ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් IV (Electronics) - 4

2. ප්‍රතිපෝෂන නැඹුරුව (feedback biasing)

මෙහිදී බේස් අග්‍රයට බයස් වෝල්ටියතාව ලබා දී තිබෙන්නේ කලෙක්ටර් අග්‍රය මත ඇති වෝල්ටියතාවෙනි. ට්‍රාන්සිස්ටරයක බේසය අනිවාර්යෙන්ම සංඥා ඇතුලු කිරීමට පමණක් භාවිතා කළ හැකි අග්‍රයකි (ඒ කියන්නේ එය සංඥාවක "ඉන්පුට් එකයි"); කලෙක්ටරය යනු අනිවාර්යෙන්ම සංඥා පිට කිරීමට පමණක් භාවිතා කළ හැකි අග්‍රයකි ( ඒ කියන්නේ එය සංඥාවක "අවුට්පුට් එකයි"). මොහොතකින් මේ ගැන වැඩිදුරට අධ්‍යනය කරනු ඇත. අවුට්පුට් එකේ සිට ඉන්පුට් එකට යම් විදුලියක් හෝ සංඥාවක් හෝ ලබා දීම ප්‍රතිපෝෂනය (feedback) ලෙස හැඳින් වෙනවා. ඉතිං, මෙම නැඹුරුව කර තිබෙන්නේ ප්‍රතිපෝෂනයක් ආකාරයෙනි. එන්පීඑන් ට්‍රාන්සිස්ටරයක් ගෙන තවදුරටත් මෙම නැඹුරු ක්‍රමය පැහැදිලි කරමු. පීඑන්පී ට්‍රාන්සිස්ටර් සඳහා එම තර්කම යොදා ගෙන පහසුවෙන් ගණනය කිරීම් කළ හැකි වේ (අභ්‍යාසයක් ලෙස පීඑන්පී සඳහාද අගයන් ගණනය කර බලන්න).

ඉහත නැඹුරුවේදීද, එමිටරය භූගතයට සම්බන්ද අතර, එමිටරයට වඩා බේසය මත වැඩි වෝල්ටියතාවක් බේසයට සවිකර තිබෙන "බේස් රෙසිස්ටරය" මඟින් ලබා දී තිබෙන නිසා බේස්-එමිටර් සන්ධිය පෙරනැඹුරු වේ. මෙම බේස් රෙසිස්ටරය ප්‍රතිපෝෂන ප්‍රතිරෝධය (feedback resistor - R_F) ලෙසද නම් කෙරේ. තවද, බේසයට සාපෙක්ෂව කලෙක්ටරය මත වෝල්ටියතාව වැඩි නිසා, කලෙක්ටර්-බේස් සන්ධිය පසුනැඹුරු වී ඇත. ඒ කියන්නේ ට්‍රාන්සිස්ටරයක් බයස් කිරීම හරිහැටි මින් සිදු වේ.

දැනු බලමු ෆීඩ්බැක් රෙසිස්ටරයේ අගය සොයන විදිය. තර්කනය පෙර පරිදිම වේ. එමිටරයට සාපෙක්ෂව බේසය මත වෝල්ට් 0.7ක් තිබිය යුතුය. එවිට ඉතිරි විභවය ශ්‍රේණිගතව ඇති R_C, R_F රෙසිස්ටර් දෙක මඟින් ඩ්‍රොප් කර ගත යුතුය. ඒ කියන්නේ එම රෙසිස්ටර් දෙකම එක් ඒකකයක් ලෙස ගත් විට (හෙවත් ඒ දෙකෙහි සමක ප්‍රතිරෝධය ගත් විට), එය විසින් V_S - V_B විභව අන්තරයක් රඳවා ගත යුතුය.

එහෙත් ඇත්තටම R_F ගණනය කිරීමේදී අපට R_C යොදා ගැනීමද අත් හළ හැකිය. ඊට හේතුව, පරිපථය සැලසුම්කරණය කරන අප විසිනුයි කලෙක්ටර් වෝල්ටියතාව කීයක් විය යුතුදැයි තීරණය කරන්නේ. එවිට R_F හි එක් පැත්තකින් V_B වෝල්ටියතාවක් පවතින අතර, අනෙක් පසින් V_C වෝල්ටියතාවක් පවතිනවා. ඒ කියන්නේ ෆීඩ්බැක් රෙසිස්ටරය හරහා පවතින විභව අන්තරය V_C - V_B වේ.

