Hvis du er ingeniørstudent eller ingeniør, vet du sannsynligvis om transistorer og hvor viktige de er i moderne elektronikk.
Men har du noen gang stoppet opp for å tenke på hvor viktig basebias er for hvor godt disse enhetene fungerer? Baseforspenning er likespenningen som påføres majoritetsbærerkontakten til en transistor.
Det er viktig for å kontrollere strømmen av strøm gjennom enheten.
Uten riktig baseforspenning kan ikke en transistor fungere riktig, noe som kan føre til merkelig oppførsel eller til og med feil.
I dette blogginnlegget skal jeg snakke om hva base bias er og hvorfor det er så viktig for måten transistorer fungerer på.
Enten du er en erfaren ingeniør eller nettopp har begynt innen elektronikk, må du forstå grunnleggende skjevhet for å gjøre det bra.
Så la oss dykke inn og lære sammen om den fascinerende verden av basebias.
Forstå basebias og dens funksjon i transistorer
Formell definisjon:
Likespenningen som tilføres majoritetsbærerkontakten (basen) til en transistor.
Base Bias Method
Forspenning av en bipolar junction transistor (BJT) i en transistorkrets er enkelt og lett å gjøre med base bias.
Denne metoden sørger for at riktig basespenning, VBB, sendes til basen, som deretter sender riktig basestrøm til BJT slik at den kan slå seg på.
I en "fast base forspenningskrets" er en base forspenningsmotstand RB koblet mellom basen og et basisbatteri VBB.
Dette sikrer at basisstrømmen til transistoren forblir den samme for gitte verdier av VCC.
Metoder for å oppnå null signalbasestrøm
Det er flere måter å få null-signalet basestrøm IB som er nødvendig, for eksempel forspenning fra kollektor til base, forspenning med en kollektortilbakemeldingsmotstand, eller forspenning med en spenningsdeler.
Når denne kretsens lineære område blir sett på, viser det at DC har en direkte effekt på den.
Ved å anvende Kirchhoffs spenningslov på basiskretsen kan vi få en ligning som viser sammenhengen mellom IB og VBB.
Hvis du kjenner VBB og RB, kan du bruke denne ligningen til å finne ut IB.
Formål med forspenningsmotstand
En forspenningsmotstand holder nok strøm flytende inn i basen slik at BJT-transistoren verken blir overbelastet eller slått av.
Forspenningsmotstanden holder transistoren ved et bestemt driftspunkt eller DC-offset.
Noen BJT-er har en intern forspenningsmotstand for å kutte ned på antall deler i et design, men eksterne forspenningsmotstander er nødvendig for å slå BJT-er av og på.
En bias resistor innebygd transistor (BRT) er en bipolar transistor som har både en basismotstand og en base-emittermotstand innebygd.
Med disse motstandene innebygd i transistoren, reduserer BRT-er antall eksterne deler som trengs og gjør det lettere å sette opp diskrete kretser.
Transistor forspenning
Transistorforspenning er prosessen med å gi transistoren en likespenning slik at emitter-base-krysset er foroverspent og kollektor-base-krysset bakover.
Dette holder transistoren i sitt aktive område slik at den kan fungere som en forsterker.
Å bruke koblings- og bypass-kondensatorer på riktig måte vil bidra til å stoppe eventuelle forspenningsstrømmer fra å gå inn eller ut av transistorens base.
Forspenningen til en transistor lar den fungere på både analoge og digitale måter.
Uten forspenning kan ikke BJT-forsterkere sende riktig mengde strøm til belastningsterminalene.
Innvirkning av skjevhet på forsterkerytelse
Hvordan basen er satt opp påvirker hvor godt en transistorforsterker fungerer.
"Klasse A bias" er prosessen med å sette opp en forsterker slik at driftspunktet er midt i den rette delen av den karakteristiske kurven til transistoren.
Klasse A-forsterkere er forspente ved å sette en likespenning over base-emitter-krysset til transistoren slik at deres ikke-signal (stille) driftspunkt er på en lineær del av transistorens oppførsel.
Den beste verdien for forspenningen til en transistor er to ganger topp AC-utgangsspenning.
Hvis du endrer forspenningen til en transistor, vil også Q-punktet bevege seg.
