Basisbias In Transistors Begrijpen

Als je een ingenieursstudent of een ingenieur bent, weet je waarschijnlijk van transistors en hoe belangrijk ze zijn in moderne elektronica.

Maar heb je er ooit bij stilgestaan ​​hoe belangrijk basisbias is voor hoe goed deze apparaten werken? Basisvoorspanning is de gelijkspanning die wordt toegepast op het meerderheidsdraaggolfcontact van een transistor.

Het is essentieel voor het regelen van de stroom door het apparaat.

Zonder de juiste basisinstelling kan een transistor niet goed werken, wat kan leiden tot vreemd gedrag of zelfs uitval.

In deze blogpost zal ik het hebben over wat basisbias is en waarom het zo belangrijk is voor de manier waarop transistors werken.

Of je nu een doorgewinterde ingenieur bent of net begint op het gebied van elektronica, je moet basisvooroordelen begrijpen om het goed te doen.

Dus laten we erin duiken en samen leren over de fascinerende wereld van basisbias.

Base Bias en zijn functie in transistors begrijpen

Formele definitie:

De gelijkspanning die wordt toegepast op het meerderheidsdraaggolfcontact (basis) van een transistor.

Base Bias-methode

Het voorspannen van een bipolaire junctie-transistor (BJT) in een transistorcircuit is eenvoudig en gemakkelijk te doen met basisvoorspanning.

Deze methode zorgt ervoor dat de juiste basisspanning, VBB, naar de basis wordt gestuurd, die vervolgens de juiste basisstroom naar de BJT stuurt zodat deze kan worden ingeschakeld.

In een "vaste basisvoorspanningsschakeling" is een basisvoorspanningsweerstand RB aangesloten tussen de basis en een basisbatterij VBB.

Dit zorgt ervoor dat de basisstroom van de transistor hetzelfde blijft voor gegeven waarden van VCC.

Methoden om nulsignaalbasisstroom te verkrijgen

Er zijn verschillende manieren om de nulsignaalbasisstroom IB te krijgen die nodig is, zoals voorspanning van collector naar basis, voorspanning met een collectorterugkoppelweerstand of voorspanning met een spanningsdeler.

Wanneer naar het lineaire gebied van dit circuit wordt gekeken, blijkt dat DC er een direct effect op heeft.

Door de spanningswet van Kirchhoff toe te passen op het basiscircuit, kunnen we een vergelijking krijgen die de relatie tussen IB en VBB laat zien.

Als je VBB en RB kent, kun je deze vergelijking gebruiken om IB te berekenen.

Doel van Bias Weerstand

Een voorspanningsweerstand zorgt ervoor dat er voldoende stroom in de basis stroomt, zodat de BJT-transistor niet wordt overbelast of uitgeschakeld.

De voorspanningsweerstand houdt de transistor op een bepaald werkpunt of DC-offset.

Sommige BJT's hebben een interne voorspanningsweerstand om het aantal onderdelen in een ontwerp te verminderen, maar externe voorspanningsweerstanden zijn nodig om BJT's in en uit te schakelen.

Een ingebouwde bias-weerstandstransistor (BRT) is een bipolaire transistor waarin zowel een basisweerstand als een basis-emitterweerstand is ingebouwd.

Met deze weerstanden die in de transistor zijn ingebouwd, verminderen BRT's het aantal benodigde externe onderdelen en maken ze het gemakkelijker om discrete circuits op te zetten.

Transistor voorspanning

Transistorvoorspanning is het proces waarbij de transistor een gelijkspanning krijgt, zodat de emitter-basisovergang voorwaarts is voorgespannen en de collector-basisovergang achterwaarts is voorgespannen.

Dit houdt de transistor in zijn actieve gebied zodat hij als versterker kan werken.

Het op de juiste manier gebruiken van koppel- en bypass-condensatoren zal helpen voorkomen dat voorspanningsstromen de basis van de transistor in of uit gaan.

Door de voorspanning van een transistor kan deze zowel analoog als digitaal werken.