දැන් එම විභව අන්තරය බේස් ධාරාවෙන් බෙදූ විට ෆීඩ්බැක් රෙසිස්ටර් අගය ලැබේ. I_B = I_C/β නිසා කලෙක්ටර් ධාරාව ඇසුරින් පහත ආකාරයට ෆීඩ්බැක් රෙසිස්ටර් අගය සොයන සූත්‍රය ලැබේ.

එලෙසම කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරයේ අගයත් සොයමු. මෙහිදී කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරය හරහා ඇත්තටම ධාරාවන් දෙකක් ගමන් කරනවා - එකක් කලෙක්ටරයේ සිට කෙලින්ම එමිටරය දක්වා යන සුපුරුදු කලෙක්ටර් ධාරාව වන අතර, අනෙක බේසය වෙත යොමු කරන බේස් ධාරාවයි. එමනිසා, කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරය හරහා යන ධාරාව ලෙස I_B+I_C ගත යුතුය.

එහෙත්, කලෙක්ටර් ධාරාවට වඩා දළ වශයෙන් 100 ගුණයක් පමණ බේස් ධාරාව කුඩා නිසා, එම ඉතා කුඩා බේස් ධාරාව නොසලකා හැරියද හැකියි. එවිට ඉහත සූත්‍රය පහත ආකාරයට ඉතා සරල වේ.

3. විභව බෙදුම් නැඹුරුව (potential divider biasing)

මෙම නම ලැබීමට හේතුව බේස් අග්‍රයට බයස් වෝල්ටියතාව ලබා දෙන්නේ විභව බෙදුම් පරිපථයකින් නිසාය. මෙය තරමක් ස්ථිර නැඹුරු ක්‍රමයට නෑකමක් තිබෙන එකකි. ස්ථිර නැඹුරුවේ තිබුණු රෙසිස්ටරයට තවත් රෙසිස්ටරයක් සම්බන්ද කර පරිපථයේ භූගතයට සවි කර ඇත. ස්ථිර නැඹුරු ක්‍රමයට වඩා ඉතා උසස් ඉතා ප්‍රචලිත නැඹුරු ක්‍රමය මෙයයි.

කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරයේ අගය සොයන හැටි වෙනස් නොවේ. එය සුපුරුදු ලෙසම, R_C = (V_CC - V_C)/I_C වේ.

එහෙත් දැන් තනි බේස් රෙසිස්ටරයක් වෙනුවට බේස් රෙසිස්ටර් දෙකක්ම තිබෙන නිසා එම දෙකෙහිම අගය සෙවිය යුතුය. තත්වය වෙනස් වුවත්, තර්ක කරන්නේ සුපුරුදු ක්‍රමයටමයි. එනම්, එමිටරයට වඩා 0.7 වෝල්ටියතාවක් බේසය මත තිබිය යුතුය (සිලිකන් ට්‍රාන්සිස්ටර් සඳහා; ජර්මේනියම් සඳහා එම අගය 0.3ක් පමණ වේ). බේස්-එමිටර් සන්ධිය හරහා තිබෙන වෝල්ටියතාවම නේද R_B2 රෙසිස්ටරය හරහාත් ඩ්‍රොප් වන්නේ? ඊට හේතුව R_B2 හි අග්‍ර දෙක හා බේස්-එමිටර් සන්ධියේ අග්‍ර දෙක එකිනෙකට සම්බන්දයි. එවිට, R_B1 හරහා ඩ්‍රොප් විය යුතු වෝල්ටියතා අගය V_CC - V_B වේ.

දැන් රෙසිස්ටර් දෙකෙහි ඩ්‍රොප් වන වෝල්ටියතා අගයන් වෙන වෙනම දන්නා නිසා, ඕම් නියමය යොදා ප්‍රතිරෝධි අගයන් සෙවීමට එම රෙසිස්ටර් හරහා යන ධාරා අගය දත යුතුය. එම ධාරා අගය පෙර අවස්ථාවලදී මෙන් බේස් ධාරාව (I_B) නොවේ. ඊට වඩා වැඩි ධාරාවක් විය යුතුය. ඒ ඇයි? මොහොතක් සිතා බලන්න.

