Si vous êtes étudiant en ingénierie ou ingénieur, vous connaissez probablement les transistors et leur importance dans l'électronique moderne.
Mais vous êtes-vous déjà arrêté pour réfléchir à l'importance du biais de base pour le bon fonctionnement de ces appareils ? La polarisation de base est la tension continue appliquée au contact du porteur majoritaire d'un transistor.
Il est essentiel pour contrôler le flux de courant à travers l'appareil.
Sans la bonne polarisation de base, un transistor ne peut pas fonctionner correctement, ce qui peut entraîner un comportement étrange ou même une panne.
Dans cet article de blog, je parlerai de ce qu'est la polarisation de base et pourquoi elle est si importante pour le fonctionnement des transistors.
Que vous soyez un ingénieur chevronné ou que vous débutiez dans le domaine de l'électronique, vous devez comprendre le biais de base pour bien faire.
Plongeons-nous donc et apprenons ensemble le monde fascinant du biais de base.
Comprendre la polarisation de base et sa fonction dans les transistors
Définition formelle:
La tension continue qui est appliquée au contact du porteur majoritaire (base) d'un transistor.
Méthode de biais de base
La polarisation d'un transistor à jonction bipolaire (BJT) dans un circuit à transistor est simple et facile à faire avec la polarisation de base.
Cette méthode garantit que la tension de base correcte, VBB, est envoyée à la base, qui envoie ensuite le courant de base correct au BJT afin qu'il puisse s'allumer.
Dans un "circuit de polarisation de base fixe", une résistance de polarisation de base RB est connectée entre la base et une batterie de base VBB.
Cela garantit que le courant de base du transistor reste le même pour des valeurs données de VCC.
Méthodes pour obtenir le courant de base du signal zéro
Il existe plusieurs façons d'obtenir le courant de base de signal zéro IB nécessaire, comme la polarisation du collecteur à la base, la polarisation avec une résistance de rétroaction du collecteur ou la polarisation avec un diviseur de tension.
Lorsque la région linéaire de ce circuit est examinée, cela montre que le courant continu a un effet direct sur celui-ci.
En appliquant la loi de tension de Kirchhoff au circuit de base, nous pouvons obtenir une équation qui montre la relation entre IB et VBB.
Si vous connaissez VBB et RB, vous pouvez utiliser cette équation pour déterminer IB.
But de la résistance de polarisation
Une résistance de polarisation maintient suffisamment de courant dans la base pour que le transistor BJT ne soit ni surchargé ni désactivé.
La résistance de polarisation maintient le transistor à un certain point de fonctionnement ou décalage CC.
Certains BJT ont une résistance de polarisation interne pour réduire le nombre de pièces dans une conception, mais des résistances de polarisation externes sont nécessaires pour activer et désactiver les BJT.
Un transistor intégré à résistance de polarisation (BRT) est un transistor bipolaire qui possède à la fois une résistance de base et une résistance base-émetteur intégrées.
Avec ces résistances intégrées au transistor, les BRT réduisent le nombre de pièces externes nécessaires et facilitent la configuration de circuits discrets.
Polarisation du transistor
La polarisation du transistor est le processus consistant à donner au transistor une tension continue de sorte que la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en arrière.
Cela maintient le transistor dans sa région active afin qu'il puisse fonctionner comme un amplificateur.
L'utilisation correcte des condensateurs de couplage et de dérivation aidera à empêcher tout courant de polarisation d'entrer ou de sortir de la base du transistor.
La polarisation d'un transistor lui permet de fonctionner à la fois de manière analogique et numérique.
Sans polarisation, les amplificateurs BJT ne peuvent pas envoyer la bonne quantité de puissance aux bornes de charge.
Impact de la polarisation sur les performances de l'amplificateur
La configuration de la base affecte le fonctionnement d'un amplificateur à transistor.
La "polarisation de classe A" est le processus de configuration d'un amplificateur de sorte que le point de fonctionnement se situe au milieu de la partie droite de la courbe caractéristique du transistor.
Les amplificateurs de classe A sont polarisés en appliquant une tension continue sur la jonction base-émetteur du transistor de sorte que leur point de fonctionnement sans signal (au repos) se situe sur une partie linéaire du comportement du transistor.
La meilleure valeur pour la tension de polarisation d'un transistor est le double de la tension de sortie AC de crête.
Si vous modifiez la tension de polarisation d'un transistor, le point Q se déplacera également.
Révolutionnez votre électronique : exploitez la puissance de la polarisation de base
Toujours difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Vous en avez marre que vos transistors se cassent tout le temps parce qu'ils agissent bizarrement et ne fonctionnent pas correctement ? Regardez à quel point la puissance du biais de base est incroyable.
