あなたが工学部の学生またはエンジニアであれば、おそらくトランジスタについて、またそれらが現代の電子機器においてどれほど重要であるかを知っているでしょう。
しかし、これらのデバイスがどれだけうまく機能するかについて、ベースバイアスがどれほど重要かについて考えたことはありますか? ベースバイアスは、トランジスタの多数キャリア接点に印加される直流電圧です。
デバイスを流れる電流を制御するために不可欠です。
適切なベース バイアスがないと、トランジスタは正常に機能せず、異常な動作や故障につながる可能性があります。
このブログ投稿では、ベース バイアスとは何か、トランジスタの動作にとってなぜそれが重要なのかについて説明します。
あなたがベテランのエンジニアであろうと、電子工学の分野を始めたばかりであろうと、成功するにはベース バイアスを理解する必要があります。
それでは、ベース バイアスの魅力的な世界に飛び込んで一緒に学びましょう。
トランジスタにおけるベースバイアスとその機能を理解する
正式な定義:
トランジスタの多数キャリア接点 (ベース) に印加される直流電圧。
ベースバイアス法
トランジスタ回路内のバイポーラ接合トランジスタ (BJT) のバイアスは、ベース バイアスを使用すると簡単に実行できます。
この方法により、正しいベース電圧 (VBB) がベースに送られ、正しいベース電流が BJT に送られ、ターンオンできるようになります。
「固定ベース バイアス回路」では、ベース バイアス抵抗 RB がベースとベース バッテリ VBB の間に接続されます。
これにより、トランジスタのベース電流が VCC の特定の値に対して同じに保たれます。
ゼロ信号ベース電流を取得する方法
必要なゼロ信号ベース電流 IB を得るには、コレクタからベースへのバイアス、コレクタ フィードバック抵抗によるバイアス、分圧器によるバイアスなど、いくつかの方法があります。
この回路の線形領域を見ると、DC が直接影響していることがわかります。
キルヒホッフの電圧法則をベース回路に適用すると、IB と VBB の関係を示す式が得られます。
VBB と RB がわかっている場合は、この式を使用して IB を計算できます。
バイアス抵抗の目的
バイアス抵抗は、BJT トランジスタが過負荷になったりオフになったりしないように、ベースに十分な電流を流し続けます。
バイアス抵抗は、トランジスタを特定の動作点または DC オフセットに保ちます。
一部の BJT には、設計内の部品数を削減するために内部バイアス抵抗がありますが、BJT をオン/オフするには外部バイアス抵抗が必要です。
バイアス抵抗ビルトイントランジスタ (BRT) は、ベース抵抗とベースエミッタ抵抗の両方を内蔵したバイポーラトランジスタです。
これらの抵抗がトランジスタに組み込まれているため、BRT は必要な外付け部品の数を減らし、ディスクリート回路のセットアップを容易にします。
トランジスタのバイアス
トランジスタのバイアスは、トランジスタに DC 電圧を与えて、エミッタ - ベース接合が順方向にバイアスされ、コレクタ - ベース接合が逆方向にバイアスされるようにするプロセスです。
これにより、トランジスタがアクティブ領域に保持され、アンプとして機能できるようになります。
カップリング コンデンサとバイパス コンデンサを適切に使用すると、バイアス電流がトランジスタのベースに出入りするのを防ぐことができます。
トランジスタのバイアスにより、アナログとデジタルの両方の方法で動作できます。
バイアスをかけないと、BJT アンプは適切な量の電力を負荷端子に送ることができません。
アンプの性能に対するバイアスの影響
ベースがどのようにセットアップされるかは、トランジスタアンプの動作に影響します。
「クラス A バイアス」とは、トランジスタの特性曲線の直線部分の中間に動作点がくるようにアンプを設定するプロセスです。
クラス A アンプは、無信号 (静止) 動作点がトランジスタの動作の線形部分になるように、トランジスタのベース - エミッタ接合に DC 電圧を印加することによってバイアスをかけます。
トランジスタのバイアス電圧の最適値は、ピーク AC 出力電圧の 2 倍です。
トランジスタのバイアス電圧を変えると、Q点も移動します。
電子機器に革命を：ベースバイアスの力を活用
まだわかりにくい？少し視点を変えてみましょう：
トランジスタの動作がおかしくて正常に動作しないために、トランジスタが頻繁に壊れてしまうことにうんざりしていませんか? ベースバイアスの力がどれほど素晴らしいか見てください。
はい、トランジスタの多数キャリア接点に直流電圧をかけると、スムーズで信頼性の高い動作と激しいメルトダウンの違いが生まれます。
では、警戒を手放して、ベースバイアスの野生の世界に飛び込んでみませんか?
