سایت آموزشی الکترونیک و کامپیوتر اوپن مقاله های آموزشی الکترونیک و کامپیوتر و فن آوری
اثر ارلی (Early Effect) و ولتاژ ارلی (Early Voltage) مفاهیمی مهم در عملکرد ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی (BJT) هستند که باعث میشوند جریان کلکتور-امیتر (collector current) اندکی به ولتاژ کلکتور-امیتر (collector-emitter voltage) وابسته باشد، حتی زمانی که جریان یا ولتاژ بیس (base) ثابت نگه داشته شده است.
در اینجا به توضیح کامل این دو پدیده میپردازیم:
اثر ارلی (Early Effect)
اثر ارلی که به نام کاشف آن، جیمز اِم. ارلی (James M. Early)، نامگذاری شده است، در واقع تغییر در عرض مؤثر بیس (Base Width Modulation) ترانزیستور BJT به دلیل تغییر در ولتاژ اعمال شده به پیوند کلکتور-بیس (Collector-Base Junction) است.
نحوه عملکرد:
- بایاس معکوس پیوند کلکتور-بیس: در ناحیه فعال (Active Region) عملکرد ترانزیستور، پیوند بیس-امیتر (Base-Emitter) بایاس مستقیم و پیوند کلکتور-بیس بایاس معکوس است.
- افزایش : با افزایش ولتاژ کلکتور-امیتر (
)، ولتاژ بایاس معکوس در پیوند کلکتور-بیس نیز افزایش مییابد.
- گسترش ناحیه تخلیه: افزایش بایاس معکوس در پیوند کلکتور-بیس باعث میشود که ناحیه تخلیه (Depletion Region) این پیوند گسترش یابد. از آنجایی که بیس معمولاً نسبت به کلکتور کمتر آلایش شده است، این گسترش بیشتر به داخل ناحیه بیس نفوذ میکند.
- کاهش عرض مؤثر بیس: نفوذ ناحیه تخلیه به داخل بیس، باعث کاهش عرض مؤثر بیس (W) میشود.
- افزایش جریان کلکتور (Ic): کاهش عرض مؤثر بیس دو نتیجه مهم دارد:
- افزایش گرادیان غلظت: کاهش
باعث افزایش شیب گرادیان غلظت حاملهای اقلیت (Minority Carriers) در بیس میشود که نتیجه آن افزایش تزریق حاملها از امیتر به بیس و در نهایت افزایش جریان کلکتور (
Ic) است.
- کاهش بازترکیبی: با کوچکتر شدن ناحیه بیس، احتمال بازترکیبی (Recombination) حاملهای اقلیت در بیس کاهش مییابد. این نیز به سهم خود باعث افزایش تعداد حاملهایی میشود که به کلکتور میرسند و
را افزایش میدهد.
- افزایش گرادیان غلظت: کاهش
نتیجه نهایی: افزایش منجر به افزایش جریان کلکتور (
Ic) میشود، در حالی که در حالت ایدهآل (بدون اثر ارلی)،
تنها به جریان بیس (Ib
) یا ولتاژ بیس-امیتر (Vbe
) وابسته است و باید با تغییر
ثابت میماند.
ولتاژ ارلی (Early Voltage)
ولتاژ ارلی () یک پارامتر برای مدلسازی اثر ارلی در محاسبات مدار است و یک ولتاژ فیزیکی قابل اندازهگیری در مدار نیست.
تعریف و مدلسازی:
- نمودار مشخصه خروجی: اگر خطوط مشخصه خروجی ترانزیستور (Ic
در مقابل Vce
) را برای مقادیر ثابت
(یا
) در ناحیه فعال، به سمت محور ولتاژ (به عقب) برونیابی (extrapolate) کنیم، مشاهده میشود که تمام این خطوط تقریباً در یک نقطه روی محور ولتاژ همدیگر را قطع میکنند.
- تعریف : قدر مطلق این نقطه تقاطع بر روی محور ولتاژ (در ناحیه منفی) را ولتاژ ارلی () مینامند.
- مدلسازی جریان کلکتور: اثر ارلی با استفاده از
در مدلسازی جریان کلکتور (
) لحاظ میشود. در ناحیه فعال، جریان کلکتور به صورت تقریبی با رابطه زیر مدل میشود:
که در آن جریان کلکتور ایدهآل (در صورت عدم وجود اثر ارلی) است.
اهمیت:
- مقاومت خروجی: ولتاژ ارلی مستقیماً با مقاومت خروجی AC ترانزیستور (
) مرتبط است. مقاومت خروجی AC به صورت زیر تعریف میشود:
در عمل و برای سادهسازی:
- تأثیر بر بهره: مقاومت خروجی
به صورت موازی با بار خروجی مدار قرار میگیرد و بر بهره ولتاژ (Voltage Gain) مدارات تقویتکننده اثر میگذارد. هرچه
بزرگتر باشد (معمولاً بین ۵۰ تا ۳۰۰ ولت برای BJTهای مدرن)،
بزرگتر بوده و عملکرد تقویتکننده به حالت ایدهآل نزدیکتر است (خطوط
افقیتر هستند).
اگر به یادگیری بیشتر در مورد الکترونیک علاقهمندید، میتوانید این ویدیو را ببینید: آموزش الکترونیک: اثر ارلی و مدولاسیون عرض بیس. این ویدیو توضیحاتی در مورد اثر ارلی و چگونگی مدولاسیون عرض بیس در ترانزیستور BJT ارائه میدهد.