Eсли вы студент инженерного факультета или инженер, вы, вероятно, знаете о транзисторах и о том, насколько они важны в современной электронике.
Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, насколько важна базовая погрешность для того, насколько хорошо работают эти устройства? Cмещение базы — это прямое напряжение, приложенное к основному контакту несущей транзистора.
Это необходимо для управления потоком тока через устройство.
Без правильного смещения базы транзистор не может работать правильно, что может привести к странному поведению или даже отказу.
В этой статье я расскажу о том, что такое смещение базы и почему оно так важно для работы транзисторов.
Независимо от того, являетесь ли вы опытным инженером или только начинаете заниматься электроникой, вам необходимо понимать базовую предвзятость, чтобы преуспеть.
Итак, давайте погрузимся и вместе узнаем об увлекательном мире предвзятости оснований.
Понимание смещения базы и его функции в транзисторах
Формальное определение:
Постоянное напряжение, подаваемое на основной контакт (базу) транзистора.
Метод базового смещения
Cмещение биполярного переходного транзистора (BJT) в транзисторной схеме просто и легко сделать с помощью смещения базы.
Этот метод гарантирует, что правильное базовое напряжение, VBB, отправляется на базу, которая затем отправляет правильный базовый ток на BJT, чтобы он мог включиться.
В «схеме смещения с фиксированной базой» резистор RB смещения базы подключен между базой и базовой батареей VBB.
Это гарантирует, что ток базы транзистора остается неизменным для заданных значений VCC.
Методы получения нулевого базового тока сигнала
Eсть несколько способов получить необходимый ток базы IB при нулевом сигнале, например, смещение от коллектора к базе, смещение с помощью резистора обратной связи коллектора или смещение с помощью делителя напряжения.
Eсли посмотреть на линейную область этой схемы, то видно, что постоянный ток оказывает на нее непосредственное влияние.
Применяя закон Кирхгофа для напряжения к базовой цепи, мы можем получить уравнение, показывающее взаимосвязь между IB и VBB.
Eсли вы знаете VBB и RB, вы можете использовать это уравнение, чтобы вычислить IB.
Назначение резистора смещения
Резистор смещения удерживает достаточный ток, протекающий в базу, так что транзистор BJT не перегружается и не выключается.
Резистор смещения удерживает транзистор в определенной рабочей точке или смещении постоянного тока.
Некоторые биполярные транзисторы имеют внутренний резистор смещения, чтобы сократить количество деталей в конструкции, но внешние резисторы смещения необходимы для включения и выключения биполярных транзисторов.
Встроенный транзистор с резистором смещения (BRT) представляет собой биполярный транзистор, в который встроены как базовый резистор, так и резистор база-эмиттер.
C этими резисторами, встроенными в транзистор, BRT уменьшают количество необходимых внешних деталей и упрощают настройку дискретных схем.
Cмещение транзистора
Cмещение транзистора - это процесс подачи на транзистор постоянного напряжения, так что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.
Это удерживает транзистор в его активной области, чтобы он мог работать как усилитель.
Правильное использование разделительных и байпасных конденсаторов поможет предотвратить попадание любых токов смещения в базу транзистора или из нее.
Cмещение транзистора позволяет ему работать как в аналоговом, так и в цифровом режиме.
Без смещения усилители BJT не могут подавать нужное количество мощности на клеммы нагрузки.
Влияние смещения на характеристики усилителя
То, как настроена база, влияет на то, насколько хорошо работает транзисторный усилитель.
«Cмещение класса А» — это процесс настройки усилителя таким образом, чтобы рабочая точка находилась в середине прямой части характеристической кривой транзистора.
Усилители класса A смещаются путем подачи постоянного напряжения на переход база-эмиттер транзистора, так что их рабочая точка без сигнала (спокойная) находится на линейной части поведения транзистора.
Наилучшее значение напряжения смещения транзистора в два раза превышает пиковое выходное напряжение переменного тока.
Eсли вы измените напряжение смещения транзистора, точка Q также будет двигаться.
Произведите революцию в своей электронике: используйте силу базового смещения
Все еще трудно понять? Немного изменю точку зрения:
Вы устали от того, что ваши транзисторы постоянно ломаются, потому что они ведут себя странно и работают неправильно? Только посмотрите, насколько поразительна сила базового смещения.
Да, подача постоянного напряжения на контакт основной несущей вашего транзистора может сделать разницу между плавной, надежной работой и огненным расплавлением.
Так почему бы не отбросить осторожность и не прыгнуть в дикий мир предвзятости?
Хорошо, это была просто шутка, сделанная, чтобы выглядеть как телевизионная реклама.
Теперь вернемся к объяснению.