Zonder voorspanning kunnen BJT-versterkers niet de juiste hoeveelheid stroom naar de belastingsaansluitingen sturen.

Impact van bias op versterkerprestaties

Hoe de basis is ingesteld, heeft invloed op hoe goed een transistorversterker werkt.

"Klasse A bias" is het proces waarbij een versterker zo wordt ingesteld dat het werkpunt zich in het midden van het rechte deel van de karakteristieke curve van de transistor bevindt.

Klasse A-versterkers worden voorgespannen door een gelijkspanning over de basis-emitterovergang van de transistor te zetten, zodat hun geen-signaal (rust) werkpunt op een lineair deel van het gedrag van de transistor ligt.

De beste waarde voor de voorspanning van een transistor is tweemaal de maximale AC-uitgangsspanning.

Als je de voorspanning van een transistor verandert, zal het Q-punt ook bewegen.

Breng een revolutie teweeg in uw elektronica: benut de kracht van basisbias

Nog steeds moeilijk te begrijpen? Laat me het standpunt een beetje veranderen:

Ben je het beu dat je transistors de hele tijd kapot gaan omdat ze zich vreemd gedragen en niet goed werken? Kijk maar eens hoe geweldig de kracht van basisbias is.

Ja, het plaatsen van een gelijkspanning op het meerderheidsdraaggolfcontact van uw transistor kan het verschil maken tussen een soepele, betrouwbare werking en een vurige meltdown.

Dus waarom laat u de voorzichtigheid niet los en springt u in de wilde wereld van basale vooringenomenheid?

Oké, dat was maar een grap gemaakt om eruit te zien als een tv-reclame.

Laten we nu teruggaan naar de uitleg.

Factoren die van invloed zijn op basisbias

Temperatuureffecten op basisbias

Temperatuur verandert de basis-emitterspanning (VBE) en de collector-basis omgekeerde verzadigingsstroom.

Dit verandert het Q-punt van een basisbiascircuit (ICBO).

Naarmate de temperatuur stijgt, daalt VBE met een snelheid van 2,5 mV/, terwijl ICBO stijgt.

Hierdoor gaat de basisstroom IB omhoog, waardoor IC gedwongen wordt te veranderen, waardoor het Q-punt van het circuit wordt verplaatst.

Om thermische runaway te voorkomen, moeten er stappen worden ondernomen om ervoor te zorgen dat de voorspanning stabiel is tegen hFE-verspreiding.

Basisbias en collector-naar-base bias worden minder beïnvloed door veranderingen in VBE dan spanningsdelerbias.

Dit maakt basisbias en collector-naar-base bias betere keuzes voor circuits die stabiel moeten zijn bij verschillende temperaturen.

Wanneer het Q-punt van een bipolaire transistor bijna in het midden van zijn werkbereik ligt, wordt het minder beïnvloed door temperatuurveranderingen.

Basisweerstandsspanning berekenen

De wet van Ohm en de spanningswet van Kirchhoff worden gebruikt om erachter te komen wat de spanning van de basisweerstand is in een circuit met een vaste basisvoorspanning.

De eenvoudigste manier om een ​​transistor voor te spannen is met een voorspanningscircuit met vaste basis.

In dit circuit blijft de basisvoorspanning hetzelfde terwijl de transistor werkt.

Om deze schakeling op te zetten, sluit je een basisvoorspanningsweerstand aan tussen de basis en een basisbatterij VBB of een andere bron van constante spanning.

Als we een =100 transistor hebben en een emitterstroom van 1mA willen krijgen, kunnen we de wet van Ohm en de spanningswet van Kirchhoff gebruiken om erachter te komen hoe groot de basisvoorspanningsweerstand moet zijn.

Eerst moeten we uitzoeken wat VBB is.

We kunnen schrijven: VCC = IB * RB + VBE met de spanningswet van Kirchhoff.

Aangezien IB ongeveer gelijk is aan IE/, waarbij IE de emitterstroom is, de DC-versterking van de transistor is, en VBE ongeveer 0,7 V is voor siliciumtransistors, kunnen we schrijven: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.

RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) is wat je krijgt als je RB oplost.

U kunt ook online rekenmachines gebruiken, zoals de Transistor Biasing Calculator van Omni Calculator.

Deze rekenmachine werkt alleen met bipolaire junctie-transistors (BJT) en biedt verschillende manieren om de voorspanning in te stellen, zoals voorspanning met vaste basis, voorspanning van collectorfeedback, voorspanning van emitterfeedback en voorspanning van de spanningsdeler.

Om deze rekenmachine te gebruiken voor de vaste-basisbiasmethode, kunt u bekende waarden invoeren, zoals de voedingsspanning (VCC), de gewenste collectorstroom (IC), de DC-versterking () en de verzadigingsspanning (VCEsat).

De rekenmachine geeft u resultaten zoals emitterstroom (IE), collectorweerstand (RC), emitterweerstand (RE) en basisweerstand (RB).

Methoden voor het leveren van bias voor een transistor

Er zijn veel verschillende manieren om een ​​transistor een bias te geven.

Onder hen zijn:

• Base Bias of "Fixed Current Bias" is geen erg goede methode omdat voorspanningen en stromen niet hetzelfde blijven terwijl de transistor werkt.
• Base Bias met Emitter Feedback: Deze methode houdt het DC-werkpunt stabiel, zelfs als de weerstand verandert als de temperatuur verandert.
• Base Bias met Collector Feedback: De naam van deze methode komt van het feit dat aangezien RB gebaseerd is op collector, er een negatief feedback-effect is dat het stabieler maakt dan alleen basisbias.
• Collector-to-Base Bias: bij deze methode wordt een voorspanning geplaatst tussen de collector van de transistor en de basis.

Deze methode geeft een stabiele voorspanning en kan worden gebruikt in circuits die stabiliteit in temperatuur nodig hebben.

• Voltage Divider Bias: Bij deze methode wordt de basisspanning ingesteld met een spanningsdelernetwerk dat bestaat uit twee weerstanden.

Geavanceerde technieken voor basisbias

Basisbias is een belangrijke manier om bipolaire transistors te laten werken in hun lineaire gebied, dat nodig is voor versterking.

Maar basisbiascircuits zijn gevoelig voor veranderingen in temperatuur en transistorparameters, die veranderingen in de collectorstroom kunnen veroorzaken die moeilijk te voorspellen zijn.

Om basisbias beter te maken, hebben mensen andere manieren bedacht om het stabieler en voorspelbaarder te maken.

In dit artikel zullen we het hebben over geavanceerde technieken voor basisbias, zoals emitterfeedbackbias, emitterbias, spanningsdelerbias en gemeenschappelijke basisbias voor het mengen en vermenigvuldigen van signalen.

Emitter-Feedback Bias

Emitter-feedback bias is een manier om een ​​transistor op te zetten die zowel emitter-feedback als basis-collector-feedback gebruikt om de collectorstroom stabiel te houden.

Bij deze methode wordt een emitterweerstand toegevoegd aan het basisvoorspanningscircuit.

Dit maakt de basisbias voorspelbaarder door negatieve feedback te creëren, die elke verandering in collectorstroom veroorzaakt door een verandering in basisspanning tenietdoet.

Emitter-feedback bias is beter dan basisbias omdat het de basisbias stabieler en minder gevoelig maakt voor veranderingen in temperatuur en de parameters van de transistor.

Deze methode doet dit door gebruik te maken van negatieve feedback van de emitterweerstand, waardoor deze veranderingen minder opvallen.

Afzender vooringenomenheid

Emitterbias is zeer stabiel, zelfs wanneer de temperatuur verandert, en gebruikt zowel een positieve als een negatieve voedingsspanning.

In een gemeenschappelijke emitter BJT-transistor is de emitter verbonden met aarde, dus de ingangsspanning wordt gemeten aan de basis ten opzichte van aarde (de emitter) en de uitgangsspanning wordt gemeten aan de collector ten opzichte van aarde (de collector) ( emitter).

