Comprensione Della Polarizzazione Di Base Nei Transistor

Se sei uno studente di ingegneria o un ingegnere, probabilmente conosci i transistor e quanto sono importanti nell'elettronica moderna.

Ma ti sei mai fermato a pensare a quanto sia importante il pregiudizio di base per il funzionamento di questi dispositivi? La polarizzazione di base è la tensione continua applicata al contatto portante di maggioranza di un transistor.

È essenziale per controllare il flusso di corrente attraverso il dispositivo.

Senza la giusta polarizzazione di base, un transistor non può funzionare correttamente, il che può portare a comportamenti strani o addirittura a guasti.

In questo post sul blog, parlerò di cos'è il bias di base e perché è così importante per il modo in cui funzionano i transistor.

Che tu sia un ingegnere esperto o che abbia appena iniziato nel campo dell'elettronica, devi comprendere il pregiudizio di base per fare bene.

Quindi tuffiamoci e impariamo insieme l'affascinante mondo del pregiudizio di base.

Comprensione del bias di base e della sua funzione nei transistor

Definizione formale:

La tensione continua applicata al contatto portante di maggioranza (base) di un transistor.

Metodo di polarizzazione di base

La polarizzazione di un transistor a giunzione bipolare (BJT) in un circuito a transistor è semplice e facile da eseguire con la polarizzazione di base.

Questo metodo assicura che la corretta tensione di base, VBB, venga inviata alla base, che quindi invia la corretta corrente di base al BJT in modo che possa accendersi.

In un "circuito di polarizzazione di base fissa", un resistore di polarizzazione di base RB è collegato tra la base e una batteria di base VBB.

Ciò garantisce che la corrente di base del transistor rimanga la stessa per determinati valori di VCC.

Metodi per ottenere la corrente di base del segnale zero

Esistono diversi modi per ottenere la corrente di base IB a segnale zero necessaria, come la polarizzazione dal collettore alla base, la polarizzazione con un resistore di retroazione del collettore o la polarizzazione con un divisore di tensione.

Quando si osserva la regione lineare di questo circuito, si vede che DC ha un effetto diretto su di essa.

Applicando la legge della tensione di Kirchhoff al circuito di base, possiamo ottenere un'equazione che mostra la relazione tra IB e VBB.

Se conosci VBB e RB, puoi usare questa equazione per capire IB.

Scopo del resistore di polarizzazione

Un resistore di polarizzazione mantiene abbastanza corrente che fluisce nella base in modo che il transistor BJT non sia né sovraccaricato né spento.

Il resistore di polarizzazione mantiene il transistor a un certo punto operativo o offset CC.

Alcuni BJT hanno un resistore di polarizzazione interno per ridurre il numero di parti in un progetto, ma per accendere e spegnere i BJT sono necessari resistori di polarizzazione esterni.

Un transistor integrato con resistore di polarizzazione (BRT) è un transistor bipolare che ha sia un resistore di base che un resistore base-emettitore integrati.

Con questi resistori integrati nel transistor, i BRT riducono il numero di parti esterne necessarie e facilitano la configurazione di circuiti discreti.

Biasing a transistor

La polarizzazione del transistor è il processo che fornisce al transistor una tensione CC in modo che la giunzione emettitore-base sia polarizzata in avanti e la giunzione collettore-base sia polarizzata all'indietro.

Ciò mantiene il transistor nella sua regione attiva in modo che possa funzionare come amplificatore.

L'uso corretto dei condensatori di accoppiamento e bypass aiuterà a impedire a qualsiasi corrente di polarizzazione di entrare o uscire dalla base del transistor.

La polarizzazione di un transistor gli consente di funzionare sia in modo analogico che digitale.

Senza polarizzazione, gli amplificatori BJT non possono inviare la giusta quantità di potenza ai terminali di carico.

Impatto del bias sulle prestazioni dell'amplificatore

Il modo in cui è impostata la base influisce sul funzionamento di un amplificatore a transistor.