わかりました、それはテレビコマーシャルのように見せかけた冗談です。
では、説明に戻りましょう。
ベースバイアスに影響を与える要因
ベースバイアスに対する温度の影響
温度は、ベース - エミッタ間電圧 (VBE) とコレクタ - ベースの逆方向飽和電流を変化させます。
これにより、ベースバイアス回路 (ICBO) の Q ポイントが変化します。
温度が上昇すると、VBE は 2.5 mV/ の割合で低下し、ICBO は上昇します。
これにより、ベース電流 IB が上昇し、IC が変化し、回路の Q ポイントが移動します。
熱暴走が起こらないようにするには、バイアスが hFE の広がりに対して安定していることを確認するための手順を実行する必要があります。
ベース バイアスとコレクタ-ベース バイアスは、分圧器バイアスよりも VBE の変化の影響を受けません。
これにより、さまざまな温度で安定する必要がある回路では、ベース バイアスとコレクタ-ベース バイアスがより適切な選択になります。
バイポーラ トランジスタの Q ポイントが動作範囲の中央付近にある場合、温度変化による影響は少なくなります。
ベース抵抗電圧の計算
オームの法則とキルヒホッフの電圧の法則は、固定ベース バイアスを持つ回路のベース抵抗の電圧を把握するために使用されます。
トランジスタをバイアスする最も簡単な方法は、固定ベースバイアス回路を使用することです。
この回路では、トランジスタが動作している間、ベースバイアスは同じままです。
この回路をセットアップするには、ベースとベース バッテリ VBB または別の定電圧源の間にベース バイアス抵抗を接続します。
=100 のトランジスタがあり、1mA のエミッタ電流を得たい場合、オームの法則とキルヒホッフの電圧法則を使用して、ベース バイアス抵抗に必要な大きさを計算できます。
まず、VBB とは何かを調べる必要があります。
キルヒホッフの電圧法則を使用して、VCC = IB * RB + VBE と書くことができます。
IB は IE/ にほぼ等しく、IE はエミッタ電流、トランジスタの DC ゲイン、VBE はシリコン トランジスタの約 0.7V であるため、次のように書くことができます。 VBB = VCC - (IE/)*RB - 0.7 V.
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) は、RB を解くと得られるものです。
Omni Calculator の Transistor Biasing Calculator などのオンライン計算機を使用することもできます。
この計算機はバイポーラ接合トランジスタ (BJT) でのみ機能し、固定ベース バイアス バイアス、コレクタ フィードバック バイアス、エミッタ フィードバック バイアス、分圧器バイアスなど、バイアスを設定するさまざまな方法を提供します。
この計算機を固定ベース バイアス法に使用するには、供給電圧 (VCC)、目的のコレクタ電流 (IC)、DC ゲイン ()、飽和電圧 (VCEsat) などの既知の値を入力できます。
電卓は、エミッタ電流 (IE)、コレクタ抵抗 (RC)、エミッタ抵抗 (RE)、ベース抵抗 (RB) などの結果を提供します。
トランジスタにバイアスを与える方法
トランジスタにバイアスを与えるには、さまざまな方法があります。
その中には次のものがあります。
- ベースバイアスまたは「固定電流バイアス」は、トランジスタの動作中にバイアス電圧と電流が同じにならないため、あまり良い方法ではありません。
- エミッタ フィードバックを伴うベース バイアス: この方法は、温度が変化して抵抗が変化しても、DC 動作点を安定に保ちます。
- コレクター フィードバックを使用したベース バイアス: この方法の名前は、RB がコレクターに基づいているため、ベース バイアスのみよりも安定する負のフィードバック効果があるという事実に由来しています。
- コレクタ-ベース バイアス: この方法では、バイアス電圧がトランジスタのコレクタとベースの間に置かれます。
この方法により、安定したバイアス電圧が得られ、温度安定性が必要な回路で使用できます。
- 分圧器バイアス: この方法では、ベース電圧は 2 つの抵抗で構成される分圧器ネットワークで設定されます。
ベースバイアスの高度なテクニック
ベース バイアスは、増幅に必要な線形領域でバイポーラ トランジスタを動作させるための重要な方法です。
しかし、ベース バイアス回路は温度やトランジスタ パラメータの変化に敏感であり、予測が困難なコレクタ電流の変化を引き起こす可能性があります。
ベースバイアスを改善するために、人々はそれをより安定して予測可能にする他の方法を考え出しました.
