คำถามพื้นฐานเกี่ยวกับการขยายทรานซิสเตอร์

ใครสามารถอธิบายได้ว่าทรานซิสเตอร์สามารถขยายแรงดันหรือกระแสได้อย่างไร ตามที่ฉันพูดการขยายหมายถึง - คุณส่งอะไรเล็ก ๆ น้อย ๆ ออกมามันใหญ่กว่า พูดเช่นฉันต้องการขยายคลื่นเสียง ฉันกระซิบกับเครื่องขยายเสียงและมันก็พูดออกมาว่าใหญ่กว่า 5 เท่า (ขึ้นอยู่กับปัจจัยของการขยายเสียง)

แต่เมื่อฉันอ่านเกี่ยวกับการกระทำของ Transistor Amplifyingหนังสือข้อความทั้งหมดบอกว่าตั้งแต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใน Base ΔIb แต่การเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ที่สอดคล้องกันใน Emitter current Δคือมีการขยาย แต่เครื่องขยายเสียงอยู่ที่ไหน สิ่งที่กำลังขยายตามที่ฉันได้กำหนดไว้? ความเข้าใจของฉันเกี่ยวกับการเพิ่มคำผิดหรือไม่? และกระแสจะถูกถ่ายโอนจากพื้นที่ต้านทานต่ำไปยังพื้นที่ต้านทานสูงได้อย่างไร?

ฉันคิดว่าฉันเข้าใจว่าทรานซิสเตอร์นั้นถูกสร้างขึ้นและกระแสไหลอย่างไร ทุกคนสามารถอธิบายการกระทำของการขยายทรานซิสเตอร์อย่างชัดเจนและเชื่อมโยงกับสิ่งที่ฉันเข้าใจเกี่ยวกับการขยาย

ฉันจะเริ่มต้นด้วยคำจำกัดความของการขยาย โดยทั่วไปแล้วการขยายเสียงเป็นเพียงอัตราส่วนระหว่างค่าสองค่า ไม่ได้หมายความว่าค่าเอาต์พุตจะมากกว่าค่าอินพุต (แม้ว่าจะเป็นวิธีที่ใช้บ่อยที่สุด) ไม่สำคัญว่าการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันจะใหญ่หรือเล็ก

ตอนนี้เราจะย้ายไปใช้ค่าการขยายทั่วไปที่ใช้:

ที่สำคัญที่สุด (และอีกคนหนึ่งพูดถึงคำถามของคุณเกี่ยว) เป็นβมันถูกกำหนดเป็นβ = ฉัน$\beta$ , โดยที่ฉันcคือกระแสที่เข้าสู่ตัวสะสมและฉันbคือกระแสเข้าไปในฐาน หากเราจัดเรียงสูตรอีกเล็กน้อยเราจะได้รับIc=βIbซึ่งเป็นสูตรที่ใช้บ่อยที่สุด เนื่องจากสูตรนั้นบางคนบอกว่าทรานซิสเตอร์ "ขยาย" กระแสฐาน$\beta= \frac {I_c} {I_b}$$I_c$$I_b$$I_c=\beta I_b$

ทีนี้มันเกี่ยวข้องกับตัวปล่อยกระแสอย่างไร? ดีที่เรายังมีสูตรเมื่อเรารวมสูตรที่มีสูตรที่สองที่เราได้รับβ ฉันB + ฉันB + ฉันE = 0 จากนั้นเราจะได้ตัวส่งกระแสเป็น- ฉันe = β ฉันb + ฉันb = ฉันb ( β + 1 ) (โปรดทราบว่าฉัน$I_c+I_b+I_e=0$$\beta I_b + I_b + I_e=0$$-I_e=\beta I_b + I_b= I_b (\beta + 1)$$I_e$ เป็นกระแสที่เข้าสู่ตัวปล่อยดังนั้นจึงเป็นค่าลบ)