"Classe A bias" è il processo di impostazione di un amplificatore in modo che il punto operativo si trovi al centro della parte diritta della curva caratteristica del transistor.

Gli amplificatori di classe A sono polarizzati mettendo una tensione CC attraverso la giunzione base-emettitore del transistor in modo che il loro punto operativo senza segnale (quiescente) si trovi su una parte lineare del comportamento del transistor.

Il miglior valore per la tensione di polarizzazione di un transistor è due volte la tensione di uscita CA di picco.

Se cambi la tensione di polarizzazione di un transistor, anche il punto Q si sposterà.

Rivoluziona la tua elettronica: sfrutta la potenza del bias di base

Ancora difficile da capire? Permettimi di cambiare un po' il punto di vista:

Sei stufo che i tuoi transistor si rompano continuamente perché si comportano in modo strano e non funzionano bene? Guarda quanto è incredibile il potere del bias di base.

Sì, mettere una tensione continua sul contatto portante di maggioranza del tuo transistor può fare la differenza tra un funzionamento regolare e affidabile e una fusione infuocata.

Allora perché non lasciare andare la prudenza e tuffarsi nel mondo selvaggio del pregiudizio di base?

Ok, quello era solo uno scherzo fatto per sembrare uno spot televisivo.

Ora torniamo alla spiegazione.

Fattori che influenzano il bias di base

Effetti della temperatura sulla polarizzazione delle basi

La temperatura cambia la tensione base-emettitore (VBE) e la corrente di saturazione inversa collettore-base.

Questo cambia il punto Q di un circuito di polarizzazione di base (ICBO).

All'aumentare della temperatura, il VBE diminuisce a una velocità di 2,5 mV/, mentre l'ICBO aumenta.

Ciò fa aumentare la corrente di base IB, il che costringe IC a cambiare, il che sposta il punto Q del circuito.

Per evitare che si verifichi una fuga termica, è necessario adottare misure per assicurarsi che il bias sia stabile rispetto alla diffusione dell'hFE.

La polarizzazione di base e la polarizzazione da collettore a base sono meno influenzate dai cambiamenti nel VBE rispetto alla polarizzazione del partitore di tensione.

Ciò rende la polarizzazione di base e la polarizzazione da collettore a base scelte migliori per i circuiti che devono essere stabili a temperature diverse.

Quando il punto Q di un transistor bipolare è vicino al centro del suo intervallo operativo, è meno influenzato dalle variazioni di temperatura.

Calcolo della tensione del resistore di base

La legge di Ohm e la legge sulla tensione di Kirchhoff vengono utilizzate per capire qual è la tensione del resistore di base in un circuito con una polarizzazione di base fissa.

Il modo più semplice per polarizzare un transistor è con un circuito di polarizzazione a base fissa.

In questo circuito, la polarizzazione di base rimane la stessa mentre il transistor è in funzione.

Per impostare questo circuito, si collega un resistore di polarizzazione di base tra la base e una batteria di base VBB o un'altra fonte di tensione costante.

Se abbiamo un transistor =100 e vogliamo ottenere una corrente di emettitore di 1mA, possiamo usare la legge di Ohm e la legge sulla tensione di Kirchhoff per capire quanto deve essere grande il resistore di polarizzazione di base.

Innanzitutto, dobbiamo scoprire cos'è VBB.

Possiamo scrivere: VCC = IB * RB + VBE usando la legge del voltaggio di Kirchhoff.

Poiché IB è approssimativamente uguale a IE/, dove IE è la corrente di emettitore, è il guadagno DC del transistor e VBE è circa 0,7 V per i transistor al silicio, possiamo scrivere: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 v.

RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) è ciò che ottieni quando risolvi per RB.

Puoi anche utilizzare calcolatori online, come il Transistor Biasing Calculator di Omni Calculator.