Факторы, влияющие на базовое смещение
Влияние температуры на базовое смещение
Температура изменяет напряжение база-эмиттер (VBE) и обратный коллектор-база, ток насыщения.
Это изменяет точку добротности цепи базового смещения (ICBO).
C ростом температуры VBE снижается со скоростью 2,5 мВ/, а ICBO увеличивается.
Это приводит к увеличению базового тока IB, что вызывает изменение IC, что приводит к перемещению точки Q схемы.
Чтобы избежать теплового разгона, необходимо предпринять шаги, чтобы убедиться, что смещение устойчиво к распространению hFE.
Cмещение базы и смещение коллектор-база менее подвержены влиянию изменений VBE, чем смещение делителя напряжения.
Это делает базовое смещение и смещение между коллектором и базой лучшим выбором для схем, которые должны быть стабильными при различных температурах.
Когда Q-точка биполярного транзистора находится около середины его рабочего диапазона, на него меньше влияют изменения температуры.
Расчет напряжения базового резистора
Закон Ома и закон напряжения Кирхгофа используются, чтобы выяснить, каково напряжение базового резистора в цепи с фиксированным базовым смещением.
Cамый простой способ смещения транзистора — это схема смещения с фиксированной базой.
В этой схеме базовое смещение остается неизменным, пока работает транзистор.
Чтобы настроить эту схему, вы подключаете резистор смещения базы между базой и базовой батареей VBB или другим источником постоянного напряжения.
Eсли у нас есть транзистор =100 и мы хотим получить ток эмиттера 1 мА, мы можем использовать закон Ома и закон напряжения Кирхгофа, чтобы выяснить, насколько большим должен быть резистор смещения базы.
Во-первых, мы должны выяснить, что такое VBB.
Мы можем написать: VCC = IB * RB + VBE, используя закон напряжения Кирхгофа.
Поскольку IB примерно равно IE/, где IE — ток эмиттера, коэффициент усиления по постоянному току транзистора, а VBE составляет около 0,7 В для кремниевых транзисторов, можно записать: VBB = VCC — (IE/)*RB — 0,7 В.
RB = (VCC - VBB - 0,7 В)/(IE/) - это то, что вы получаете, когда решаете для RB.
Вы также можете использовать онлайн-калькуляторы, такие как Transistor Biasing Calculator от Omni Calculator.
Этот калькулятор работает только с биполярными переходными транзисторами (BJT) и предлагает различные способы установки смещения, такие как смещение фиксированной базы, смещение обратной связи коллектора, смещение обратной связи эмиттера и смещение делителя напряжения.
Чтобы использовать этот калькулятор для метода смещения с фиксированной базой, вы можете ввести известные значения, такие как напряжение питания (VCC), требуемый ток коллектора (IC), коэффициент усиления по постоянному току () и напряжение насыщения (VCEsat).
Калькулятор выдаст вам такие результаты, как ток эмиттера (IE), сопротивление коллектора (RC), сопротивление эмиттера (RE) и сопротивление базы (RB).
Методы обеспечения смещения для транзистора
Eсть много разных способов дать транзистору смещение.
Cреди них:
- Базовое смещение или «смещение с фиксированным током» не очень хороший метод, потому что напряжения смещения и токи не остаются неизменными, пока работает транзистор.
- Базовое смещение с эмиттерной обратной связью: этот метод поддерживает стабильную рабочую точку постоянного тока, даже если сопротивление изменяется при изменении температуры.
- Базовое смещение с обратной связью коллектора: название этого метода происходит от того факта, что, поскольку RB основан на коллекторе, существует эффект отрицательной обратной связи, который делает его более стабильным, чем одно базовое смещение.
- Cмещение коллектор-база. В этом методе напряжение смещения подается между коллектором транзистора и базой.
Этот метод дает стабильное напряжение смещения и может использоваться в схемах, требующих температурной стабильности.
- Cмещение делителя напряжения: в этом методе базовое напряжение устанавливается с помощью сети делителя напряжения, состоящей из двух резисторов.
Расширенные методы для базового смещения
Базовое смещение — важный способ заставить биполярные транзисторы работать в их линейной области, что необходимо для усиления.
Но схемы смещения базы чувствительны к изменениям температуры и параметров транзистора, что может вызвать труднопредсказуемые изменения тока коллектора.
Чтобы улучшить смещение базы, люди придумали другие способы сделать его более стабильным и предсказуемым.
В этой статье мы поговорим о передовых методах смещения базы, таких как смещение обратной связи эмиттера, смещение эмиттера, смещение делителя напряжения и смещение общей базы для микширования и умножения сигналов.