Revolusjoner elektronikken din: Utnytt kraften i basebias
Fortsatt vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:
Er du lei av at transistorene dine går i stykker hele tiden fordi de oppfører seg merkelig og ikke fungerer riktig? Bare se på hvor fantastisk kraften til basebias er.
Ja, å sette en likespenning på majoritetsbærerkontakten til transistoren din kan utgjøre forskjellen mellom jevn, pålitelig drift og en brennende nedsmelting.
Så hvorfor ikke gi slipp på forsiktigheten og hoppe inn i den ville verden av basebias?
Ok, det var bare en spøk laget for å se ut som en TV-reklame.
La oss nå gå tilbake til forklaringen.
Faktorer som påvirker basebias
Temperatureffekter på basebias
Temperaturen endrer base-emitter-spenningen (VBE) og kollektor-basen revers, metningsstrøm.
Dette endrer Q-punktet til en base bias circuit (ICBO).
Når temperaturen går opp, går VBE ned med en hastighet på 2,5 mV/, mens ICBO går opp.
Dette får grunnstrømmen IB til å gå opp, noe som tvinger IC til å endre seg, noe som flytter Q-punktet til kretsen.
For å forhindre at termisk rømning skjer, må det tas skritt for å sikre at skjevheten er stabil mot hFE-spredning.
Base-bias og kollektor-til-base-bias påvirkes mindre av endringer i VBE enn spenningsdeler-bias.
Dette gjør base-bias og kollektor-til-base-bias bedre valg for kretser som må være stabile ved forskjellige temperaturer.
Når Q-punktet til en bipolar transistor er nær midten av driftsområdet, er det mindre påvirket av endringer i temperaturen.
Beregning av basemotstandsspenning
Ohms lov og Kirchhoffs spenningslov brukes til å finne ut hva spenningen til basismotstanden er i en krets med fast baseforspenning.
Den enkleste måten å forspenne en transistor på er med en fast base forspenningskrets.
I denne kretsen forblir basisforspenningen den samme mens transistoren fungerer.
For å sette opp denne kretsen kobler du en base-bias-motstand mellom basen og et basisbatteri VBB eller en annen kilde med konstant spenning.
Hvis vi har en =100 transistor og ønsker å få en emitterstrøm på 1mA, kan vi bruke Ohms lov og Kirchhoffs spenningslov for å finne ut hvor stor base-forspenningsmotstanden må være.
Først må vi finne ut hva VBB er.
Vi kan skrive: VCC = IB * RB + VBE ved å bruke Kirchhoffs spenningslov.
Siden IB er omtrent lik IE/, hvor IE er emitterstrømmen, er DC-forsterkningen til transistoren, og VBE er omtrent 0,7V for silisiumtransistorer, kan vi skrive: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) er det du får når du løser for RB.
Du kan også bruke online kalkulatorer, for eksempel Transistor Biasing Calculator fra Omni Calculator.
Denne kalkulatoren fungerer bare med bipolare junction-transistorer (BJT), og den tilbyr forskjellige måter å stille inn forspenningen på, som forspenning av fast base, forspenning av kollektortilbakekobling, forspenning av emittertilbakekobling og forspenning av spenningsdeler.
For å bruke denne kalkulatoren for den faste baseforspenningsmetoden, kan du sette inn kjente verdier som forsyningsspenningen (VCC), ønsket kollektorstrøm (IC), DC-forsterkningen () og metningsspenningen (VCEsat).
Kalkulatoren vil gi deg resultater som emitterstrøm (IE), kollektormotstand (RC), emittermotstand (RE) og basismotstand (RB).
Metoder for å gi bias for en transistor
Det er mange forskjellige måter å gi en transistor en bias.
Blant dem er:
- Base Bias eller "Fixed Current Bias" er ikke en veldig god metode fordi forspenninger og strømmer ikke forblir de samme mens transistoren fungerer.
- Base Bias med emitter-feedback: Denne metoden holder DC-driftspunktet stabilt selv om motstanden endres når temperaturen endres.
- Base Bias med Collector Feedback: Denne metodens navn kommer fra det faktum at siden RB er basert på collector, er det en negativ feedback-effekt som gjør den mer stabil enn base bias alene.
- Collector-to-Base Bias: I denne metoden settes en forspenning mellom transistorens kollektor og base.