จากนั้นคุณจะเห็นว่าการใช้เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการคำนวณเราสามารถเห็นความสัมพันธ์ระหว่างกระแสฐานของทรานซิสเตอร์และกระแส emitter ของทรานซิสเตอร์ เนื่องจากในทางปฏิบัติβอยู่ในช่วงร้อยถึงพันเราสามารถพูดได้ว่ากระแสไฟฟ้า "เล็ก" คือ "ขยาย" เป็น "ใหญ่" สะสมกระแสไฟฟ้า (ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่) โปรดทราบว่าฉันไม่ได้พูดเกี่ยวกับ delta ใด ๆ จนกระทั่งตอนนี้ นั่นเป็นเพราะทรานซิสเตอร์ในฐานะองค์ประกอบไม่ต้องการกระแสในการเปลี่ยนแปลง คุณสามารถเชื่อมต่อฐานกับกระแส DC คงที่และทรานซิสเตอร์จะทำงานได้ดี หากต้องการการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันมัน '$\beta$$\beta$

มีค่าอื่นยังใช้และชื่อคือαนี่คือสิ่งที่: α = I $\alpha$$\alpha = \frac {I_c} {I_e}$. When we rearrange that, we can see that $I_c= \alpha I_e$. So $\alpha$ is the value by which the emitter current is amplified in order to produce collector current. In this case, the amplification actually gives us a smaller output (although in practice $\alpha$ is close to 1, something like 0.98 or higher), because as we know, the emitter current going out of the transistor is the sum of the base current and collector current which are going into the transistor.

ทีนี้ฉันจะพูดเกี่ยวกับวิธีที่ทรานซิสเตอร์ขยายแรงดันและกระแส ความลับคือ: ไม่ แรงดันไฟฟ้าหรือเครื่องขยายเสียงในปัจจุบันทำ! แอมป์นั้นเป็นวงจรที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยซึ่งใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ นอกจากนี้ยังมีโหนดอินพุตและโหนดเอาต์พุต การขยายแรงดันไฟฟ้าคืออัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าระหว่างโหนดเหล่านั้น n การขยายปัจจุบันคืออัตราส่วนของกระแสระหว่างสองโหนดเหล่านี้:Ai=Iou$A_v = \frac {V_{out}}{V_{in}}$$A_i=\frac {I_{out}}{I_{in}}$ nเรายังมีเพาเวอร์แอมปลิฟายเออร์ซึ่งเป็นผลคูณของกระแสและแรงดันไฟฟ้า โปรดทราบว่าการขยายสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับโหนดที่เราเลือกเป็นโหนดอินพุตและโหนดเอาต์พุต!

มีค่าที่น่าสนใจอีกสองสามอย่างที่เกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ซึ่งคุณสามารถหาได้ที่นี่

So to sum this up: We have transistor which is doing something. In order to safely use transistor, we need to be able to represent what transistor is doing. One of the ways of representing processes happening in the transistor is to use the term "amplification". So using amplification, we can avoid actually understanding what is happening in transistor (if you have any semiconductor physics classes, you'll learn that there) and just have few equations which will be useful for a large number of practical problems.

Transistor does not amplify. Imagine sound waves hitting a microphone: what happens actually is that the sound signal does not pass into the microphone, but the microphone produces a signal corresponding to the sound signal; It is not the actual signal.

Remember that the actual signals in real world cannot be amplified or attenuated. Can you catch a sound or any other real world signal? No. They are as they are, we can only make a system which can work on the effect of the real world signal; sound waves hit on a microphone, light hits on a camera lens etc.

But when it comes to the case of a transistor, you apply an input signal to the base and you obtain a new signal corresponding to the input signal with greater amplitude in the collector. Keep in mind that this happens because a small change in the input side will correspond to a large change in the output side, due to the variation in the resistance. It is only an effect one to one. The output signal is totally a new signal of a grater amplitude, not the actual signal.

The signal is being amplified. Depending on the design of the transistor amplifier the actual base current may or may not be part of the output current. Don't get hung up on a definition of amplification that requires every input electron to get larger and then pass to the output...