Oui, mettre une tension continue sur le contact porteur majoritaire de votre transistor peut faire la différence entre un fonctionnement fluide et fiable et une fusion ardente.
Alors pourquoi ne pas abandonner la prudence et plonger dans le monde sauvage des préjugés de base ?
D'accord, c'était juste une blague faite pour ressembler à une publicité télévisée.
Revenons maintenant à l'explication.
Facteurs affectant le biais de base
Effets de la température sur le biais de base
La température modifie la tension base-émetteur (VBE) et le courant de saturation inverse collecteur-base.
Cela modifie le point Q d'un circuit de polarisation de base (ICBO).
Lorsque la température augmente, VBE diminue à un taux de 2,5 mV/, tandis que ICBO augmente.
Cela fait monter le courant de base IB, ce qui oblige IC à changer, ce qui déplace le point Q du circuit.
Pour éviter que l'emballement thermique ne se produise, des mesures doivent être prises pour s'assurer que le biais est stable contre la propagation de hFE.
La polarisation de base et la polarisation collecteur-base sont moins affectées par les changements de VBE que la polarisation du diviseur de tension.
Cela fait de la polarisation de base et de la polarisation collecteur-base de meilleurs choix pour les circuits qui doivent être stables à différentes températures.
Lorsque le point Q d'un transistor bipolaire est proche du milieu de sa plage de fonctionnement, il est moins affecté par les changements de température.
Calcul de la tension de la résistance de base
La loi d'Ohm et la loi de tension de Kirchhoff sont utilisées pour déterminer la tension de la résistance de base dans un circuit avec une polarisation de base fixe.
Le moyen le plus simple de polariser un transistor consiste à utiliser un circuit de polarisation à base fixe.
Dans ce circuit, la polarisation de base reste la même pendant que le transistor fonctionne.
Pour configurer ce circuit, vous connectez une résistance de polarisation de base entre la base et une batterie de base VBB ou une autre source de tension constante.
Si nous avons un transistor = 100 et que nous voulons obtenir un courant d'émetteur de 1 mA, nous pouvons utiliser la loi d'Ohm et la loi de tension de Kirchhoff pour déterminer la taille de la résistance de polarisation de base.
Tout d'abord, nous devons découvrir ce qu'est VBB.
On peut écrire : VCC = IB * RB + VBE en utilisant la loi de tension de Kirchhoff.
Puisque IB est à peu près égal à IE/, où IE est le courant d'émetteur, est le gain DC du transistor, et VBE est d'environ 0,7 V pour les transistors au silicium, on peut écrire : VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) est ce que vous obtenez lorsque vous résolvez pour RB.
Vous pouvez également utiliser des calculateurs en ligne, tels que le Transistor Biasing Calculator d'Omni Calculator.
Cette calculatrice ne fonctionne qu'avec des transistors à jonction bipolaire (BJT) et propose différentes manières de régler la polarisation, telles que la polarisation de base fixe, la polarisation de rétroaction du collecteur, la polarisation de rétroaction de l'émetteur et la polarisation du diviseur de tension.
Pour utiliser ce calculateur pour la méthode de polarisation à base fixe, vous pouvez entrer des valeurs connues telles que la tension d'alimentation (VCC), le courant de collecteur souhaité (IC), le gain CC () et la tension de saturation (VCEsat).
La calculatrice vous donnera des résultats tels que le courant d'émetteur (IE), la résistance du collecteur (RC), la résistance de l'émetteur (RE) et la résistance de base (RB).
Méthodes pour fournir une polarisation à un transistor
Il existe de nombreuses façons de donner une polarisation à un transistor.
Parmi eux se trouvent :
- La polarisation de base ou "polarisation de courant fixe" n'est pas une très bonne méthode car les tensions et les courants de polarisation ne restent pas les mêmes pendant que le transistor fonctionne.
- Biais de base avec rétroaction de l'émetteur : cette méthode maintient le point de fonctionnement en courant continu stable même si la résistance change lorsque la température change.
- Biais de base avec rétroaction du collecteur : le nom de cette méthode vient du fait que, puisque RB est basé sur le collecteur, il existe un effet de rétroaction négative qui la rend plus stable que la polarisation de base seule.
- Polarisation collecteur-base : Dans cette méthode, une tension de polarisation est placée entre le collecteur et la base du transistor.
Cette méthode donne une tension de polarisation stable et peut être utilisée dans des circuits nécessitant une stabilité de température.