Questo calcolatore funziona solo con transistor a giunzione bipolare (BJT) e offre diversi modi per impostare la polarizzazione, come la polarizzazione della polarizzazione di base fissa, la polarizzazione del feedback del collettore, la polarizzazione del feedback dell'emettitore e la polarizzazione del partitore di tensione.

Per utilizzare questo calcolatore per il metodo di polarizzazione a base fissa, è possibile inserire valori noti come la tensione di alimentazione (VCC), la corrente di collettore desiderata (IC), il guadagno CC () e la tensione di saturazione (VCEsat).

Il calcolatore ti darà risultati come corrente di emettitore (IE), resistenza di collettore (RC), resistenza di emettitore (RE) e resistenza di base (RB).

Metodi per fornire polarizzazione per un transistor

Esistono molti modi diversi per dare un bias a un transistor.

Tra questi ci sono:

• Base Bias o "Fixed Current Bias" non è un metodo molto buono perché le tensioni e le correnti di polarizzazione non rimangono le stesse mentre il transistor è in funzione.
• Bias di base con feedback dell'emettitore: questo metodo mantiene stabile il punto operativo in cc anche se la resistenza cambia al variare della temperatura.
• Base Bias with Collector Feedback: il nome di questo metodo deriva dal fatto che poiché RB è basato sul collector, c'è un effetto di feedback negativo che lo rende più stabile del solo base bias.
• Bias da collettore a base: in questo metodo, una tensione di polarizzazione viene inserita tra il collettore e la base del transistor.

Questo metodo fornisce una tensione di polarizzazione stabile e può essere utilizzato in circuiti che richiedono stabilità in temperatura.

• Bias del divisore di tensione: in questo metodo, la tensione di base viene impostata con una rete di partitore di tensione composta da due resistori.

Tecniche avanzate per il bias di base

La polarizzazione di base è un modo importante per far funzionare i transistor bipolari nella loro regione lineare, necessaria per l'amplificazione.

Ma i circuiti di polarizzazione di base sono sensibili ai cambiamenti della temperatura e dei parametri dei transistor, che possono causare cambiamenti nella corrente del collettore difficili da prevedere.

Per migliorare il pregiudizio di base, le persone hanno escogitato altri modi per renderlo più stabile e prevedibile.

In questo articolo parleremo di tecniche avanzate per la polarizzazione di base, come la polarizzazione del feedback dell'emettitore, la polarizzazione dell'emettitore, la polarizzazione del partitore di tensione e la polarizzazione della base comune per la miscelazione e la moltiplicazione dei segnali.

Bias Emettitore-Feedback

La polarizzazione del feedback dell'emettitore è un modo per impostare un transistor che utilizza sia il feedback dell'emettitore che il feedback del collettore di base per mantenere stabile la corrente del collettore.

In questo metodo, un resistore di emettitore viene aggiunto al circuito di polarizzazione di base.

Ciò rende la polarizzazione di base più prevedibile creando un feedback negativo, che annulla qualsiasi cambiamento nella corrente del collettore causato da un cambiamento nella tensione di base.

La polarizzazione del feedback dell'emettitore è migliore della polarizzazione della base perché rende la polarizzazione della base più stabile e meno sensibile alle variazioni di temperatura e ai parametri del transistor.

Questo metodo lo fa utilizzando un feedback negativo dal resistore dell'emettitore, che rende questi cambiamenti meno evidenti.

Bias dell'emettitore

La polarizzazione dell'emettitore è molto stabile anche quando la temperatura cambia e utilizza sia una tensione di alimentazione positiva che negativa.

In un transistor BJT a emettitore comune, l'emettitore è collegato a terra, quindi la tensione di ingresso viene misurata alla base rispetto a terra (l'emettitore) e la tensione di uscita viene misurata al collettore rispetto a terra (il collettore) ( emettitore).

La polarizzazione dell'emettitore può rendere più stabile il punto Q della regione attiva di un amplificatore assicurandosi che la base del transistor sia sempre polarizzata correttamente.

È migliore della polarizzazione di base perché mantiene stabile la distorsione.