この記事では、エミッタ フィードバック バイアス、エミッタ バイアス、分圧器バイアス、信号を混合および乗算するための共通ベース バイアスなど、ベース バイアスの高度な手法について説明します。
エミッタ フィードバック バイアス
エミッタ フィードバック バイアスは、エミッタ フィードバックとベース コレクタ フィードバックの両方を使用してコレクタ電流を安定に保つトランジスタをセットアップする方法です。
この方法では、ベースバイアス回路にエミッタ抵抗が追加されます。
これにより、ベース電圧の変化によって引き起こされるコレクタ電流の変化を相殺する負のフィードバックが作成されるため、ベースバイアスがより予測しやすくなります。
エミッタ フィードバック バイアスはベース バイアスよりも優れています。これは、ベース バイアスがより安定し、温度やトランジスタのパラメータの変化の影響を受けにくくなるためです。
この方法では、エミッタ抵抗からの負帰還を使用してこれを行い、これらの変化を目立たなくします。
エミッタバイアス
エミッタバイアスは、温度が変化しても非常に安定しており、正と負の両方の電源電圧を使用します。
共通エミッタ BJT トランジスタでは、エミッタがグランドに接続されているため、入力電圧はグランド (エミッタ) に対してベースで測定され、出力電圧はグランド (コレクタ) に対してコレクタで測定されます (エミッター)。
エミッタ バイアスは、トランジスタのベースが常に正しくバイアスされていることを確認することで、アンプのアクティブ領域の Q ポイントをより安定させることができます。
バイアスを安定に保つため、ベースバイアスよりも優れています。
分圧器のバイアス
ベース バイアス回路は、分圧器バイアス回路よりも安定性が低くなります。
コレクタ電圧に関係のないベース電圧は、この回路の分圧器ネットワークによって設定されます。
これにより、コレクタ電圧とトランジスタのパラメータの変化がバイアス点に与える影響が少なくなります。
ほとんどの場合、分圧器の出力インピーダンスはベース バイアス回路の出力インピーダンスよりもはるかに高くなります。
これにより、分圧器がより安定します。
ベースバイアス
ベース バイアス回路は、分圧器バイアス回路よりも簡単に作成でき、部品点数も少ないですが、安定性は劣ります。
ベースバイアス電圧は、コレクタ電圧に直接リンクされています。
トランジスタのコレクタ電圧またはパラメータが変化すると、ベースバイアス電圧も変化し、回路が不安定になります。
信号のミキシングと乗算のためのコモン ベース バイアス
共通ベース回路で信号を混合して乗算するには、ダイオードなどの非線形要素、またはトランジスタや FET などのアクティブ デバイスに適切な量のバイアスを与えます。
これは、2 つの信号が非線形要素を介して送信されるときに発生します。
元の信号の和周波数と差周波数で、新しい周波数で 2 つの新しい信号が作成されます。
バイパス コンデンサを使用したエミッタ バイアス構成を使用することは、ミキシングおよび乗算用の共通ベース回路を設定する 1 つの方法です。
別の方法として、バイパス コンデンサを使用した分圧器バイアス構成があります。
つまり、ベース バイアスは、新しい手法を使用することで、より安定し、予測可能になりました。
温度やトランジスタのパラメータが変化しても、エミッタ フィードバック バイアスとエミッタ バイアスはバイアスを非常に安定させます。
ベース バイアスは分圧器バイアスより安定性が低く、ベース バイアスは信号の混合と乗算に使用されます。
ベース - コレクタ接合およびベース - エミッタ間電圧降下
バイポーラ接合トランジスタでは、ベースとコレクタの間の接合は常に逆バイアスされています。
これは、接合部が破損する前に高い逆バイアス電圧を接合部に印加できることを意味します。
逆バイアス電圧は、ベース内の少数キャリアの順バイアスとして機能し、ベース-コレクタ接合を通過してコレクタ領域に入る速度を上げます。
エミッタ - ベース接合とコレクタ - ベース接合の両方が順方向にバイアスされている場合、電流はエミッタからコレクタに流れます。
これにより、トランジスタはその役割を果たします。