Emitter-biasing kan het Q-punt van het actieve gebied van een versterker stabieler maken door ervoor te zorgen dat de basis van de transistor altijd correct is voorgespannen.

Het is beter dan base biasing omdat het de bias stabiel houdt.

Voorspanning spanningsdeler

Het basisvoorspanningscircuit is minder stabiel dan het voorspanningscircuit met spanningsdeler.

De basisspanning, die niet gerelateerd is aan de collectorspanning, wordt ingesteld door een spanningsdelernetwerk in deze schakeling.

Hierdoor hebben veranderingen in de collectorspanning en de parameters van de transistor minder invloed op het voorspanningspunt.

Meestal is de uitgangsimpedantie van een spanningsdeler veel hoger dan die van een basisbiascircuit.

Dit maakt de spanningsdeler stabieler.

Basis vooringenomenheid

Basisbiascircuits zijn gemakkelijker te maken en hebben minder onderdelen dan spanningsdelerbiascircuits, maar ze zijn minder stabiel.

De basisvoorspanning is direct gekoppeld aan de collectorspanning.

Als de collectorspanning of parameters van de transistor veranderen, verandert ook de basisvoorspanning, waardoor het circuit onstabiel wordt.

Common Base Bias voor signaalmenging en vermenigvuldiging

Om signalen in een gemeenschappelijk basiscircuit te mixen en te vermenigvuldigen, krijgt een niet-lineair element zoals een diode of een actief apparaat zoals een transistor of FET de juiste mate van bias.

Dit gebeurt wanneer twee signalen door een niet-lineair element worden verzonden.

Bij de som- en verschilfrequenties van de originele signalen worden twee nieuwe signalen gemaakt op nieuwe frequenties.

Het gebruik van een emitter-bias-configuratie met een bypass-condensator is een manier om een ​​gemeenschappelijk basiscircuit voor mengen en vermenigvuldigen op te zetten.

Een spanningsdeler-biasconfiguratie met een bypass-condensator is een andere manier om dit te doen.

Kortom, de basisbias is door het gebruik van nieuwe technieken stabieler en voorspelbaarder gemaakt.

Zelfs wanneer de temperatuur- en transistorparameters veranderen, houden de emitterfeedbackbias en de emitterbias de bias zeer stabiel.

Basisbias is minder stabiel dan spanningsdelerbias, en basisbias wordt gebruikt om signalen te mengen en te vermenigvuldigen.

Base-Collector Junction en Base-Emitter spanningsval

In een bipolaire junctie-transistor is de overgang tussen de basis en de collector altijd in sperrichting.

Dit betekent dat een hoge spervoorspanning op de junctie kan worden toegepast voordat deze breekt.

De omgekeerde voorspanning werkt als een voorwaartse voorspanning voor minderheidsdragers in de basis, waardoor ze door de basis-collectorovergang en in het collectorgebied worden versneld.

Wanneer zowel de emitter-basis als de collector-basisovergangen voorwaarts gericht zijn, vloeit er stroom van de emitter naar de collector.

Hierdoor kan de transistor zijn werk doen.

In deze toestand, verzadiging genoemd, zijn beide knooppunten naar voren gericht en is de spanning tussen de basis en de emitter ten minste 0,7 V voor siliciumtransistors of 0,3 V voor germaniumtransistors.

Base-Emitter Junction Biasing

De voorwaartse voorspanningsval over de basis-emitterovergang beïnvloedt hoe een transistor werkt door de barrière bij de emitter-basisovergang te verlagen.

Hierdoor kunnen meer dragers de collector bereiken en wordt de stroom van de emitter naar de collector en door het externe circuit vergroot.

Om een ​​transistor als een versterker te laten werken, moet elk van zijn knooppunten worden veranderd door een spanning die van buiten de transistor komt.

De eerste PN-overgang, die zich tussen de emitter en de basis bevindt, is in voorwaartse richting voorgespannen.

De tweede PN-overgang, die zich tussen de basis en de collector bevindt, is in de tegenovergestelde richting voorgespannen.