The working principle of a BJT (Bipolar Junction Transistor), which makes it a useful thing, is that it amplifies current. Throw a small current in, get a larger current out. The amplification factor is an important parameter of the transistor, and is called $h_{FE}$. A general purpose transistor may have an $h_{FE}$ of 100, for instance, sometimes higher. Power transistors have to do it with less, like 20 to 30.
So if I inject a 1 mA current in the base of my general purpose NPN transistor I'll get 100 mA of collector current. That's amplification, right? Current amplification.

How about voltage amplification? Well, let's add a couple of resistors. Resistors are cheap, but if you want to make money you can try to sell them expensive by calling them "voltage-to-current converters" :-).

We've added a base resistor, which will cause a base current of

$I_B = \dfrac{V_B - 0.7 V}{R_B}$

And we know that the collector current $I_C$ is a factor $h_{FE}$ higher, so

$I_C = \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

Resistors are really great things, because next to "voltage-to-current converters" you an also use them as "current-to-voltage converters"! (we can charge even more for them!) Due to Ohm's Law:

$V_{RL} = R_L \cdot I_C$

and since $V_C = V_{CC} - V_{RL}$

we get

$V_C = V_{CC} - R_L \cdot \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

or

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B + \left(\dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot 0.7 V + V_{CC}\right)$

The term between the brackets is a constant which we're not interested in at the moment. The first term shows that $V_C$ is $V_B$ multiplied by some factor depending on three constants. Let's use concrete values: 100 for $h_{FE}$, 10 kΩ for $R_B$ and 1 kΩ for $R_C$. Then (again ignoring the constant factor)

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B = - \dfrac{100 \cdot 1k\Omega}{10 k\Omega} \cdot V_B = - 10 \cdot V_B$

So the output voltage is 10 times the input voltage plus a constant bias. Looks like we can use the transistor for voltage amplification as well.

Amplifiy sound, and you're amplifying the energy-flow: the input watts of sound become larger output watts.

Note that an electrical transformer doesn't amplify. It can step up voltage, but it cant increase the watts.

Transistors (and any sort of valve or switch) can amplify. They do it by using a tiny wattage to control a power supply which can output a huge wattage. The large output comes from the power supply, while the input signal is valving the transistpr on and off.

If you have a giant hydraulic press, you can crush cars by touching a valve switch with your little finger. The valve amplified your finger motion to mash Chevys. But actually it was the hundreds-HP haudraulic supply which provided the increased wattage. With NPNs, same idea. Transistors are valves for flowing charge instead of flowing haudraulic fluid.

What is my understanding is that for a transistor to amplify you need to bias it properly. Forward biasing of BE junction makes it a conducting diode so input resistance is less. Reverse biasing CE junction makes it non conducting diode so output resistance is high. And if Ic is almost equal to Ie then the current causes a low voltage drop at input and large one at output. This is why its called an Amplifier.

With a transistor, you can achieve this: Give a small signal(ac) at input, and get a larger valued(higher amplitude) signal at output. But this is not all. You have to give DC supply at collector and base; emitter if required. This is called biasing the dc point. The rms power you get at the output will be less than the dc power you have supplied.

If you want to do analysis, there are two steps involved for any circuit.

1. DC analysis: don't consider any ac signal. Find out the values of all diode currents based on dc voltage at various nodes(Collector, base , emitter). This is done by using KVL along various loops.

2. AC model:
   This makes very clear: what we draw as a circuit v/s what elements are actually present inside. Going further, the diode has forward resistance. So the actual model will be like this:

From DC analysis, you must have found the value of Ie. According to diode theory, Re = (26mV/Ie). Our aim is to find Vout/Vin.
1. Vout will depend on Ic.
2. Ic will depend on Ib.
3. Ib will depend on Vin and Re.
4. Re we have found from DC analysis.

In AC analysis, we make all the DC supply to 0V. By looking at this, you can make out that the output signal will be an amplified one, right?

Note: This was just to give you an intuitive idea that amplification does take place. But whether you will get amplification or not depends on whether the transistor is in linear(amplifier), saturation or cut off(switch). Again, what will be amplified(current or voltage) depends on type of configuration. So that all comprises of 3-4 chapters of any standard book on analog theory.