飽和と呼ばれるこの状態では、両方の接合部が順方向にバイアスされ、ベースとエミッタ間の電圧は、シリコン トランジスタの場合は少なくとも 0.7V、ゲルマニウム トランジスタの場合は 0.3V になります。
ベース-エミッタ接合バイアス
ベース - エミッタ接合の順方向バイアス電圧降下は、エミッタ - ベース接合の障壁を下げることによって、トランジスタの動作に影響を与えます。
これにより、より多くのキャリアがコレクタに到達し、エミッタからコレクタへ、および外部回路を通る電流の流れが増加します。
トランジスタがアンプとして機能するためには、トランジスタの外部からの電圧によって各ジャンクションを変化させる必要があります。
エミッタとベースの間にある最初の PN 接合は、順方向にバイアスされます。
ベースとコレクタの間にある 2 番目の PN 接合は、反対方向にバイアスされます。
トランジスタをオンにするには、ベースからエミッタへの順方向電圧降下 (VBE) がゼロより大きくなければならず、通常は約 0.6V です。
トランジスタが機能するためには、ベース - エミッター ダイオードが順方向にバイアスされている必要があります。
VBE が 0.6V よりも高い場合、トランジスタはアクティブ モードで動作し、信号をブーストします。
一方、VBEが0.6V以下になると、トランジスタはカットオフモードと呼ばれる電流が流れない状態になります。
トランジスタが逆アクティブ モードになるには、エミッタの電圧がベースの電圧よりも高くなければならず、ベースの電圧はコレクタの電圧よりも高くなければなりません。
ベースバイアステクニック
エミッタフィードバックバイアスや分圧器バイアスなどのさまざまなベースバイアス方法を使用して、コレクタ電流を安定させ、予測を容易にすることができます。
コレクタ電流は、エミッタ フィードバックとベース コレクタ フィードバックの両方を使用することにより、エミッタ フィードバック バイアスで一定に保たれます。
ベースバイアス回路にエミッタ抵抗を追加すると、温度変化の影響とトランジスタのパラメータが減少します。
これにより、エミッタ フィードバック バイアスがベース バイアス単独よりも安定します。
分圧器バイアスは、分圧器ネットワークを使用してベース電圧を設定します。ベース電圧は、コレクタ電圧とは無関係であり、高いバイアス安定性を提供します。
このセットアップは、問題を引き起こす可能性のある 2 番目の電源を使用しないため、ベース バイアスよりも安定しています。
トランジスタの電流利得 e は、コレクタ電流をベース電流で割った値に等しくなります。
これは、少量のベース電流がはるかに大きなコレクタ電流を制御できることを意味します。これは、トランジスタの動作の基礎です。
コレクタ電流が流れるには、トランジスタの 3 つの部分すべてが順方向にバイアスされている必要があります。
これは、伝導を行うためにベースに電流を流す必要があることを意味します。
順バイアス電圧が上がると、トランジスタのコレクタ電流が上がります。
ベースコレクタ電圧の制限
エミッタバイアスが機能しなくなる前にベース - コレクタ電圧がどれだけ高くなるかは、使用されているトランジスタとその仕様によって異なります。
ほとんどの場合、メーカーはトランジスタの最大ベース - コレクタ電圧 (Vbc) 定格をリストします。
この定格は、数ボルトから数百ボルトの範囲です。
ベースとコレクタ間の電圧が最大定格を超えると、トランジスタが故障し、完全に損傷する可能性があります。
ただし、ベース - コレクタ電圧が最大定格よりも高い場合でも、エミッタ バイアスはトランジスタの安全な動作範囲内で機能します。
ベースバイアスの計算と分析
ベースバイアス時の負荷抵抗の計算
BJT ベース抵抗バイアス回路では、負荷抵抗は式 RL = (V CC - V BE) / IE を使用して計算できます。ここで、V CC は電源からの電圧、V BE はベース-エミッタ間の電圧です。ジャンクション、IE はエミッタ電流です。
この式は、一定量のエミッタ電流に必要なバイアス抵抗の数を把握するのに役立ちます。
分圧器のバイアス設定
テブナンの定理を使用すると、分圧器のバイアス構成を見つけることができます。
この方法では、電源とグランドの間に 2 つの抵抗を直列に接続し、1 つの抵抗をトランジスタのベースに接続します。
このセットアップでは、負荷抵抗は通常、回路の次の部分または電流源です。