Om een ​​transistor aan te zetten, moet de voorwaartse spanningsval van basis naar emitter (VBE) groter zijn dan nul, meestal rond de 0,6 V.

Om een ​​transistor te laten werken, moet de basis-emitterdiode naar voren worden voorgespannen.

Wanneer VBE hoger is dan 0,6 V, werken transistors in actieve modus en versterken ze signalen.

Wanneer VBE daarentegen minder is dan 0,6 V, bevinden transistors zich in een toestand die "afsnijmodus" wordt genoemd, waarin er geen stroom doorheen vloeit.

Om een ​​transistor in omgekeerde actieve modus te laten zijn, moet de spanning aan de emitter hoger zijn dan de spanning aan de basis, die hoger moet zijn dan de spanning aan de collector.

Base Biasing-technieken

Verschillende methoden voor basisvoorspanning, zoals voorspanning van de emitterfeedback en voorspanning van de spanningsdeler, kunnen worden gebruikt om de collectorstroom te stabiliseren en deze gemakkelijker te voorspellen.

De collectorstroom wordt stabiel gehouden met emitterfeedback-bias door zowel emitter- als basiscollectorfeedback te gebruiken.

Wanneer een emitterweerstand wordt toegevoegd aan het basisbiascircuit, wordt het effect van veranderingen in temperatuur en de parameters van de transistor verminderd.

Dit maakt de bias van de emitterfeedback stabieler dan alleen de basisbias.

Spanningsdelervoorspanning maakt gebruik van een spanningsdelernetwerk om de basisspanning in te stellen, die onafhankelijk is van de collectorspanning en een hoge voorspanningsstabiliteit geeft.

Deze opstelling is stabieler dan base biasing omdat er geen tweede voeding wordt gebruikt, wat problemen kan veroorzaken.

De stroomversterking, e, van een transistor is gelijk aan de collectorstroom gedeeld door de basisstroom.

Dit betekent dat een kleine hoeveelheid basisstroom een ​​veel grotere collectorstroom kan regelen, wat de basis is van hoe een transistor werkt.

Om een ​​collectorstroom te laten vloeien, moeten alle drie de delen van de transistor voorwaarts zijn voorgespannen.

Dit betekent dat er een stroom in de basis moet worden gedreven om geleiding te laten plaatsvinden.

De collectorstroom van een transistor gaat omhoog als de voorwaartse voorspanning omhoog gaat.

Base-Collector Spanningsbeperkingen

Hoe hoog de basis-collectorspanning kan worden voordat de emittervoorspanning niet meer werkt, hangt af van de gebruikte transistor en de specificaties ervan.

Meestal vermeldt de fabrikant de maximale basis-collectorspanning (Vbc) voor een transistor.

Deze classificatie kan variëren van een paar volt tot enkele honderden volt.

Wanneer de spanning tussen de basis en de collector de maximale waarde overschrijdt, kan de transistor defect raken en mogelijk voorgoed beschadigd raken.

Maar de emitterbias kan nog steeds werken binnen het veilige werkbereik van de transistor, zelfs als de basis-collectorspanning hoger is dan de maximale nominale waarde.

Berekeningen en analyse van basisbias

Berekening van belastingsweerstand in basisbiasing

In een BJT-basisweerstandbiascircuit kan de belastingsweerstand worden berekend met behulp van de formule RL = (V CC - V BE) / IE, waarbij V CC de spanning van de voeding is, V BE de spanning over de basis-emitter knooppunt, en IE is de emitterstroom.

Deze formule helpt erachter te komen hoeveel voorspanningsweerstanden er nodig zijn voor een bepaalde hoeveelheid emitterstroom.

Voltage Divider Bias-configuratie

Met behulp van de stelling van Thevenin kunt u de biasconfiguratie voor een spanningsdeler vinden.

Bij deze methode worden twee weerstanden in serie geschakeld tussen een stroombron en aarde, en wordt één weerstand aangesloten op de basis van de transistor.

In deze opstelling is de belastingsweerstand meestal het volgende deel van het circuit of een stroombron.