Denne metoden gir en stabil forspenning og kan brukes i kretser som trenger stabilitet i temperatur.
- Spenningsdeler Bias: I denne metoden settes basisspenningen med et spenningsdelernettverk laget av to motstander.
Avanserte teknikker for basebias
Base bias er en viktig måte å få bipolare transistorer til å fungere i deres lineære område, som er nødvendig for forsterkning.
Men base forspenningskretser er følsomme for endringer i temperatur og transistorparametere, noe som kan forårsake endringer i kollektorstrømmen som er vanskelig å forutsi.
For å gjøre basebias bedre, har folk kommet opp med andre måter å gjøre det mer stabilt og forutsigbart på.
I denne artikkelen skal vi snakke om avanserte teknikker for basebias, for eksempel emitter-feedback-bias, emitter-bias, spenningsdeler-bias og felles base-bias for å blande og multiplisere signaler.
Emitter-tilbakemeldingsskjevhet
Emitter-feedback bias er en måte å sette opp en transistor som bruker både emitter-feedback og base-collector-feedback for å holde kollektorstrømmen stabil.
I denne metoden legges en emittermotstand til base-bias-kretsen.
Dette gjør base-bias mer forutsigbar ved å skape negativ tilbakemelding, som kansellerer enhver endring i kollektorstrøm forårsaket av en endring i basespenning.
Emitter-feedback bias er bedre enn base bias fordi det gjør base bias mer stabil og mindre følsom for endringer i temperatur og parametrene til transistoren.
Denne metoden gjør dette ved å bruke negativ tilbakemelding fra emittermotstanden, noe som gjør disse endringene mindre merkbare.
Emitter Bias
Emitterbias er veldig stabil selv når temperaturen endres, og den bruker både positiv og negativ forsyningsspenning.
I en felles emitter BJT transistor er emitteren koblet til jord, slik at inngangsspenningen måles ved basen i forhold til jord (emitteren), og utgangsspenningen måles ved kollektoren i forhold til jord (kollektoren) ( emitter).
Emitterforspenning kan gjøre Q-punktet til en forsterkers aktive region mer stabil ved å sørge for at basen til transistoren alltid er riktig forspent.
Det er bedre enn base forspenning fordi det holder forspenningen stabil.
Spenningsdeler Bias
Basisforspenningskretsen er mindre stabil enn spenningsdelerens forspenningskrets.
Grunnspenningen, som ikke er relatert til kollektorspenningen, settes av et spenningsdelernettverk i denne kretsen.
Dette gjør det slik at endringer i kollektorspenningen og parametrene til transistoren har mindre effekt på forspenningspunktet.
Mesteparten av tiden er utgangsimpedansen til en spenningsdeler mye høyere enn for en base forspenningskrets.
Dette gjør spenningsdeleren mer stabil.
Base Bias
Base forspenningskretser er lettere å lage og har færre deler enn spenningsdeler forspenningskretser, men de er mindre stabile.
Grunnspenningen er direkte knyttet til kollektorspenningen.
Hvis kollektorspenningen eller parametrene til transistoren endres, vil også grunnspenningen endres, noe som gjør kretsen ustabil.
Felles basebias for signalblanding og multiplikasjon
For å blande og multiplisere signaler i en felles basekrets, gis et ikke-lineært element som en diode eller en aktiv enhet som en transistor eller FET riktig mengde bias.
Dette skjer når to signaler sendes gjennom et ikke-lineært element.
Ved sum- og differansefrekvensene til de originale signalene lages to nye signaler på nye frekvenser.
Å bruke en emitter-bias-konfigurasjon med en bypass-kondensator er en måte å sette opp en felles basekrets for miksing og multiplikasjon.
En spenningsdeler forspenningskonfigurasjon med en bypass-kondensator er en annen måte å gjøre det på.
Kort sagt, basebias har blitt gjort mer stabil og forutsigbar gjennom bruk av nye teknikker.
Selv når temperatur- og transistorparametere endres, holder emitter-feedback-bias og emitter-bias forspenningen veldig stabil.
Base bias er mindre stabil enn spenningsdeler bias, og base bias brukes til å blande og multiplisere signaler.
Base-Collector Junction og Base-Emitter Spenningsfall
I en bipolar overgangstransistor er krysset mellom basen og kollektoren alltid omvendt forspent.
Dette betyr at en høy revers forspenning kan påføres krysset før det bryter.
Den reverserte forspenningen fungerer som en forspenning forover for minoritetsbærere i basen, og gir dem fart gjennom base-kollektorkrysset og inn i kollektorområdet.
Når både emitter-base og kollektor-base-kryssene er foroverforspente, flyter strømmen fra emitteren til kollektoren.
Dette lar transistoren gjøre jobben sin.
I denne tilstanden, kalt metning, er begge kryssene forspent fremover, og spenningen mellom basen og emitteren er minst 0,7V for silisiumtransistorer eller 0,3V for germaniumtransistorer.
Base-Emitter Junction Biasing
Forspenningsfallet over base-emitter-krysset påvirker hvordan en transistor fungerer ved å senke barrieren ved emitter-base-krysset.
Dette lar flere bærere komme til kollektoren og øker strømmen fra emitteren til kollektoren og gjennom den eksterne kretsen.
For at en transistor skal fungere som en forsterker, må hver av dens koblinger endres av en spenning som kommer fra utsiden av transistoren.
Det første PN-krysset, som er mellom emitteren og basen, er forspent i foroverretningen.
Det andre PN-krysset, som er mellom basen og kollektoren, er forspent i motsatt retning.
For å slå på en transistor, må foroverspenningsfallet fra base til emitter (VBE) være større enn null, vanligvis rundt 0,6V.
For at en transistor skal fungere, må base-emitterdioden være forspent fremover.
Når VBE er høyere enn 0,6V, fungerer transistorer i aktiv modus og øker signalene.
Når VBE er mindre enn 0,6V, derimot, er transistorer i en tilstand som kalles "cutoff mode", der ingen strøm flyter gjennom dem.
For at en transistor skal være i revers aktiv modus, må spenningen ved emitteren være høyere enn spenningen ved basen, som må være høyere enn spenningen ved kollektoren.
Base biasing-teknikker
Ulike basisforspenningsmetoder, som emitter-feedback-bias og spenningsdeler-bias, kan brukes for å stabilisere kollektorstrømmen og gjøre det lettere å forutsi.
Kollektorstrømmen holdes jevn med emitter-feedback-bias ved å bruke både emitter- og base-collector-feedback.
Når en emittermotstand legges til base-bias-kretsen, reduseres effekten av endringer i temperaturen og parametrene til transistoren.
Dette gjør emitter-feedback-bias mer stabil enn basebias alene.
Spenningsdelerforspenning bruker et spenningsdelernettverk for å stille inn grunnspenningen, som er uavhengig av kollektorspenningen og gir høy forspenningsstabilitet.
Dette oppsettet er mer stabilt enn baseforspenning fordi det ikke bruker en ekstra strømforsyning, noe som kan forårsake problemer.
Strømforsterkningen, e, til en transistor er lik kollektorstrømmen delt på basisstrømmen.
Dette betyr at en liten mengde grunnstrøm kan styre en mye større kollektorstrøm, som er grunnlaget for hvordan en transistor fungerer.
For at en kollektorstrøm skal flyte, må alle tre delene av transistoren være forspent.
Dette betyr at en strøm må drives inn i basen for at ledning skal finne sted.
Kollektorstrømmen til en transistor går opp når foroverspenningen går opp.
Base-Kollektor spenningsbegrensninger
Hvor høy base-kollektorspenningen kan gå før emitterforspenningen slutter å virke, avhenger av transistoren som brukes og dens spesifikasjoner.
Mesteparten av tiden vil produsenten liste den maksimale base-kollektorspenningen (Vbc) for en transistor.
Denne vurderingen kan være alt fra noen få volt til flere hundre volt.
Når spenningen mellom basen og kollektoren går over den maksimale karakteren, kan transistoren brytes ned og muligens bli skadet for godt.
Men emitterforspenningen kan fortsatt fungere innenfor det sikre driftsområdet til transistoren selv om base-kollektorspenningen er høyere enn den maksimale karakteren.
Beregninger og analyse av basebias
Beregning av belastningsmotstand i baseforspenning
I en BJT-basemotstandsforspenningskrets kan belastningsmotstanden beregnes ved å bruke formelen RL = (V CC - V BE) / IE, hvor V CC er spenningen fra strømforsyningen, V BE er spenningen over base-emitteren junction, og IE er emitterstrømmen.
Denne formelen hjelper til med å finne ut hvor mange forspenningsmotstander som trengs for en viss mengde emitterstrøm.
Konfigurasjon av spenningsdeler Bias
Ved å bruke Thevenins teorem kan du finne skjevhetskonfigurasjonen for en spenningsdeler.
I denne metoden er to motstander koblet i serie mellom en strømkilde og jord, og en motstand er koblet til bunnen av transistoren.
I dette oppsettet er belastningsmotstanden vanligvis den neste delen av kretsen eller en strømkilde.
Forspenningsmotstandene kan beregnes ved hjelp av formelen R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, der R1 er motstanden mellom basen og spenningsdeleren, R2 er den andre motstanden i spenningsdeleren, og V BE er spenningen over base-emitter-krysset (vanligvis rundt 0,6-0,7V for en silisiumtransistor).
Innsamlerfeedback Bias-konfigurasjon
I kollektortilbakemeldingsforspenningskonfigurasjonen settes en emitterstrøm ved å sette en motstand mellom kollektoren og basen til en transistor.
Denne måten gir tilbakemelding og holder skjevhetspunktet stødig.
Ohms lov kan brukes til å finne ut belastningsmotstanden, og spenningsfallet over kollektormotstanden kan brukes til å finne ut kollektorspenningen.
Husk at det er andre måter å forutsette en BJT-krets på, og metoden du velger vil avhenge av hva kretsen trenger.
Collector Feedback Bias Circuit
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med talespråket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Brukssaker
| Brukt i: | Beskrivelse: |
|---|---|
| Forsterkere: | I forsterkerkretser brukes base bias for å sette Q-punktet, som er nivået som transistoren fungerer på. Ved å endre forspenningen kan ingeniører kontrollere forsterkningsfaktoren og sørge for at signalet som kommer ut forblir i området de ønsker. |
| Slå av og på: | I svitsjekretser, der transistorer brukes til å slå av og på elektriske signaler, er basebias også veldig viktig. I dette tilfellet styrer forspenningen terskelspenningen som trengs for å slå på transistoren. Dette lar kretsen bytte mellom å være på og av. |
| Kraftkilder: | I strømforsyningskretser brukes base bias for å sikre at utgangsspenningen holder seg stabil og i riktig område. Ved å sette forspenningen til et visst nivå, kan ingeniører kontrollere hvor mye strøm som flyter gjennom enheten og stoppe spenningen fra å gå opp og ned. |
| Oscillatorer: | I oscillatorkretser brukes basebias for å holde enhetens frekvens på riktig nivå. Ingeniører kan sørge for at oscillatoren lager en jevn bølgeform ved å endre forspenningen. |
| Sensorkretser: | I sensorkretser, hvor transistorer brukes til å oppdage endringer i spenning eller strøm, kan også basebias brukes. Ingeniører kan kontrollere hvor følsom og nøyaktig sensoren er ved å sette forspenningen til et visst nivå. Dette lar sensoren fange opp selv små endringer i inngangssignalet. |
Konklusjon
Til slutt er basebias en viktig del av hvordan en transistor fungerer som ikke kan ignoreres.
Riktig baseforspenning er viktig for pålitelig ytelse fordi den kontrollerer strømmen og holder enheten stabil.
Men det er også viktig å tenke på hva basebiasing betyr for elektronikk generelt.
Etter hvert som vår verden blir mer og mer avhengig av teknologi, må vi tenke nøye gjennom hvordan vi designer og bruker disse enhetene for å holde effekten på miljøet og lokalsamfunnene våre til et minimum.
Ved å bruke ideene om base bias i våre design- og produksjonsprosesser, kan vi lage elektronikk som ikke bare er nyttig, men også miljøvennlig og bra for samfunnet.
Som ingeniører og teknologer er det vår jobb å tenke på hvordan arbeidet vårt påvirker alle, og basal bias er bare en liten del av det.
Så la oss fortsette å presse grensene for hva som er mulig samtidig som vi har det store bildet i tankene.
Lenker og referanser
Transistorforspenning og utgangsforspenning:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Bipolar transistor forspenning:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Solid State Devices-forelesning 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Dele på…
