเตอร์คือการปรับปรุงเสถียรภาพโดยการสร้างจุดทำงานสงบ (Q-point) ที่ทราบค่าตามเส้นโหลดกระแสตรง ทำให้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ไม่บิดเบือน

ความเสถียรนี้สามารถทำได้ด้วยวิธีการต่างๆ โดยใช้ตัวต้านทานค่าคงที่ต่อร่วมกับทรานซิสเตอร์ การไบแอส DC ที่ถูกต้องของทรานซิสเตอร์ยังช่วยกำหนดช่วงการทำงาน AC เริ่มต้นของมันด้วยวงจรไบแอสที่ใช้งานได้จริง โดยใช้เครือข่ายไบแอสแบบสองหรือสี่ตัวต้านทาน

ในวงจรทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ จุด Q จะแสดงด้วย (VCE, IC) สำหรับทรานซิสเตอร์ NPN หรือ (VEC, IC) สำหรับทรานซิสเตอร์ PNP

โดยทั่วไปแล้ว ความเสถียรของวงจรไบแอสฐานและจุด Q จะถูกประเมินโดยพิจารณาจากกระแสคอลเลคเตอร์เป็นฟังก์ชันของทั้งค่าเบต้า (β) และอุณหภูมิ

ในที่นี้เราได้พิจารณาอย่างคร่าวๆ ถึงการต่อวงจร "ไบแอสทรานซิสเตอร์" ห้าแบบโดยใช้เครือข่ายตัวต้านทาน แต่เรายังสามารถไบแอสทรานซิสเตอร์โดยใช้ไดโอด PN-junction, ไดโอดซีเนอร์ หรือเครือข่ายแอคทีฟที่ต่อเข้ากับขั้วฐานของทรานซิสเตอร์ได้อีกด้วย นอกจากนี้ เรายังสามารถไบแอสทรานซิสเตอร์ได้อย่างถูกต้องจากแหล่งจ่ายไฟแบบแรงดันบวก/ลบสองขั้วได้หากต้องการ