Bias del divisore di tensione

Il circuito di polarizzazione di base è meno stabile del circuito di polarizzazione del partitore di tensione.

La tensione di base, che non è correlata alla tensione del collettore, è impostata da una rete di partitore di tensione in questo circuito.

Ciò fa in modo che i cambiamenti nella tensione del collettore e nei parametri del transistor abbiano un effetto minore sul punto di polarizzazione.

Il più delle volte, l'impedenza di uscita di un partitore di tensione è molto più alta di quella di un circuito di polarizzazione di base.

Questo rende il partitore di tensione più stabile.

Pregiudizio di base

I circuiti di polarizzazione di base sono più facili da realizzare e hanno meno parti rispetto ai circuiti di polarizzazione del partitore di tensione, ma sono meno stabili.

La tensione di polarizzazione di base è direttamente collegata alla tensione del collettore.

Se la tensione del collettore o i parametri del transistor cambiano, anche la tensione di polarizzazione di base cambierà, rendendo il circuito instabile.

Bias di base comune per la miscelazione e la moltiplicazione del segnale

Per mescolare e moltiplicare i segnali in un circuito di base comune, un elemento non lineare come un diodo o un dispositivo attivo come un transistor o un FET riceve la giusta quantità di polarizzazione.

Ciò accade quando due segnali vengono inviati attraverso un elemento non lineare.

Alle frequenze di somma e differenza dei segnali originali, vengono prodotti due nuovi segnali su nuove frequenze.

L'utilizzo di una configurazione di polarizzazione dell'emettitore con un condensatore di bypass è un modo per impostare un circuito di base comune per la miscelazione e la moltiplicazione.

Una configurazione di polarizzazione del divisore di tensione con un condensatore di bypass è un altro modo per farlo.

In breve, il bias di base è stato reso più stabile e prevedibile attraverso l'uso di nuove tecniche.

Anche quando la temperatura e i parametri del transistor cambiano, la polarizzazione del feedback dell'emettitore e la polarizzazione dell'emettitore mantengono la polarizzazione molto stabile.

La polarizzazione di base è meno stabile della polarizzazione del partitore di tensione e la polarizzazione di base viene utilizzata per mescolare e moltiplicare i segnali.

Giunzione base-collettore e caduta di tensione base-emettitore

In un transistor a giunzione bipolare, la giunzione tra base e collettore è sempre polarizzata inversamente.

Ciò significa che è possibile applicare un'elevata tensione di polarizzazione inversa alla giunzione prima che si rompa.

La tensione di polarizzazione inversa agisce come polarizzazione diretta per i portatori minoritari nella base, accelerandoli attraverso la giunzione base-collettore e nella regione del collettore.

Quando entrambe le giunzioni emettitore-base e collettore-base sono polarizzate in avanti, la corrente fluisce dall'emettitore al collettore.

Ciò consente al transistor di svolgere il proprio lavoro.

In questo stato, chiamato saturazione, entrambe le giunzioni sono polarizzate in avanti e la tensione tra la base e l'emettitore è di almeno 0,7 V per i transistor al silicio o 0,3 V per i transistor al germanio.

Biasing giunzione base-emettitore

La caduta di tensione di polarizzazione diretta attraverso la giunzione base-emettitore influisce sul funzionamento di un transistor abbassando la barriera alla giunzione base-emettitore.

Ciò consente a più portatori di arrivare al collettore e aumenta il flusso di corrente dall'emettitore al collettore e attraverso il circuito esterno.

Affinché un transistor funzioni come amplificatore, ciascuna delle sue giunzioni deve essere modificata da una tensione che proviene dall'esterno del transistor.

La prima giunzione PN, che si trova tra l'emettitore e la base, è polarizzata in avanti.

La seconda giunzione PN, che si trova tra la base e il collettore, è polarizzata nella direzione opposta.

Per accendere un transistor, la caduta di tensione diretta dalla base all'emettitore (VBE) deve essere maggiore di zero, solitamente intorno a 0,6 V.