- Polarisation du diviseur de tension : dans cette méthode, la tension de base est définie avec un réseau diviseur de tension composé de deux résistances.
Techniques avancées pour le biais de base
La polarisation de base est un moyen important de faire fonctionner les transistors bipolaires dans leur région linéaire, nécessaire à l'amplification.
Mais les circuits de polarisation de base sont sensibles aux changements de température et aux paramètres des transistors, ce qui peut provoquer des changements de courant de collecteur difficiles à prévoir.
Pour améliorer le biais de base, les gens ont trouvé d'autres moyens de le rendre plus stable et prévisible.
Dans cet article, nous parlerons des techniques avancées de polarisation de base, telles que la polarisation de rétroaction d'émetteur, la polarisation d'émetteur, la polarisation de diviseur de tension et la polarisation de base commune pour mélanger et multiplier les signaux.
Biais de rétroaction de l'émetteur
La polarisation de rétroaction de l'émetteur est un moyen de configurer un transistor qui utilise à la fois la rétroaction de l'émetteur et la rétroaction de la base du collecteur pour maintenir la stabilité du courant du collecteur.
Dans cette méthode, une résistance d'émetteur est ajoutée au circuit de polarisation de base.
Cela rend la polarisation de base plus prévisible en créant une rétroaction négative, qui annule tout changement de courant de collecteur causé par un changement de tension de base.
La polarisation de rétroaction d'émetteur est meilleure que la polarisation de base car elle rend la polarisation de base plus stable et moins sensible aux changements de température et aux paramètres du transistor.
Cette méthode le fait en utilisant une rétroaction négative de la résistance de l'émetteur, ce qui rend ces changements moins perceptibles.
Biais de l'émetteur
La polarisation de l'émetteur est très stable même lorsque la température change, et elle utilise à la fois une tension d'alimentation positive et négative.
Dans un transistor BJT à émetteur commun, l'émetteur est connecté à la masse, de sorte que la tension d'entrée est mesurée à la base par rapport à la masse (l'émetteur) et la tension de sortie est mesurée au collecteur par rapport à la masse (le collecteur) ( émetteur).
La polarisation de l'émetteur peut rendre le point Q de la région active d'un amplificateur plus stable en s'assurant que la base du transistor est toujours correctement polarisée.
C'est mieux que le biais de base car il maintient le biais stable.
Biais du diviseur de tension
Le circuit de polarisation de base est moins stable que le circuit de polarisation du diviseur de tension.
La tension de base, qui n'est pas liée à la tension du collecteur, est fixée par un réseau diviseur de tension dans ce circuit.
Cela fait en sorte que les modifications de la tension du collecteur et des paramètres du transistor ont moins d'effet sur le point de polarisation.
La plupart du temps, l'impédance de sortie d'un diviseur de tension est bien supérieure à celle d'un circuit de polarisation de base.
Cela rend le diviseur de tension plus stable.
Biais de base
Les circuits de polarisation de base sont plus faciles à fabriquer et comportent moins de pièces que les circuits de polarisation de diviseur de tension, mais ils sont moins stables.
La tension de polarisation de base est directement liée à la tension de collecteur.
Si la tension du collecteur ou les paramètres du transistor changent, la tension de polarisation de base changera également, rendant le circuit instable.
Biais de base commun pour le mélange et la multiplication des signaux
Pour mélanger et multiplier les signaux dans un circuit de base commun, un élément non linéaire comme une diode ou un dispositif actif comme un transistor ou un FET reçoit la bonne quantité de polarisation.
Cela se produit lorsque deux signaux sont envoyés à travers un élément non linéaire.
Aux fréquences de somme et de différence des signaux d'origine, deux nouveaux signaux sont créés sur de nouvelles fréquences.
L'utilisation d'une configuration de polarisation d'émetteur avec un condensateur de dérivation est un moyen de configurer un circuit de base commun pour le mélange et la multiplication.
Une configuration de polarisation de diviseur de tension avec un condensateur de dérivation est une autre façon de procéder.
En bref, le biais de base a été rendu plus stable et prévisible grâce à l'utilisation de nouvelles techniques.
Même lorsque les paramètres de température et de transistor changent, la polarisation de rétroaction de l'émetteur et la polarisation de l'émetteur maintiennent la polarisation très stable.
La polarisation de base est moins stable que la polarisation du diviseur de tension, et la polarisation de base est utilisée pour mélanger et multiplier les signaux.
Jonction base-collecteur et chute de tension base-émetteur
Dans un transistor à jonction bipolaire, la jonction entre la base et le collecteur est toujours polarisée en inverse.