විභව බෙදුමේ ප්‍රතිරෝධ හරහා ගලන ධාරාව සුපුරුදු බේස් ධාරාවට සමාන වුවොත් විශාල ගැටලුවකට මුහුන දෙයි. ඒ ගැන බලමු. එලෙස V_CC සිට R_B1 හරහා එන ධාරාවට ගමන් කිරීමට මාර්ග දෙකක් හමු වේ - බේස් අග්‍රය තුලට හා R_B2 රෙසිස්ටරය තුලට. කොතරම් අනුපාතවලින් එම ධාරාව එම මාර්ග දෙක අතර බෙදී යන්නේද යන්න තීරණය වන්නේ බේස්-එමිටර් මාර්ගයේ හා R_B2 රෙසිස්ටර් මාර්ගයේ තිබෙන ප්‍රතිරෝධි අගයන් මතයි. උදාහරණයක් ලෙස, එම මාර්ග දෙකෙහිම ප්‍රතිරෝධ අගයන් සමානයි නම්, ධාරාව හරි අඩක් බැඟින් එම මාර්ග දෙක හරහා ගමන් කරයි (ප්‍රතිරෝධ හරහා ධාරාව ගමන් කරන හැටි කියා දුන් පාඩම්වල මේ ගැන විස්තරාත්මකව කතා කර තිබෙනවා).

කෙසේ වෙතත් එක් දෙයක් නිශ්චිතය. එලෙස ධාරාව බෙදී යන අනුපාතය කුමක් වුවත්, බේස් අග්‍රය තුලින් ඇතුලු වන ධාරා ප්‍රමාණය අනිවාර්යෙන්ම ඊට අවශ්‍ය කරපු සුපුරුදු/සම්මත ප්‍රමාණයට වඩා අඩු වේ. එවිට ට්‍රාන්සිස්ටරයෙන් අපේක්ෂිත ක්‍රියාකාරිත්වය නොලැබේවි. මෙම ගැටලුව විසඳීමට තිබෙන එකම ක්‍රමය අවශ්‍ය කරන බේස් ධාරාවට වඩා වැඩි ධාරාවක් V_CC සිට ලබා ගැනීමයි. වැඩි හොඳටත් එක්ක එම ධාරා ප්‍රමාණය බේස් ධාරාව මෙන් 10 ගුණයක් ලෙස ගැනීම සිරිතයි. ඒ අනුව, දැන් බේස් රෙසිස්ටර් අගයන් ගණනය කරමු.

V_CC ට ළඟින් ඇති රෙසිස්ටරය (එනම් R_B1) හරහා 10I_B ධාරාවක් ගලයි. එම ධාරාව පහලට ගලා ගොස්, ඉන් I_B ප්‍රමාණයක් බේසය තුලට ඇතුලු වී ඉතිරි 9I_B ධාරා ප්‍රමාණය R_B2 හරහා ගමන් කරයි. ඒ අනුව පහත අාකාරයට බේස් රෙසිස්ටර් අගයන් ගණනය කළ හැකියි. බැරිවෙලාවත් වෙනත් ගුණනයක් (5 ගුණයක්, තුන් ගුණයක්, 20 ගුණයක් ආදි ලෙස) ගත්තේ නම්, පහත සූත්‍රවල 10, 9 යන අගයන් ඊට ගැලපෙන ලෙස වෙනස් කරන්න.

ඉහත සියලු බයසිං ක්‍රමවලදී අප බේස් ධාරාව ලබා ගත්තේ කලෙක්ටර් ධාරාව ඇසුරින්ය (එනම්, කලෙක්ටර් ධාරාව ට්‍රාන්සිස්ටරයේ බීටා අගයෙන් බෙදීමෙන්). ඉන් කියන්නේ කලෙක්ටර් ධාරාව ට්‍රාන්සිස්ටරය යොදා ගන්නා අවස්ථාව අනුව අප විසින් අපේ කැමැත්ත පරිදි තීරණය කරන බවත්, එවිට ඉබේම බේස් ධාරාවත් ඒ ඒ තැන්වල විවිධ අගයන් විය හැකි බවයි. කෙසේ වෙතත්, එම සෑම අවස්ථාවකදීම බේස්-එමිටර් වෝල්ටියතාව හැමවිටම 0.7 (සිලිකන් ට්‍රාන්සිස්ටර්වල) ලෙසම පවතිනවා .