Affinché un transistor funzioni, il diodo base-emettitore deve essere polarizzato in avanti.

Quando VBE è superiore a 0,6 V, i transistor funzionano in modalità attiva e amplificano i segnali.

Quando VBE è inferiore a 0,6 V, d'altra parte, i transistor si trovano in uno stato chiamato "modalità di interruzione", in cui non scorre corrente attraverso di essi.

Affinché un transistor sia in modalità attiva inversa, la tensione all'emettitore deve essere superiore alla tensione alla base, che deve essere superiore alla tensione al collettore.

Tecniche di bias di base

Diversi metodi di polarizzazione della base, come la polarizzazione del feedback dell'emettitore e la polarizzazione del partitore di tensione, possono essere utilizzati per stabilizzare la corrente del collettore e renderla più facile da prevedere.

La corrente del collettore viene mantenuta costante con la polarizzazione del feedback dell'emettitore utilizzando sia il feedback dell'emettitore che quello del collettore di base.

Quando un resistore di emettitore viene aggiunto al circuito di polarizzazione di base, l'effetto delle variazioni di temperatura e i parametri del transistor vengono ridotti.

Ciò rende la polarizzazione del feedback dell'emettitore più stabile della sola polarizzazione della base.

La polarizzazione del divisore di tensione utilizza una rete del divisore di tensione per impostare la tensione di base, che è indipendente dalla tensione del collettore e offre un'elevata stabilità di polarizzazione.

Questa configurazione è più stabile della polarizzazione di base perché non utilizza un secondo alimentatore, che può causare problemi.

Il guadagno di corrente, e, di un transistor è uguale alla corrente di collettore divisa per la corrente di base.

Ciò significa che una piccola quantità di corrente di base può controllare una corrente di collettore molto più grande, che è la base del funzionamento di un transistor.

Affinché la corrente del collettore scorra, tutte e tre le parti del transistor devono essere polarizzate in avanti.

Ciò significa che una corrente deve essere spinta nella base affinché avvenga la conduzione.

La corrente del collettore di un transistor aumenta quando aumenta la tensione di polarizzazione diretta.

Limiti di tensione del collettore di base

L'altezza della tensione del collettore di base prima che la polarizzazione dell'emettitore smetta di funzionare dipende dal transistor utilizzato e dalle sue specifiche.

La maggior parte delle volte, il produttore elencherà la tensione massima del collettore di base (Vbc) per un transistor.

Questa valutazione può variare da pochi volt a diverse centinaia di volt.

Quando la tensione tra la base e il collettore supera il valore massimo, il transistor può rompersi e possibilmente essere danneggiato per sempre.

Ma la polarizzazione dell'emettitore può ancora funzionare all'interno dell'intervallo operativo sicuro del transistor anche se la tensione base-collettore è superiore al valore nominale massimo.

Calcoli e analisi del bias di base

Calcolo della resistenza al carico nella polarizzazione di base

In un circuito di polarizzazione del resistore di base BJT, la resistenza di carico può essere calcolata utilizzando la formula RL = (V CC - V BE) / IE, dove V CC è la tensione dall'alimentatore, V BE è la tensione attraverso l'emettitore di base giunzione, e IE è la corrente di emettitore.

Questa formula aiuta a capire quanti resistori di polarizzazione sono necessari per una certa quantità di corrente di emettitore.

Configurazione della polarizzazione del divisore di tensione

Usando il teorema di Thevenin, puoi trovare la configurazione di polarizzazione per un partitore di tensione.

In questo metodo, due resistori sono collegati in serie tra una fonte di alimentazione e la terra e un resistore è collegato alla base del transistor.

In questa configurazione, la resistenza di carico è solitamente la parte successiva del circuito o una sorgente di corrente.