Cela signifie qu'une tension de polarisation inverse élevée peut être appliquée à la jonction avant qu'elle ne se rompe.
La tension de polarisation inverse agit comme une polarisation directe pour les porteurs minoritaires dans la base, les accélérant à travers la jonction base-collecteur et dans la région du collecteur.
Lorsque les jonctions émetteur-base et collecteur-base sont polarisées en direct, le courant circule de l'émetteur vers le collecteur.
Cela permet au transistor de faire son travail.
Dans cet état, appelé saturation, les deux jonctions sont polarisées en direct, et la tension entre la base et l'émetteur est d'au moins 0,7 V pour les transistors au silicium ou 0,3 V pour les transistors au germanium.
Polarisation de la jonction base-émetteur
La chute de tension de polarisation directe à travers la jonction base-émetteur affecte le fonctionnement d'un transistor en abaissant la barrière au niveau de la jonction émetteur-base.
Cela permet à plus de porteurs d'atteindre le collecteur et augmente le flux de courant de l'émetteur au collecteur et à travers le circuit externe.
Pour qu'un transistor fonctionne comme un amplificateur, chacune de ses jonctions doit être modifiée par une tension provenant de l'extérieur du transistor.
La première jonction PN, qui se trouve entre l'émetteur et la base, est polarisée dans le sens direct.
La deuxième jonction PN, qui se trouve entre la base et le collecteur, est polarisée dans le sens opposé.
Pour allumer un transistor, la chute de tension directe de la base à l'émetteur (VBE) doit être supérieure à zéro, généralement autour de 0,6 V.
Pour qu'un transistor fonctionne, la diode base-émetteur doit être polarisée en direct.
Lorsque VBE est supérieur à 0,6 V, les transistors fonctionnent en mode actif et amplifient les signaux.
Lorsque VBE est inférieur à 0,6 V, en revanche, les transistors sont dans un état appelé "mode de coupure", dans lequel aucun courant ne les traverse.
Pour qu'un transistor soit en mode actif inverse, la tension à l'émetteur doit être supérieure à la tension à la base, qui doit être supérieure à la tension au collecteur.
Techniques de polarisation de base
Différentes méthodes de polarisation de base, telles que la polarisation de rétroaction d'émetteur et la polarisation de diviseur de tension, peuvent être utilisées pour stabiliser le courant de collecteur et le rendre plus facile à prédire.
Le courant du collecteur est maintenu stable avec une polarisation de rétroaction de l'émetteur en utilisant à la fois la rétroaction de l'émetteur et celle du collecteur de base.
Lorsqu'une résistance d'émetteur est ajoutée au circuit de polarisation de base, l'effet des changements de température et les paramètres du transistor sont atténués.
Cela rend le biais de rétroaction de l'émetteur plus stable que le biais de base seul.
La polarisation du diviseur de tension utilise un réseau diviseur de tension pour régler la tension de base, qui est indépendante de la tension du collecteur et offre une stabilité de polarisation élevée.
Cette configuration est plus stable que la polarisation de base car elle n'utilise pas de deuxième alimentation, ce qui peut causer des problèmes.
Le gain en courant, e, d'un transistor est égal au courant de collecteur divisé par le courant de base.
Cela signifie qu'une petite quantité de courant de base peut contrôler un courant de collecteur beaucoup plus important, qui est à la base du fonctionnement d'un transistor.
Pour qu'un courant de collecteur circule, les trois parties du transistor doivent être polarisées en direct.
Cela signifie qu'un courant doit être conduit dans la base pour que la conduction ait lieu.
Le courant de collecteur d'un transistor augmente lorsque la tension de polarisation directe augmente.
Limitations de tension du collecteur de base
La hauteur maximale de la tension base-collecteur avant que la polarisation de l'émetteur ne cesse de fonctionner dépend du transistor utilisé et de ses spécifications.
La plupart du temps, le fabricant indiquera la tension nominale maximale du collecteur de base (Vbc) pour un transistor.
Cette valeur peut aller de quelques volts à plusieurs centaines de volts.
Lorsque la tension entre la base et le collecteur dépasse la valeur nominale maximale, le transistor peut tomber en panne et éventuellement être endommagé pour de bon.
Mais la polarisation de l'émetteur peut toujours fonctionner dans la plage de fonctionnement sûre du transistor même si la tension base-collecteur est supérieure à la valeur nominale maximale.
Calculs et analyse du biais de base
Calcul de la résistance de charge dans la polarisation de base
Dans un circuit de polarisation de résistance de base BJT, la résistance de charge peut être calculée à l'aide de la formule RL = (V CC - V BE) / IE, où V CC est la tension de l'alimentation, V BE est la tension aux bornes de la base-émetteur jonction, et IE est le courant de l'émetteur.
