الدارات الأساسية لترانزستور الأثر الحقلي
2013 تبسيط علم الإلكترونيات
ستان جيبيليسكو
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
توجد من أجل ترانزستورات الأثر الحقلي ثلاثةُ ترتيباتٍ عامّةٍ للدارات.
وهي الدارات المساوية لدارات الباعث المشترك والقاعدة المشتركة والمجِّمع المشترك للترانزستور ثنائي القطبية، وتُصنَّف كما يلي:
1- دارة المصدر المشترك (Common-Source Circuit)، التي نقوم فيها بتأريض المصدر من أجل إشارات التيّار المتناوب
2- دارة البوَّابة المشتركة (Common-Gate Circuit)، التي نقوم فيها بتأريض البوَّابة من أجل إشارات التيّار المتناوب
3- دارة المصرف المشترك (Common-Drain Circuit)، التي نقوم فيها بتأريض المصرف من أجل إشارات التيّار المتناوب.
– المصدر المشترك
في دارة المصدر المشترك، نطبِّق إشارةَ الدخل على البوَّابة، كما هو مُشاهَدٌ في الشكل 6-15. يرينا هذا الرسمُ البيّانيُّ ترانزستورَ JFET بقناة N، لكننا نستطيع أن نستبدل به ترانزستورَ MOSFET بنوع النبوض بقناة من النوع N مع حصولنا على نفس النتائج في دارةٍ فعليةٍ..jpg)
ونستطيع أيضاً أن نستعمل ترانزستورَ MOSFET بنوع التعزيز وبقناة من النوع N مع إضافة مكون مقاومة إضافي بين البوَّابة ومطراف وحدة التغذية الموجب.
من أجل الأجهزة ذات القنوات P، يجب على وحدة التغذية أن تؤمِّن فولطية سالبةً وليس فولطية موجبةً. من ناحيةٍ أخرى، ستكون تفاصيلُ الدارة متوافقةً مع تلك الظاهرة في الشكل 6-15.
تجعل المكثِّفةُ C1 ومكون المقاومة R1 المصدرَ بوضع أرضي الإشارة، بينما ترفع المصدرَ فوق التأريض من أجل التيّار المستمر. تدخل إشارةُ التيّار المتناوب من خلال المكثِّفة C2.
ويوفِّر مكونا المقاومة R1 وR2 الانحيازَ للبوَّابة. تخرج إشارةُ التيّار المتناوب من الدارة من خلال المكثِّفة C3. ويمنع مكون المقاومة R3 إشارةَ الخرج من القصر عبر وحدة التغذية.
تؤمِّن دارةُ الشكل 6-15 نقطةَ بدايةٍ جيِّدةٍ لتصميم مضخِّمات الإشارة الضعيفة ومهتزَّات القدرةالمنخفضة، خاصةً في منظومات التردّدات الراديوية.
ويؤمِّن تشكيلُ المصدر المشترك الكسب الأكبرَ بين التشكيلات الثلاثة لدارات ترانزستورات الأثر الحقلي. وتكون موجةُ الخرج مقلوبةً بالمقارنة مع موجةِ الدخل.
– البوَّابة المشتركة
في دارة البوَّابة المشتركة (الشكل 6-16) تكون البوَّابةُ عند أرضي الإشارة. ونطبِّق إشارةَ الدخل على المصدر..jpg)
هذا الرسمُ التوضيحي يرينا ترانزستور JFET بقناة من النوع N. ومن أجل الأنماط الأخرى من ترانزستورات الأثر الحقلي، تُطبَّق نفسُ الاعتبارات كما في حالة دارة المصدر المشترك.
فالجهازُ بنمط التعزيز بقناة من النوع N يتطلَّب وجودَ مكون مقاومةٍ بين البوَّابة والمطراف الموجب للتغذية. ومن أجل الأجهزة ذوات القنوات من النوع P، نقوم بقلب قطبية وحدة التغذية.
يشبه انحيازُ التيّار المستمر في دارة البوَّابة المشتركة ذاك الموجود في تشكيل المصدر المشترك، ولكنَّ الإشارةَ تتبع مساراً مختلفاً. تدخل إشارةُ دخل التيّار المتناوب من خلال المكثِّفة C1.
ويمنع مكون المقاومة R1 الدخلَ من القصر مع التأريض. ويوفِّر مكونا المقاومة R1 وR2 انحيازَ البوَّابة. وتجعل المكثِّفةُ C2 البوَّابةَ بوضع أرضي الإشارة، بينما تسمح لفولطية انحياز التيّار المستمر بأن توجَدَ على ذلك القطب الكهربائي.
تخرج إشارةُ الخرج من الدارة من خلال المكثِّفة C3. ويمنع مكون المقاومة R3 إشارةَ الخرج من القصر عبر وحدة التغذية.
يولِّد تشكيلُ البوَّابة المشتركة اكتساباً أقلَّ من نظيرِه تشكيلِ المصدر المشترك. ولكنّ احتمالَ دخول مضخِّم البوَّابة المشتركة في حالةٍ من الاهتزاز غير المرغوب به أقلُّ إلى حدٍّ بعيد من ذلك الأمر عند مضخِّم المصدر المشترك. وتظهر موجةُ الخرج بتوافقٍ طوريٍّ مع موجةِ الدخل.