De voorspanningsweerstanden kunnen worden berekend met de formule R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, waarbij R1 de weerstand is tussen de basis en de spanningsdeler, R2 de andere weerstand in de spanningsdeler en V BE is de spanning over de basis-emitterovergang (meestal rond de 0,6-0,7 V voor een siliciumtransistor).

Collector Feedback Bias-configuratie

In de collectorfeedback bias-configuratie wordt een emitterstroom ingesteld door een weerstand tussen de collector en de basis van een transistor te plaatsen.

Op deze manier wordt feedback gegeven en blijft het biaspunt stabiel.

De wet van Ohm kan worden gebruikt om de belastingsweerstand te berekenen en de spanningsval over de collectorweerstand kan worden gebruikt om de collectorspanning te bepalen.

Houd er rekening mee dat er andere manieren zijn om een ​​BJT-circuit vooringenomen te maken, en de methode die u kiest, hangt af van wat het circuit nodig heeft.

Collector Feedback Bias Circuit

Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u de gesproken taal niet kent. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.

Gebruik gevallen

Gebruikt in:	Beschrijving:
versterkers:	In versterkercircuits wordt basisbias gebruikt om het Q-punt in te stellen, het niveau waarop de transistor werkt. Door de bias-spanning te wijzigen, kunnen technici de versterkingsfactor regelen en ervoor zorgen dat het uitkomende signaal binnen het gewenste bereik blijft.
In- en uitschakelen:	In schakelcircuits, waar transistors worden gebruikt om elektrische signalen in en uit te schakelen, is basisbias ook erg belangrijk. In dit geval regelt de voorspanning de drempelspanning die nodig is om de transistor in te schakelen. Hierdoor kan het circuit schakelen tussen aan en uit zijn.
Krachtbronnen:	In voedingscircuits wordt basisbias gebruikt om ervoor te zorgen dat de uitgangsspanning stabiel en binnen het juiste bereik blijft. Door de voorspanning op een bepaald niveau in te stellen, kunnen technici regelen hoeveel stroom er door het apparaat vloeit en voorkomen dat de spanning op en neer gaat.
oscillatoren:	In oscillatorcircuits wordt basisbias gebruikt om de frequentie van het apparaat op het juiste niveau te houden. Ingenieurs kunnen ervoor zorgen dat de oscillator een stabiele golfvorm maakt door de voorspanning te wijzigen.
Sensorcircuits:	In sensorcircuits, waar transistors worden gebruikt om veranderingen in spanning of stroom te detecteren, kan ook basisbias worden gebruikt. Ingenieurs kunnen bepalen hoe gevoelig en nauwkeurig de sensor is door de voorspanning op een bepaald niveau in te stellen. Hierdoor kan de sensor zelfs kleine veranderingen in het ingangssignaal oppikken.

Conclusie

Uiteindelijk is basisbias een belangrijk onderdeel van hoe een transistor werkt dat niet kan worden genegeerd.

Een goede basisinstelling is belangrijk voor betrouwbare prestaties omdat het de stroomstroom regelt en het apparaat stabiel houdt.

Maar het is ook belangrijk om na te denken over wat base biasing betekent voor elektronica in het algemeen.

Nu onze wereld steeds afhankelijker wordt van technologie, moeten we goed nadenken over hoe we deze apparaten ontwerpen en gebruiken om hun effecten op het milieu en onze gemeenschappen tot een minimum te beperken.

Door de ideeën van base bias te gebruiken in onze ontwerp- en productieprocessen, kunnen we elektronica maken die niet alleen nuttig is, maar ook milieuvriendelijk en goed voor de samenleving.

Als ingenieurs en technologen is het onze taak om na te denken over hoe ons werk iedereen beïnvloedt, en basisvooroordelen zijn daar slechts een klein onderdeel van.

Dus laten we de grenzen van wat mogelijk is blijven verleggen, terwijl we het grote geheel in gedachten houden.

Links en referenties

Transistorbiasing en uitgangsbiasspanningen:

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

Bipolaire transistor voorspanning:

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

Solid State Devices Lezing 18:

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