ඉහත සලකා බැලුවේ මූලික ට්‍රාන්සිස්ටර් බයසිං ක්‍රම 3යි. මින් ෆීඩ්බැක් හා පොටෙන්ෂල් ඩිවයිඩර් ක්‍රම දෙක තමයි නිතරම භාවිතා කරන්නේ. කෙසේ වෙතත්, ඉහත ක්‍රම 3ට සුලු සුලු වෙනස්කම් සිදු කර තවත් බයසිං ආකාර සකසා ගත හැකියි. එම සුලු වෙනස්කම් මඟින් මූලික ක්‍රමවල තිබෙන යම් යම් දෝෂ ඉවත් කළ හැකියි. ඉදිරියේදී එවැනි වෙනස්කම් අවශ්‍ය වන අවස්ථාවල ඒ ගැන වැඩිදුරට කතා කරන අතර, දැනට එම වෙනස්කම් සිදු කරන අයුරු හා ඒවා ගණනය කරන අයුරු බලමු.

ප්‍රතිපෝෂන නැඹුරු ක්‍රමය පහත රූපයේ ආකාරයට වෙනස් කළ හැකියි. වැඩිපුර බේස් රෙසිස්ටරයක් යොදා ඇත. එම බේස් රෙසිස්ටරයේ අගය සොයන අයුරු ඔබට දැන් මා පෙර කියා දුන් ක්‍රමයට තර්ක කර ලබා ගත හැකි විය යුතුය. බේස් රෙසිස්ටරය හරහා තිබිය යුතු වෝල්ටියතාව V_B වන අතර, ඒ හරහා ගලන ධාරාව 9I_B ලෙස ගත හැකිය (පෙර ලෙසම, බේස් ධාරාව මෙන් 10 ගුණයක් ගැනීමෙන්).

තවත් වෙනස් කිරීමක් නම් එමිටර් අග්‍රයට රෙසිස්ටරයක් සවි කිරීමයි (එය "එමිටර් රෙසිස්ටරය" ලෙස හැඳින්වේ). මෙතෙක් කතා කළ බයස් ක්‍රම 4ටම එය සිදු කළ හැකියි.

පළමුවෙන්ම එමිටර් රෙසිස්ටරයේ අගය තීරණය කරමු. ට්‍රාන්සිස්ටර් එමිටර් අග්‍රය මත පවතින වෝල්ටියතා අගය දැනගැනීමට අවශ්‍ය වේ. එය අප විසින් පරිපථයට අවශ්‍ය විදියට තීරණය කරන්නකි (හරියට කලෙක්ටර් වෝල්ටියතාව අප විසින් තීරණය කළා මෙන්). එමිටර් වෝල්ටියතාව අප V_E ලෙස පොදුවේ සලකා ගණනය කිරීම සිදු කරමු.

එමිටර් රෙසිස්ටරය එක් පැත්තකින් ජව සැපයුමේ භූගතයටත්, අනෙක් පැත්තෙන් V_E ටත් සම්බන්ද නිසා, එම රෙසිස්ටරය හරහා පවතින වෝල්ටියතාව V_E වේ. එම වෝල්ටියතා අගය එමිටර් රෙසිස්ටරය හරහා ගලන "එමිටර් ධාරාවෙන්" බෙදූ විට එහි ඔම් අගය ලැබේ. මීට පෙර සඳහන් කළා මතකද එමිටර් ධාරාව හා කලෙක්ටර් ධාරාව දළ වශයෙන් සමාන බබ? එවිට පහත සූත්‍රයෙන් එමිටර් රෙසිස්ටරයේ ඔම් අගය ලැබේ.

එමිටර් රෙසිස්ටරයක් නොමැති අවස්ථාවලදී සාමාන්‍යයෙන් එමිටර් අග්‍රය කෙලින්ම ජව සැපයුමේ භූගතයටනෙ සම්බන්ද වූයේ (ඒ කියන්නේ එමිටර් වෝල්ටියතාව 0 විය). එහෙත් එමිටර් රෙසිස්ටරයක් සම්බන්ද අවස්ථාවකදී එමිටර් වෝල්ටියතාව 0 නොවේ. එය කලෙක්ටර් වෝල්ටියතාවට ඍජු බලපෑමක් එල්ල නොකරයි මොකද අප විසින්නෙ කලෙක්ටර් වෝල්ටියතා අගය හිතු මනාපේ තීරණය කරන්නේ. එහෙත් බේසයට සම්බන්ද රෙසිස්ටර්වල අගයන්ට නම් ඉන් බලපෑමක් සිදු වේ; එනම් බේස් රෙසිස්ටර් අගයන් වෙනස් වේ. අගයන් වෙනස් වුවත්, තර්ක කරන විදිය වෙනස් නැත.

