BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

          Ως γνωστόν , τα ψηφιακά κυκλώματα υλοποιούνται πρακτικά με χρήση ολοκληρωμένων ψηφιακών κυκλωμάτων. Τα ολοκληρωμένα ψηφιακά κυκλώματα κατατάσσονται σε κατηγορίες ανάλογα με την εσωτερική δομή τους , δηλ . τις θεμελιώδεις λογικές πύλες από τις οποίες αποτελούνται. Οι λογικές πύλες με τη σειρά τους υλοποιούνται με χρήση τρανζίστορ και άλλων γραμμικών κυκλωματικών στοιχείων. Στην περίπτωση της οικογένειας TTL(=Transistor to Transistor Logic) που μας ενδιαφέρει γίνεται χρήση του διπολικού τρανζίστορ BJT , γι’αυτό και τα ολοκληρωμένα της οικογένειας αυτής ονομάζονται διπολικά ολοκληρωμένα. Για την ανάλυση λοιπόν των ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλο ρόλο παίζει η γνώση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών λειτουργίας του BJT.

          Τα τρανζίστορ BJT ονομάζονται διπολικά διότι η λειτουργία τους στηρίζεται στη ροή δύο διαφορετικών φορέων ηλεκτρικού ρεύματος , των ηλεκτρονίων και των οπών. Έχουμε τους δύο τύπους τρανζίστορ npn και pnp , ωστόσο στα ολοκληρωμένα κυκλώματα χρησιμοποιούνται κατά κόρον τα npn τρανζίστορ πυριτίου. Εμάς αυτό που μας ενδιαφέρει είναι να μπορούμε να κάνουμε μια γρήγορη προσεγγιστική ανάλυση ενός κυκλώματος με τρανζίστορ με το χέρι λαμβάνοντας υπ’όψη κάποιες βασικές αρχές και ακολουθώντας μια απλή διαδικασία.

          Αρχικά να παρατηρήσουμε ότι όλες οι παραδοχές και αναλύσεις βασίζονται στα κυκλωματικά σύμβολα του npn όσο και του pnp  τρανζίστορ που είναι τα ακόλουθα: ( και στις δύο περιπτώσεις ο εκπομπός συμβολίζεται με το ανοικτό βέλος )

    Το τρανζίστορ προκύπτει με τη συνένωση δύο ενώσεων διόδων και ανάλογα με την κατάσταση πόλωσης στην οποία βρίσκονται οι δίοδοι προκύπτουν αντίστοιχα και οι διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του τρανζίστορ. Οι περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ είναι τρεις : η περιοχή αποκοπής , η ενεργός περιοχή και η περιοχή κορεσμού . Παρακάτω φαίνοται σχηματικά οι περιοχές λειτουργίας για τα δύο είδη τρανζίστορ.

·        Πιο αναλυτικά με βάση τα ακόλουθα κυκλωματικά διαγράμματα

Χαρακτηριστική συλλέκτη

έχουμε να παρατηρήσουμε τα εξής: Υποθέτοντας ότι οι διευθύνσεις των ρευμάτων που βλέπουμε είναι οι κανονικές διευθύνσεις για το npn τρανζίστορ  αρχικά να τονίσουμε ότι η τάση του συλλέκτη προς τον εκπομπό , δηλ. η τάση V_CE είναι πάντα θετική. Από την άλλη μεριά η τάση βάσης-εκπομπού , δηλ. η V_BE όταν είναι θετική τότε κάνει την επαφή BE ορθά πολωμένη , ενώ όταν είναι αρνητική κάνει την επαφή BE ανάστροφα πολωμένη. Η τάση V_BE πρακτικά δεν μπορεί να υπερβεί την τιμή των 0,8 Volts. 

Τα τυπικά διαγράμματα λειτουργίας του τρανζίστορ που έχουν προκύψει από μετρήσεις και εργαστηριακές δοκιμές είναι αυτά που μας δίνουν και πρακτικά τις περιοχές τιμών των τάσεων στις ενώσεις του τρανζίστορ. Συνολικά η διαμόρφωση των περιοχών λειτουργίας με βάση τις τιμές των τάσεων στο τρανζίστορ έχει ως εξής:

Παρατηρήσεις:

1.     Πρακτικά επίσης κάνουμε την προσέγγιση ότι η τάση V_BE είναι περίπου ίση με 0,7 Volts όταν το τρανζίστορ άγει , ανεξάρτητα από το αν αυτό βρίσκεται στην ενεργό περιοχή ή στον κορεσμό.

2.     Στην περιοχή κορεσμού μερικές φορές θεωρείται κατά χονδρική προσέγγιση η V_CE περίπου ίση με μηδέν .

3.     Το ρεύμα βάσης μπορεί εύκολα να αυξηθεί όσο θέλουμε και με μικρή V_BE, ενώ το ρεύμα συλλέκτη περιορίζεται από το εξωτερικό κύκλωμα.

4.     Συνήθως h_FE=(dc current gain = κέρδος ρεύματος μεγάλου σήματος του τρανζίστορ) =50 για ένα τυπικό τρανζίστορ αλλά μπορεί να λάβει και τιμές μέχρι και 20 ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες.

5.     Όταν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε μία δίοδο αντί για τρανζίστορ , τότε αρκεί να βραχυκυκλώσουμε το συλλέκτη με τη βάση ενός τρανζίστορ. Κατά τη χρήση της διόδου να μην ξεχνάμε και την προστασία της με χρήση σε σειρά μιας αντίστασης, για τον έλεγχο της ισχύος.

Η διαδικασία που ακολουθούμε τελικά στις αναλύσεις μας είναι η εξής:

 Για κάθε τρανζίστορ βρίσκουμε πρώτα αν η τάση V_BE είναι μικρότερη από 0.6 Volts . Εάν είναι τότε το τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή και το κύκλωμα συλλέκτη εκπομπού είναι ανοιχτοκύκλωμα , άρα τα ρεύματα μηδενικά.

Αν η τάση V_BE είναι μεγαλύτερη από 0.6 Volts , τότε το τρανζίστορ είναι είτε στην ενεργό περιοχή είτε στον κορεσμό - πάντως θα άγει. Για το λόγο αυτό υπολογίζουμε το ρεύμα βάσης , υποθέτοντας ότι V_BE=0.7 Volts .Επίσης υπολογίζουμε το μέγιστο δυνατό ρεύμα συλλέκτη I_CS , υποθέτοντας ότι V_CE=0.2 Volts. Αυτοί οι υπολογισμοί γίνονται λαμβάνοντας υπ’όψη το εξωτερικό κύκλωμα του τρανζίστορ. Μετά αν ισχύει I_{B ³} I_CS / h_FE  , δηλ. έχουμε αρκετά μεγάλο ρεύμα βάσης, τότε το τρανζίστορ θα είναι στον κορεσμό με V_CE=0.2 Volts. Αν όμως το ρεύμα βάσης είναι μικρότερο από την προηγούμενη τιμή , τότε το τρανζίστορ είναι στην ενεργό περιοχή , με I_C=h_FEI_B