Cette formule permet de déterminer le nombre de résistances de polarisation nécessaires pour une certaine quantité de courant d'émetteur.
Configuration de la polarisation du diviseur de tension
En utilisant le théorème de Thevenin, vous pouvez trouver la configuration de polarisation pour un diviseur de tension.
Dans cette méthode, deux résistances sont connectées en série entre une source d'alimentation et la masse, et une résistance est connectée à la base du transistor.
Dans cette configuration, la résistance de charge est généralement la partie suivante du circuit ou une source de courant.
Les résistances de polarisation peuvent être calculées à l'aide de la formule R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, où R1 est la résistance entre la base et le diviseur de tension, R2 est l'autre résistance du diviseur de tension et V BE est la tension aux bornes de la jonction base-émetteur (généralement autour de 0,6-0,7 V pour un transistor au silicium).
Configuration du biais de rétroaction du collecteur
Dans la configuration de polarisation de rétroaction du collecteur, un courant d'émetteur est défini en plaçant une résistance entre le collecteur et la base d'un transistor.
De cette façon, il donne un retour et maintient le point de polarisation stable.
La loi d'Ohm peut être utilisée pour déterminer la résistance de charge, et la chute de tension à travers la résistance du collecteur peut être utilisée pour déterminer la tension du collecteur.
Gardez à l'esprit qu'il existe d'autres façons de polariser un circuit BJT, et la méthode que vous choisirez dépendra des besoins du circuit.
Circuit de polarisation de rétroaction du collecteur
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Cas d'utilisation
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Amplificateurs : | Dans les circuits amplificateurs, la polarisation de base est utilisée pour définir le point Q, qui est le niveau auquel le transistor fonctionne. En modifiant la tension de polarisation, les ingénieurs peuvent contrôler le facteur d'amplification et s'assurer que le signal sortant reste dans la plage souhaitée. |
| Allumer et éteindre : | Dans les circuits de commutation, où les transistors sont utilisés pour activer et désactiver les signaux électriques, la polarisation de base est également très importante. Dans ce cas, la tension de polarisation contrôle la tension de seuil nécessaire pour activer le transistor. Cela permet au circuit de basculer entre l'activation et la désactivation. |
| Sources d'énergie: | Dans les circuits d'alimentation, la polarisation de base est utilisée pour s'assurer que la tension de sortie reste stable et dans la bonne plage. En réglant la tension de polarisation à un certain niveau, les ingénieurs peuvent contrôler la quantité de courant qui traverse l'appareil et empêcher la tension de monter et de descendre. |
| Oscillateurs : | Dans les circuits oscillateurs, la polarisation de base est utilisée pour maintenir la fréquence de l'appareil au bon niveau. Les ingénieurs peuvent s'assurer que l'oscillateur produit une forme d'onde stable en modifiant la tension de polarisation. |
| Circuits capteurs : | Dans les circuits de capteurs, où les transistors sont utilisés pour détecter les changements de tension ou de courant, la polarisation de base peut également être utilisée. Les ingénieurs peuvent contrôler la sensibilité et la précision du capteur en réglant la tension de polarisation à un certain niveau. Cela permet au capteur de détecter même de petits changements dans le signal d'entrée. |
Conclusion
En fin de compte, la polarisation de base est une partie importante du fonctionnement d'un transistor qui ne peut être ignorée.
Une polarisation de base appropriée est importante pour des performances fiables car elle contrôle le flux de courant et maintient l'appareil stable.
Mais il est également important de réfléchir à ce que signifie la polarisation de base pour l'électronique en général.
Alors que notre monde devient de plus en plus dépendant de la technologie, nous devons réfléchir attentivement à la façon dont nous concevons et utilisons ces appareils pour minimiser leurs effets sur l'environnement et nos communautés.
En utilisant les idées de biais de base dans nos processus de conception et de production, nous pouvons fabriquer des appareils électroniques non seulement utiles, mais également respectueux de l'environnement et bons pour la société.
En tant qu'ingénieurs et technologues, il est de notre devoir de réfléchir à la façon dont notre travail affecte tout le monde, et les préjugés de base n'en sont qu'une petite partie.
Alors continuons à repousser les limites de ce qui est possible tout en gardant à l'esprit la vue d'ensemble.
Liens et références
Polarisation du transistor et tensions de polarisation de sortie :
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Polarisation du transistor bipolaire :
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Conférence 18 sur les dispositifs à semi-conducteurs :
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
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