උදාහරණයක් ලෙස, පහත පරිපථය සලකන්න. එමිටර් රෙසිස්ටරයේ හා කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරයේ ප්‍රතිරෝධ අගයන් සොයන හැටි ඉහත පෙන්වා දුන් සූත්‍ර අනුව සිදු කරන නිසා අමුතුවෙන් ඒ ගැන තවදුරටත් පැවසීමට දෙයක් නැත. එහෙත් අනෙක් බේස් රෙසිස්ටර් අගයන් සොයන විදිය සොයමු.

එමිටරයේ වෝල්ටියතාව V_E නිසා, ඊට සාපෙක්ෂව 0.7ක් වැඩි වෝල්ටියතාවක් බේසය මත තිබිය යුතුය. එය සංඛේත ආකාරයෙන් ලියූ විට V_B = V_E + V_BE වේ. එවිට රෙසිස්ටර් දෙකේ අගයන් පහත ආකාරයට ගණනය කෙරේ.

එලෙසම අනෙක් බයසිං ක්‍රමවලත් එමිටර් රෙසිස්ටරයක් යෙදූ පසු අගයන් ගණනය කරන ආකාරය කර බලන්න අභ්‍යාසයක් ලෙස. නැවතත් යමක් මතක් කළ යුතුය - මා හැමවිටම යොදා ගන්නේ එන්පීඑන් ට්‍රාන්සිස්ටර් වේ. එහෙත් සූත්‍රවල වෙනසක් සිදු වන්නේ නැත. අභ්‍යාසයක් ලෙස එය එසේදැයි ඔබම ගණනය කර බලන්න.

ඉහත බයසිං පරිපථවල බේස් රෙසිස්ටර් ඇති විට, ඉන් පහලින් ඇති (භූගතය හා බේස් අග්‍රය අතර ඇති) බේස් රෙසිස්ටරය වෙනුවට ඩයෝඩ යොදන අවස්ථාද ඇත. එමිටර් රෙසිස්ටරයක් නොමැති විටක, බේස් වෝල්ටියතාව 0.7 කි (සිලිකන් සඳහා); එය එක් එන්-පී සන්ධියක පවතින බාධක වෝල්ටියතාවට සමානය. එනිසා පහත රූපයේ ආකාරයට එක් සිලිකන් ඩයෝඩයක් සවි කළ විට, එම ඩයෝඩය දෙපස ඩ්‍රොප් වන්නේද 0.7ක වෝල්ටියතාවකි. බේසය පෙරනැඹුරු වීම එමඟින් ගානට සිදු වේ. බයසිං පරිපථයේ රෙසිස්ටර් අගයන් පෙර පරිදිම සෙවිය හැකිය.

එමිටර් රෙසිස්ටරයක් යොදා ඇති විට, එලෙස තනි ඩයෝඩයකින් වැඩේ කර ගත නොහැකිය. ඩයෝඩ දෙකක් එකතු කළ විට, 2 x 0.7 = 1.4ද, තුනක් එකතු කළ විට 3 x 0.7 = 2.1 ද ආදි ලෙස වෝල්ට් දශම හතේ ගුණාකාරවලින් බේස් වෝල්ටියතාව සැකසිය හැකිය. ඒ කියන්නේ අපට සිදු වනවා එමිටර් වෝල්ටියතාවත් වෝල්ට් දශම හතේ යම් ගුණාකාරයක් ලෙස සකස් කරන්නට. උදාහරණයක් ලෙස, එමිටර් වෝල්ටියතාව 2.1ද (3 x 0.7), එවිට බේස් වෝල්ටියතාව 2.1 + 0.7 = 2.8 ලෙස තැබිය යුතුය. ඒ කියන්නේ සිලිකන් ඩයෝඩ 4ක් පහත ආකාරයට යෙදිය හැකිය.