– المصرف المشترك
يرينا الشكل 6-17 دارةَ مصرف مشترك، وفيها نجعل المصرفَ عند أرضي الإشارة. يدعو المهندسون أحياناً هذه الدارةَ باسم التابع للمصدر، لأنّ شكلَ موجةِ إشارةِ الخرج فيها "تتبع" الفولطية الآينة عند القطب الكهربائي للمصدر..jpg)
من أجل استعمال ترانزستور أثر حقلي في تشكيل المصرف المشترك، نطبِّق انحيازاً بالتيّار المستمر عليه بنفس الطريقة التي نفعلها مع دارات المصدر المشترك والبوَّابة المشتركة.
تستخدم الدارةُ الظاهرةُ في الشكل 6-17 ترانزستورَ JFET بقناة من النوع N، لكننا نستطيع أن نستبدل به أيَّ نوعٍ آخر من ترانزستورات الأثر الحقلي، مع عكس القطبية من أجل الأجهزة ذات القنوات من النوع P.
وتتطلَّب ترانزستوراتُ MOSFET بنمط التعزيز وجودَ مكون مقاومة بين البوَّابة والمطراف الموجب للتغذية (أو المطراف السالب في حالة جهاز بقناة من النوع P).
تمرّ إشارةُ الدخل من خلال المكثِّفة C2 إلى البوَّابة. ويوفِّر مكونا المقاومة R1 وR2 انحيازَ البوَّابة. ويقيِّد مكون المقاومة R3 التيّارَ. وتحافظ المكثِّفةُ C3 على المصرف بوضع أرضي الإشارة.
ويمرّ تيّارٌ مستمرٌّ متأرجحٌ (تيّار القناة) من خلال مكون المقاومة R1 كنتيجةٍ لإشارة الدخل؛ وهذا التيّار يسبِّب ظهورَ فولطية تيّارٍ مستمرٍ متأرجحةٍ عبر R1. ونتلقَّى خرجَ التيّار المتناوب من خلال C1.
تكون موجةُ الخرج في دارة المصرف المشتركة بتوافقٍ طوريٍّ مع موجة الدخل. وهذه الدارة تستطيع -مثل تشكيل المجمِّع المشترك- أن تخدمنا كبديلٍ رخيصِ الثمن للمحوِّلات، خاصةً في تطبيقات التردّدات الراديوية.
ألا تزال تكافح؟
في المناقشات السابقة (المترافقة مع الأشكال 6-15 و6-16 و6-17)، من المُحتَمل أنه قد تكوَّن لديك الاعتقاد بأننا نستطيع بشكلٍ مباشر التبديل بين ترانزستورات JFET وMOSFET في الدارات الفعلية.
وفي الحقيقة، هذا صحيحٌ في بعض الأحيان، ولكن ليس في جميعها. فعلى الرغم من أنّ الرسومَ البيانيةَ لدارات أجهزة JFET وأجهزة MOSFET بنمط النضوب تبدو متطابقةً عندما لا نحدِّد قيم المكوِّنات الفعلية، هناك عادةً اختلافٌ فيما يتعلَّق بالمقادير المثلى للمقاومات والسعات. وهذه
القيم المثلى يمكن أن تتغيَّر لا بين ترانزستورات JFET وMOSFET فحسب، بل أيضاً بين ترانزستورات MOSFET بنمط النضوب وMOSFET بنمط التعزيز.
إنّ إيرادَ أمثلةٍ لتصميماتٍ محدَّدةٍ سوف يأخذنا إلى خارج نطاق هذه الدراسة، لكنك يجب أن تتذكَّر أنّ ترانزستورات JFET وMOSFET قابلةٌ في بعض الأحيان فقط –وليس دائماً- للتبديل بشكلٍ مباشرٍ في ما بينها.
مسألة 6-5:
في دارة المصدر المشترك (الشكل 6-15 الوارد سابقاً)، ماذا سيحدث لإشارة الخرج إذا فشلت R2 في أداء عملها بطريقةٍ تؤدّي إلى انخفاض مقاومتها إلى الصفر؟ وماذا سيحدث لانحياز البوَّابة؟
الحلّ:
يوجد مكون المقاومة R2 في تحويلةٍ لمسار إشارة الدخل (وهذا يعني: بشكلٍ موازٍ له أو عبره). ومكون المقاومة هذا يقوم –إلى جانب R1– بتوفير الانحياز للبوَّابة بالنسبة إلى تأريض التيّار المستمر. فإذا أصبحت R2 دارةَ قصرٍ، فإنّ إشارةَ الدخلِ سوف تختفي من البوَّابة، لأنها سوف تتصلّ بقصرٍ مباشرٍ مع التأريض. وبدون إشارة دخلٍ، سوف لن نحصل على إشارة خرجٍ. إضافةً إلى ذلك، هذا الوضع سوف يغيِّر انحيازَ التيّار المستمر للبوَّابة.
مسألة 6-6:
في دارة البوَّابة المشتركة (الشكل 6-16 الوارد سابقاً)، ماذا سيحدث لتيّار المصرف إذا صار مكون المقاومة R1 مفتوحاً؟ وماذا سيحدث لإشارة الخرج؟
الحل:
يوجد مكون المقاومة R1 على التسلسل مع مسار التيّار عبر القناة. ولذلك، إذا صار المكون R1 مفتوحاً، فإنّ التيّار المستمر المارّ عبر القناة (وبالتالي التيّار عند المصرف) سوف يتوقَّف عن الجريان. وسوف يمنع هذا الانقطاعُ ترانزستورَ الأثر الحقلي من تضخيم الإشارة. قد يتسرَّب قليلٌ من إشارة الدخل عبر الخلال إلى الخرج، لكن حتى لو حدث ذلك، فإنّ إشارةَ الخرج لا تستطيع أن تكون أقوى من إشارة الدخل.