I resistori di polarizzazione possono essere calcolati utilizzando la formula R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, dove R1 è il resistore tra la base e il partitore di tensione, R2 è l'altro resistore nel partitore di tensione e V BE è la tensione attraverso la giunzione base-emettitore (solitamente intorno a 0,6-0,7 V per un transistor al silicio).

Configurazione della polarizzazione del feedback del collettore

Nella configurazione di polarizzazione del feedback del collettore, viene impostata una corrente di emettitore inserendo un resistore tra il collettore e la base di un transistor.

In questo modo fornisce feedback e mantiene stabile il punto di polarizzazione.

La legge di Ohm può essere utilizzata per calcolare la resistenza del carico e la caduta di tensione attraverso il resistore del collettore può essere utilizzata per calcolare la tensione del collettore.

Tieni presente che esistono altri modi per polarizzare un circuito BJT e il metodo che scegli dipenderà dalle esigenze del circuito.

Circuito di polarizzazione del feedback del collettore

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Casi d'uso

Usato in:	Descrizione:
Amplificatori:	Nei circuiti dell'amplificatore, la polarizzazione di base viene utilizzata per impostare il punto Q, che è il livello a cui funziona il transistor. Modificando la tensione di polarizzazione, gli ingegneri possono controllare il fattore di amplificazione e assicurarsi che il segnale in uscita rimanga nell'intervallo desiderato.
Accensione e spegnimento:	Nei circuiti di commutazione, in cui i transistor vengono utilizzati per accendere e spegnere i segnali elettrici, anche la polarizzazione di base è molto importante. In questo caso, la tensione di polarizzazione controlla la tensione di soglia necessaria per accendere il transistor. Ciò consente al circuito di passare dall'accensione allo spegnimento.
Fonti di potere:	Nei circuiti di alimentazione, la polarizzazione di base viene utilizzata per garantire che la tensione di uscita rimanga stabile e nel giusto intervallo. Impostando la tensione di polarizzazione a un certo livello, gli ingegneri possono controllare la quantità di corrente che scorre attraverso il dispositivo e impedire che la tensione salga e scenda.
Oscillatori:	Nei circuiti dell'oscillatore, la polarizzazione di base viene utilizzata per mantenere la frequenza del dispositivo al giusto livello. Gli ingegneri possono assicurarsi che l'oscillatore crei una forma d'onda costante modificando la tensione di polarizzazione.
Circuiti sensore:	Nei circuiti dei sensori, in cui i transistor vengono utilizzati per rilevare variazioni di tensione o corrente, è possibile utilizzare anche la polarizzazione di base. Gli ingegneri possono controllare la sensibilità e la precisione del sensore impostando la tensione di polarizzazione a un certo livello. Ciò consente al sensore di rilevare anche piccoli cambiamenti nel segnale di ingresso.

Conclusione

Alla fine, la polarizzazione di base è una parte importante del funzionamento di un transistor che non può essere ignorata.

Una corretta polarizzazione della base è importante per prestazioni affidabili perché controlla il flusso di corrente e mantiene stabile il dispositivo.

Ma è anche importante pensare a cosa significhi la polarizzazione di base per l'elettronica in generale.

Poiché il nostro mondo diventa sempre più dipendente dalla tecnologia, dobbiamo pensare attentamente a come progettiamo e utilizziamo questi dispositivi per ridurre al minimo i loro effetti sull'ambiente e sulle nostre comunità.

Utilizzando le idee del pregiudizio di base nei nostri processi di progettazione e produzione, possiamo realizzare elettronica non solo utile ma anche rispettosa dell'ambiente e buona per la società.

Come ingegneri e tecnologi, è nostro compito pensare a come il nostro lavoro influisce su tutti, e il pregiudizio di base è solo una piccola parte di questo.

Quindi continuiamo a spingere i limiti di ciò che è possibile tenendo presente il quadro generale.

Link e riferimenti

Tensione di polarizzazione del transistor e di polarizzazione dell'uscita:

https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages

Bipolarizzazione del transistor bipolare:

https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing

Dispositivi a stato solido Lezione 18:

https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf