Dacă sunteți student la inginerie sau inginer, probabil că știți despre tranzistori și cât de importanți sunt în electronica modernă.
Dar te-ai oprit vreodată să te gândești cât de importantă este părtinirea de bază pentru cât de bine funcționează aceste dispozitive? Polarizarea de bază este tensiunea continuă aplicată contactului purtătorului majoritar al unui tranzistor.
Este esențial pentru controlul fluxului de curent prin dispozitiv.
Fără polarizarea corectă a bazei, un tranzistor nu poate funcționa corect, ceea ce poate duce la un comportament ciudat sau chiar la eșec.
În această postare pe blog, voi vorbi despre ce este polarizarea de bază și de ce este atât de important pentru modul în care funcționează tranzistoarele.
Fie că ești un inginer experimentat sau doar ai început în domeniul electronicii, trebuie să înțelegi părtinirea de bază pentru a te descurca bine.
Așa că haideți să ne aruncăm și să învățăm împreună despre lumea fascinantă a prejudecăților de bază.
Înțelegerea polarizării bazei și a funcției sale în tranzistori
Definiție formală:
Tensiunea continuă care se aplică contactului purtător majoritar (bază) al unui tranzistor.
Metoda de prejudecată de bază
Polarizarea unui tranzistor de joncțiune bipolară (BJT) într-un circuit tranzistor este simplă și ușor de făcut cu polarizarea de bază.
Această metodă se asigură că tensiunea de bază corectă, VBB, este trimisă la bază, care apoi trimite curentul de bază corect către BJT, astfel încât acesta să se poată porni.
Într-un „circuit de polarizare de bază fixă”, un rezistor de polarizare de bază RB este conectat între bază și o baterie de bază VBB.
Acest lucru asigură că curentul de bază al tranzistorului rămâne același pentru valorile date ale VCC.
Metode de obținere a curentului de bază de semnal zero
Există mai multe modalități de a obține curentul de bază cu semnal zero IB care este necesar, cum ar fi polarizarea de la colector la bază, polarizarea cu un rezistor de feedback al colectorului sau polarizarea cu un divizor de tensiune.
Când se analizează regiunea liniară a acestui circuit, arată că DC are un efect direct asupra acesteia.
Aplicând legea tensiunii lui Kirchhoff la circuitul de bază, putem obține o ecuație care arată relația dintre IB și VBB.
Dacă cunoașteți VBB și RB, puteți folosi această ecuație pentru a afla IB.
Scopul rezistenței de polarizare
Un rezistor de polarizare menține suficient curent care curge în bază, astfel încât tranzistorul BJT să nu fie nici supraîncărcat și nici oprit.
Rezistorul de polarizare menține tranzistorul la un anumit punct de operare sau offset DC.
Unele BJT au un rezistor de polarizare intern pentru a reduce numărul de piese dintr-un proiect, dar sunt necesare rezistențe de polarizare externe pentru a porni și dezactiva BJT-urile.
Un tranzistor încorporat cu rezistență de polarizare (BRT) este un tranzistor bipolar care are încorporat atât un rezistor de bază, cât și un rezistor de bază-emițător.
Cu aceste rezistențe încorporate în tranzistor, BRT-urile reduc numărul de părți externe necesare și facilitează configurarea circuitelor discrete.
Polarizarea tranzistorului
Polarizarea tranzistorului este procesul de a da tranzistorului o tensiune de curent continuu, astfel încât joncțiunea emițător-bază să fie polarizată înainte, iar joncțiunea colector-bază să fie polarizată înapoi.
Acest lucru menține tranzistorul în regiunea sa activă, astfel încât să poată funcționa ca un amplificator.
Utilizarea condensatoarelor de cuplare și de bypass în mod corect va ajuta la oprirea oricăror curenți de polarizare să intre sau să iasă din baza tranzistorului.
Polarizarea unui tranzistor îi permite să funcționeze atât în moduri analogice, cât și digitale.
Fără polarizare, amplificatoarele BJT nu pot trimite cantitatea potrivită de putere la bornele de sarcină.
Impactul polarizării asupra performanței amplificatorului
Modul în care este configurată baza afectează cât de bine funcționează un amplificator cu tranzistor.
„Clasa A de polarizare” este procesul de configurare a unui amplificator astfel încât punctul de funcționare să fie în mijlocul părții drepte a curbei caracteristice a tranzistorului.
Amplificatoarele de clasă A sunt polarizate prin punerea unei tensiuni continue pe joncțiunea bază-emițător a tranzistorului, astfel încât punctul lor de funcționare fără semnal (repaus) să fie pe o parte liniară a comportamentului tranzistorului.
Cea mai bună valoare pentru tensiunea de polarizare a unui tranzistor este de două ori mai mare decât tensiunea de ieșire AC de vârf.
Dacă modificați tensiunea de polarizare a unui tranzistor, punctul Q se va mișca și el.
Revoluționați-vă electronicele: valorificați puterea prejudiciului de bază
Încă greu de înțeles? Hai sa schimb putin punctul de vedere:
Te-ai săturat ca tranzistorii să se spargă tot timpul pentru că acţionează ciudat şi nu funcţionează corect? Uită-te la cât de uimitoare este puterea părtinirii de bază.
Da, aplicarea unei tensiuni directe pe contactul purtătorului majoritar al tranzistorului dvs. Poate face diferența între funcționarea lină și fiabilă și o topire aprinsă.
Deci, de ce să nu renunți la precauție și să sari în lumea sălbatică a prejudecăților de bază?
Bine, a fost doar o glumă făcută să arate ca o reclamă TV.
Acum să revenim la explicație.
Factori care afectează prejudecățile de bază
Efectele temperaturii asupra părtinirii bazei
Temperatura modifică tensiunea bază-emițător (VBE) și curentul de saturație inversă colector-bază.
Aceasta modifică punctul Q al unui circuit de polarizare de bază (ICBO).
Pe măsură ce temperatura crește, VBE scade cu o rată de 2,5 mV/, în timp ce ICBO crește.
Acest lucru face ca curentul de bază IB să crească, ceea ce forțează IC să se schimbe, ceea ce mută punctul Q al circuitului.
Pentru a preveni evadarea termică, trebuie luate măsuri pentru a vă asigura că părtinirea este stabilă împotriva răspândirii hFE.
Polarizarea de bază și polarizarea colector la bază sunt mai puțin afectate de modificările VBE decât polarizarea divizorului de tensiune.
Acest lucru face ca polarizarea de bază și polarizarea de la colector la bază să fie mai bune alegeri pentru circuitele care trebuie să fie stabile la temperaturi diferite.
Când punctul Q al unui tranzistor bipolar este aproape de mijlocul intervalului său de funcționare, este mai puțin afectat de schimbările de temperatură.
Calcularea tensiunii rezistorului de bază
Legea lui Ohm și legea tensiunii lui Kirchhoff sunt folosite pentru a afla care este tensiunea rezistorului de bază într-un circuit cu o polarizare de bază fixă.
Cea mai ușoară modalitate de polarizare a unui tranzistor este cu un circuit de polarizare de bază fixă.
În acest circuit, polarizarea de bază rămâne aceeași în timp ce tranzistorul funcționează.
Pentru a configura acest circuit, conectați un rezistor de polarizare de bază între bază și o baterie de bază VBB sau o altă sursă de tensiune constantă.
Dacă avem un tranzistor = 100 și dorim să obținem un curent de emițător de 1 mA, putem folosi legea lui Ohm și legea tensiunii lui Kirchhoff pentru a ne da seama cât de mare trebuie să fie rezistorul de polarizare de bază.
În primul rând, trebuie să aflăm ce este VBB.
Putem scrie: VCC = IB * RB + VBE folosind legea tensiunii lui Kirchhoff.
Deoarece IB este aproximativ egal cu IE/, unde IE este curentul emițătorului, este câștigul DC al tranzistorului și VBE este de aproximativ 0,7 V pentru tranzistoarele cu siliciu, putem scrie: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) este ceea ce obții atunci când rezolvi pentru RB.
De asemenea, puteți utiliza calculatoare online, cum ar fi Calculatorul de polarizare a tranzistorului de la Omni Calculator.
Acest calculator funcționează numai cu tranzistori cu joncțiune bipolară (BJT) și oferă diferite moduri de a seta polarizarea, cum ar fi polarizarea polarării bazei fixe, polarizarea feedback-ului colectorului, polarizarea feedback-ului emițătorului și polarizarea divizorului de tensiune.
Pentru a utiliza acest calculator pentru metoda de polarizare a bazei fixe, puteți introduce valori cunoscute precum tensiunea de alimentare (VCC), curentul dorit al colectorului (IC), câștigul DC () și tensiunea de saturație (VCEsat).
Calculatorul vă va oferi rezultate precum curentul emițătorului (IE), rezistența colectorului (RC), rezistența emițătorului (RE) și rezistența de bază (RB).
Metode pentru furnizarea de polarizare pentru un tranzistor
Există multe moduri diferite de a da unui tranzistor o polarizare.
Printre acestea se numără:
- Base Bias sau „Fixed Current Bias” nu este o metodă foarte bună, deoarece tensiunile și curenții de polarizare nu rămân aceleași în timp ce tranzistorul funcționează.
- Prejudecăți de bază cu feedback al emițătorului: Această metodă menține stabil punctul de operare de c.c. Chiar dacă rezistența se modifică pe măsură ce temperatura se schimbă.
- Prejudecăți de bază cu feedback de colector: Numele acestei metode provine de la faptul că, deoarece RB se bazează pe colector, există un efect de feedback negativ care o face mai stabilă decât părtinirea de bază.
- Polarizare colector la bază: în această metodă, o tensiune de polarizare este pusă între colectorul și bază al tranzistorului.
Această metodă oferă o tensiune de polarizare stabilă și poate fi utilizată în circuite care au nevoie de stabilitate la temperatură.
- Voltage Divider Bias: în această metodă, tensiunea de bază este setată cu o rețea divizor de tensiune formată din două rezistențe.
Tehnici avansate pentru prejudecată de bază
Polarizarea de bază este o modalitate importantă de a face tranzistorii bipolari să funcționeze în regiunea lor liniară, care este necesară pentru amplificare.
Dar circuitele de polarizare de bază sunt sensibile la schimbările de temperatură și ale parametrilor tranzistorilor, care pot provoca modificări ale curentului colectorului care sunt greu de prezis.
Pentru a îmbunătăți părtinirea de bază, oamenii au venit cu alte modalități de a o face mai stabilă și mai previzibilă.
În acest articol, vom vorbi despre tehnici avansate pentru polarizarea de bază, cum ar fi polarizarea emițătorului-feedback, polarizarea emițătorului, polarizarea divizorului de tensiune și polarizarea de bază comună pentru amestecarea și multiplicarea semnalelor.
Prejudecata emițător-feedback
Polarizarea emițătorului-feedback este o modalitate de a configura un tranzistor care utilizează atât feedback-ul emițătorului, cât și feedback-ul colectorului de bază pentru a menține curentul stabil al colectorului.
În această metodă, un rezistor emițător este adăugat la circuitul de polarizare de bază.
Acest lucru face ca polarizarea bazei să fie mai previzibilă prin crearea unui feedback negativ, care anulează orice modificare a curentului colectorului cauzată de o modificare a tensiunii de bază.
Polarizarea emițătorului de feedback este mai bună decât polarizarea de bază, deoarece face polarizarea de bază mai stabilă și mai puțin sensibilă la schimbările de temperatură și parametrii tranzistorului.
Această metodă face acest lucru utilizând feedback negativ de la rezistorul emițătorului, ceea ce face ca aceste modificări să fie mai puțin vizibile.
Biasul emițătorului
Polarizarea emițătorului este foarte stabilă chiar și atunci când temperatura se schimbă și utilizează atât o tensiune de alimentare pozitivă, cât și una negativă.
Într-un tranzistor BJT cu emițător comun, emițătorul este conectat la masă, astfel încât tensiunea de intrare este măsurată la bază în raport cu masă (emițătorul), iar tensiunea de ieșire este măsurată la colector în raport cu masă (colectorul) ( emițător).
Polarizarea emițătorului poate face punctul Q al regiunii active a unui amplificator mai stabil, asigurându-vă că baza tranzistorului este întotdeauna polarizată corect.
Este mai bine decât prejudecarea de bază, deoarece menține prejudecata stabilă.
Polarizarea divizorului de tensiune
Circuitul de polarizare de bază este mai puțin stabil decât circuitul de polarizare divizor de tensiune.
Tensiunea de bază, care nu este legată de tensiunea colectorului, este stabilită de o rețea divizor de tensiune în acest circuit.
Acest lucru face ca modificările tensiunii colectorului și ale parametrilor tranzistorului să aibă un efect mai mic asupra punctului de polarizare.
De cele mai multe ori, impedanța de ieșire a unui divizor de tensiune este mult mai mare decât cea a unui circuit de polarizare de bază.
Acest lucru face divizorul de tensiune mai stabil.
Prejudecată de bază
Circuitele de polarizare de bază sunt mai ușor de realizat și au mai puține părți decât circuitele de polarizare divizor de tensiune, dar sunt mai puțin stabile.
Tensiunea de polarizare de bază este direct legată de tensiunea colectorului.
Dacă tensiunea colectorului sau parametrii tranzistorului se modifică, tensiunea de polarizare de bază se va modifica și ea, făcând circuitul instabil.
Biasul de bază comun pentru amestecarea și multiplicarea semnalului
Pentru a amesteca și a multiplica semnale într-un circuit de bază comun, unui element neliniar, cum ar fi o diodă, sau un dispozitiv activ, cum ar fi un tranzistor sau FET, i se acordă cantitatea potrivită de polarizare.
Acest lucru se întâmplă atunci când două semnale sunt trimise printr-un element neliniar.
La frecvențele de sumă și diferență ale semnalelor originale, se fac două semnale noi pe frecvențe noi.
Utilizarea unei configurații de polarizare emițător cu un condensator bypass este o modalitate de a configura un circuit de bază comun pentru amestecare și multiplicare.
O configurație de polarizare a divizorului de tensiune cu un condensator de bypass este o altă modalitate de a face acest lucru.
Pe scurt, prejudecata de bază a fost făcută mai stabilă și mai previzibilă prin utilizarea de noi tehnici.
Chiar și atunci când temperatura și parametrii tranzistorului se modifică, polarizarea emițătorului de feedback și polarizarea emițătorului mențin polarizarea foarte stabilă.
Polarizarea de bază este mai puțin stabilă decât polarizarea divizorului de tensiune, iar polarizarea de bază este utilizată pentru a amesteca și multiplica semnalele.
Joncțiunea bază-colector și căderea de tensiune bază-emițător
Într-un tranzistor cu joncțiune bipolară, joncțiunea dintre bază și colector este întotdeauna polarizat invers.
Aceasta înseamnă că o tensiune de polarizare inversă mare poate fi aplicată joncțiunii înainte ca aceasta să se rupă.
Tensiunea de polarizare inversă acționează ca o polarizare directă pentru purtătorii minoritari din bază, accelerându-i prin joncțiunea bază-colector și în regiunea colectorului.
Când ambele joncțiuni emițător-bază și colector-bază sunt polarizate direct, curentul curge de la emițător la colector.
Acest lucru permite tranzistorului să-și facă treaba.
În această stare, numită saturație, ambele joncțiuni sunt polarizate înainte, iar tensiunea dintre bază și emițător este de cel puțin 0,7V pentru tranzistoarele cu siliciu sau 0,3V pentru tranzistoarele cu germaniu.
Polarizare joncțiune bază-emițător
Căderea tensiunii de polarizare directă pe joncțiunea bază-emițător afectează modul în care funcționează un tranzistor prin scăderea barierei de la joncțiunea emițător-bază.
Acest lucru permite mai multor purtători să ajungă la colector și crește fluxul de curent de la emițător la colector și prin circuitul extern.
Pentru ca un tranzistor să funcționeze ca un amplificator, fiecare dintre joncțiunile sale trebuie schimbată de o tensiune care vine din exteriorul tranzistorului.
Prima joncțiune PN, care se află între emițător și bază, este polarizată în direcția înainte.
A doua joncțiune PN, care se află între bază și colector, este polarizată în direcția opusă.
Pentru a porni un tranzistor, căderea de tensiune directă de la bază la emițător (VBE) trebuie să fie mai mare decât zero, de obicei în jur de 0,6 V.
Pentru ca un tranzistor să funcționeze, dioda de bază-emițător trebuie să fie polarizată înainte.
Când VBE este mai mare de 0,6 V, tranzistoarele funcționează în modul activ și stimulează semnalele.
Când VBE este mai mic de 0,6 V, pe de altă parte, tranzistoarele sunt într-o stare numită „mod de întrerupere”, în care nu trece curent prin ei.
Pentru ca un tranzistor să fie în modul invers activ, tensiunea de la emițător trebuie să fie mai mare decât tensiunea de la bază, care trebuie să fie mai mare decât tensiunea de la colector.
Tehnici de polarizare de bază
Diferite metode de polarizare de bază, cum ar fi polarizarea emițătorului-feedback și polarizarea divizorului de tensiune, pot fi utilizate pentru a stabiliza curentul colectorului și a face mai ușor de prezis.
Curentul colectorului este menținut constant cu polarizarea emițătorului de feedback prin utilizarea atât a feedback-ului emițătorului, cât și al colectorului de bază.
Când un rezistor emițător este adăugat la circuitul de polarizare de bază, efectul schimbărilor de temperatură și parametrii tranzistorului sunt diminuați.
Acest lucru face ca bias-ul emițătorului de feedback să fie mai stabil decât cel de bază singur.
Polarizarea divizorului de tensiune utilizează o rețea de divizor de tensiune pentru a seta tensiunea de bază, care este independentă de tensiunea colectorului și oferă o stabilitate ridicată a polarizării.
Această configurație este mai stabilă decât polarizarea de bază, deoarece nu utilizează o a doua sursă de alimentare, ceea ce poate cauza probleme.
Câștigul de curent, e, al unui tranzistor este egal cu curentul colectorului împărțit la curentul de bază.
Aceasta înseamnă că o cantitate mică de curent de bază poate controla un curent de colector mult mai mare, care este baza modului în care funcționează un tranzistor.
Pentru ca un curent de colector să circule, toate cele trei părți ale tranzistorului trebuie să fie polarizate direct.
Aceasta înseamnă că un curent trebuie să fie introdus în bază pentru ca conducția să aibă loc.
Curentul de colector al unui tranzistor crește atunci când tensiunea de polarizare directă crește.
Limitări de tensiune a colectorului de bază
Cât de mare poate ajunge tensiunea colectorului de bază înainte ca polarizarea emițătorului să nu mai funcționeze depinde de tranzistorul utilizat și de specificațiile acestuia.
De cele mai multe ori, producătorul va enumera tensiunea maximă a colectorului de bază (Vbc) pentru un tranzistor.
Acest rating poate fi de la câțiva volți la câteva sute de volți.
Când tensiunea dintre bază și colector depășește valoarea maximă, tranzistorul se poate defecta și poate fi deteriorat definitiv.
Dar polarizarea emițătorului poate funcționa în continuare în intervalul de funcționare sigur al tranzistorului, chiar dacă tensiunea colectorului de bază este mai mare decât valoarea maximă.
Calcule și analiza prejudecăți de bază
Calcularea rezistenței la sarcină în polarizarea bazei
Într-un circuit de polarizare a rezistenței de bază BJT, rezistența de sarcină poate fi calculată folosind formula RL = (V CC - V BE) / IE, unde V CC este tensiunea de la sursa de alimentare, V BE este tensiunea pe emițătorul de bază. Joncțiune, iar IE este curentul emițătorului.
Această formulă ajută la determinarea de câte rezistențe de polarizare sunt necesare pentru o anumită cantitate de curent de emițător.
Configurație de polarizare a divizorului de tensiune
Folosind teorema lui Thevenin, puteți găsi configurația de polarizare pentru un divizor de tensiune.
În această metodă, două rezistențe sunt conectate în serie între o sursă de alimentare și masă, iar un rezistor este conectat la baza tranzistorului.
În această configurație, rezistența de sarcină este de obicei următoarea parte a circuitului sau o sursă de curent.
Rezistoarele de polarizare pot fi calculate folosind formula R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, unde R1 este rezistorul dintre bază și divizorul de tensiune, R2 este celălalt rezistor din divizorul de tensiune și V BE este tensiunea pe joncțiunea bază-emițător (de obicei în jur de 0,6-0,7V pentru un tranzistor de siliciu).
Configurația de polarizare a feedback-ului colectorului
În configurația de polarizare a feedback-ului colectorului, un curent de emițător este setat prin punerea unui rezistor între colector și baza unui tranzistor.
În acest fel, oferă feedback și menține punctul de părtinire constant.
Legea lui Ohm poate fi folosită pentru a determina rezistența de sarcină, iar căderea de tensiune pe rezistorul colectorului poate fi folosită pentru a afla tensiunea colectorului.
Rețineți că există și alte moduri de a polariza un circuit BJT, iar metoda pe care o alegeți va depinde de ceea ce are nevoie circuitul.
Circuitul de polarizare a feedback-ului colectorului
Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba vorbită. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.
Cazuri de utilizare
| Folosit in: | Descriere: |
|---|---|
| Amplificatoare: | În circuitele de amplificare, polarizarea de bază este utilizată pentru a seta punctul Q, care este nivelul la care funcționează tranzistorul. Schimbând tensiunea de polarizare, inginerii pot controla factorul de amplificare și se pot asigura că semnalul care iese rămâne în intervalul dorit. |
| Pornire și oprire: | În circuitele de comutare, unde tranzistorii sunt utilizați pentru a porni și opri semnalele electrice, polarizarea de bază este, de asemenea, foarte importantă. În acest caz, tensiunea de polarizare controlează tensiunea de prag necesară pentru a porni tranzistorul. Acest lucru permite circuitului să comute între pornit și oprit. |
| Surse de energie: | În circuitele de alimentare, polarizarea de bază este utilizată pentru a vă asigura că tensiunea de ieșire rămâne stabilă și în intervalul potrivit. Setând tensiunea de polarizare la un anumit nivel, inginerii pot controla cât de mult curent trece prin dispozitiv și pot opri tensiunea să urce și să coboare. |
| Oscilatoare: | În circuitele oscilatoare, polarizarea de bază este utilizată pentru a menține frecvența dispozitivului la nivelul corect. Inginerii se pot asigura că oscilatorul face o formă de undă constantă prin schimbarea tensiunii de polarizare. |
| Circuite senzori: | În circuitele senzorilor, în care tranzistorii sunt utilizați pentru a detecta schimbările de tensiune sau curent, poate fi utilizată și polarizarea de bază. Inginerii pot controla cât de sensibil și de precis este senzorul setând tensiunea de polarizare la un anumit nivel. Acest lucru permite senzorului să detecteze chiar și modificările mici ale semnalului de intrare. |
Concluzie
În cele din urmă, polarizarea de bază este o parte importantă a modului în care funcționează un tranzistor care nu poate fi ignorată.
Polarizarea corectă a bazei este importantă pentru o performanță fiabilă, deoarece controlează fluxul de curent și menține dispozitivul stabil.
Dar este, de asemenea, important să ne gândim la ce înseamnă polarizarea de bază pentru electronice în general.
Pe măsură ce lumea noastră devine din ce în ce mai dependentă de tehnologie, trebuie să ne gândim cu atenție la modul în care proiectăm și folosim aceste dispozitive pentru a menține efectele lor asupra mediului și comunităților noastre la minimum.
Folosind ideile de părtinire de bază în procesele noastre de proiectare și producție, putem face electronice care nu sunt doar utile, ci și ecologice și bune pentru societate.
În calitate de ingineri și tehnologi, este datoria noastră să ne gândim la modul în care munca noastră îi afectează pe toată lumea, iar părtinirea de bază este doar o mică parte din asta.
Deci, să continuăm să depășim limitele a ceea ce este posibil, ținând cont de imaginea de ansamblu.
Link-uri și referințe
Tensiuni de polarizare a tranzistorului și de polarizare de ieșire:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Polarizarea tranzistorului bipolar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Dispozitivele cu stare solidă Cursul 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Distribuie pe…