バイアス抵抗は、式 R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE を使用して計算できます。ここで、R1 はベースと分圧器の間の抵抗、R2 は分圧器のもう一方の抵抗、V BE はは、ベース-エミッタ接合間の電圧です (通常、シリコン トランジスタの場合、約 0.6 ～ 0.7 V)。
コレクタ フィードバック バイアスの設定
コレクタ フィードバック バイアス構成では、エミッタ電流は、トランジスタのコレクタとベースの間に抵抗を配置することによって設定されます。
この方法でフィードバックが得られ、バイアス ポイントが一定に保たれます。
オームの法則を使用して負荷抵抗を計算し、コレクタ抵抗の両端の電圧降下を使用してコレクタ電圧を計算できます。
BJT 回路にバイアスをかける方法は他にもあり、選択する方法は回路のニーズによって異なります。
コレクタ フィードバック バイアス回路
ヒント: 必要に応じてキャプション ボタンをオンにします。話し言葉に慣れていない場合は、設定ボタンで「自動翻訳」を選択してください。お気に入りの言語が翻訳可能になる前に、まずビデオの言語をクリックする必要がある場合があります。
ユースケース
| で使われる： | 説明： |
|---|---|
| アンプ: | 増幅回路では、トランジスタが動作するレベルである Q ポイントを設定するためにベース バイアスが使用されます。バイアス電圧を変更することで、エンジニアは増幅率を制御し、出力される信号が必要な範囲内にとどまるようにすることができます。 |
| オンとオフの切り替え: | トランジスタが電気信号のオン/オフに使用されるスイッチング回路では、ベースバイアスも非常に重要です。この場合、バイアス電圧は、トランジスタをオンにするために必要なしきい値電圧を制御します。これにより、回路のオンとオフを切り替えることができます。 |
| 動力源: | 電源回路では、出力電圧が安定して適切な範囲にあることを確認するためにベースバイアスが使用されます。バイアス電圧を特定のレベルに設定することで、エンジニアはデバイスに流れる電流の量を制御し、電圧の上下を止めることができます。 |
| 発振器: | 発振回路では、デバイスの周波数を適切なレベルに保つためにベースバイアスが使用されます。エンジニアは、バイアス電圧を変更することで、発振器が安定した波形を作るようにすることができます。 |
| センサー回路: | 電圧または電流の変化を検出するためにトランジスタが使用されるセンサー回路では、ベースバイアスも使用できます。エンジニアは、バイアス電圧を特定のレベルに設定することで、センサーの感度と精度を制御できます。これにより、センサーは入力信号のわずかな変化でも検出できます。 |
結論
結局のところ、ベースバイアスはトランジスタの動作において無視できない重要な部分です。
適切なベース バイアスは、電流の流れを制御してデバイスを安定に保つため、信頼性の高い性能を得るために重要です。
しかし、一般的な電子機器にとってベースバイアスが何を意味するのかを考えることも重要です。
私たちの世界がますますテクノロジーに依存するようになるにつれて、これらのデバイスをどのように設計して使用し、環境やコミュニティへの影響を最小限に抑えるかについて慎重に考える必要があります。
ベースバイアスの考え方を設計・製造工程に活かすことで、役に立つだけでなく環境にやさしく、社会にやさしい電子機器を作ることができます。
エンジニアやテクノロジストとして、自分の仕事がすべての人にどのように影響するかを考えるのが私たちの仕事であり、ベース バイアスはそのほんの一部にすぎません。
ですから、全体像を念頭に置きながら、可能なことの限界に挑戦し続けましょう。
リンクと参照
トランジスタのバイアスと出力バイアス電圧:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
バイポーラ トランジスタのバイアス:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
ソリッド ステート デバイス講義 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
共有…