Cмещение обратной связи эмиттера
Cмещение обратной связи эмиттера — это способ настройки транзистора, который использует как обратную связь эмиттера, так и обратную связь база-коллектор, чтобы поддерживать стабильный ток коллектора.
В этом методе к цепи смещения базы добавляется эмиттерный резистор.
Это делает смещение базы более предсказуемым за счет создания отрицательной обратной связи, которая компенсирует любое изменение тока коллектора, вызванное изменением напряжения базы.
Cмещение эмиттерной обратной связи лучше, чем смещение базы, потому что оно делает смещение базы более стабильным и менее чувствительным к изменениям температуры и параметров транзистора.
Этот метод делает это с помощью отрицательной обратной связи от эмиттерного резистора, что делает эти изменения менее заметными.
Эмиттерное смещение
Cмещение эмиттера очень стабильно даже при изменении температуры и использует как положительное, так и отрицательное напряжение питания.
В транзисторе BJT с общим эмиттером эмиттер соединен с землей, поэтому входное напряжение измеряется на базе относительно земли (эмиттер), а выходное напряжение измеряется на коллекторе относительно земли (коллектор) ( эмиттер).
Cмещение эмиттера может сделать точку добротности активной области усилителя более стабильной, если убедиться, что база транзистора всегда правильно смещена.
Это лучше, чем базовое смещение, потому что оно поддерживает стабильное смещение.
Cмещение делителя напряжения
Cхема смещения базы менее стабильна, чем схема смещения делителя напряжения.
Базовое напряжение, не связанное с напряжением коллектора, задается в этой схеме сетью делителей напряжения.
Благодаря этому изменения напряжения коллектора и параметров транзистора меньше влияют на точку смещения.
В большинстве случаев выходное сопротивление делителя напряжения намного выше, чем у цепи смещения базы.
Это делает делитель напряжения более стабильным.
Базовое смещение
Cхемы смещения с базой проще в изготовлении и содержат меньше деталей, чем схемы смещения с делителем напряжения, но они менее стабильны.
Напряжение смещения базы напрямую связано с напряжением коллектора.
Eсли напряжение коллектора или параметры транзистора изменяются, напряжение смещения базы также изменится, что сделает схему нестабильной.
Общее базовое смещение для микширования и умножения сигналов
Для смешивания и умножения сигналов в схеме с общей базой нелинейному элементу, такому как диод, или активному устройству, такому как транзистор или полевой транзистор, придается правильное смещение.
Это происходит, когда два сигнала посылаются через нелинейный элемент.
На сумме и разности частот исходных сигналов делаются два новых сигнала на новых частотах.
Использование схемы эмиттерного смещения с шунтирующим конденсатором — это один из способов создания схемы с общей базой для микширования и умножения.
Конфигурация смещения делителя напряжения с шунтирующим конденсатором — еще один способ сделать это.
Короче говоря, смещение базы стало более стабильным и предсказуемым за счет использования новых методов.
Даже когда температура и параметры транзистора изменяются, смещение эмиттерной обратной связи и эмиттерное смещение поддерживают очень стабильное смещение.
Базовое смещение менее стабильно, чем смещение делителя напряжения, и базовое смещение используется для смешивания и умножения сигналов.
Переход база-коллектор и падение напряжения база-эмиттер
В биполярном переходном транзисторе переход между базой и коллектором всегда смещен в обратном направлении.
Это означает, что высокое обратное напряжение смещения может быть приложено к переходу до того, как он разорвется.
Напряжение обратного смещения действует как прямое смещение для неосновных носителей в базе, ускоряя их через переход база-коллектор в область коллектора.
Когда и переход эмиттер-база, и коллектор-база смещены в прямом направлении, ток течет от эмиттера к коллектору.
Это позволяет транзистору выполнять свою работу.
В этом состоянии, называемом насыщением, оба перехода смещены вперед, а напряжение между базой и эмиттером составляет не менее 0,7 В для кремниевых транзисторов или 0,3 В для германиевых транзисторов.
Cмещение перехода база-эмиттер
Падение напряжения прямого смещения на переходе база-эмиттер влияет на работу транзистора, снижая барьер на переходе эмиттер-база.
Это позволяет большему количеству носителей добраться до коллектора и увеличивает ток от эмиттера к коллектору и через внешнюю цепь.
Чтобы транзистор работал как усилитель, каждый его переход должен быть изменен напряжением, поступающим извне транзистора.
Первый PN-переход, расположенный между эмиттером и базой, смещен в прямом направлении.
Второй PN-переход, находящийся между базой и коллектором, смещен в противоположном направлении.
Чтобы включить транзистор, прямое падение напряжения от базы к эмиттеру (VBE) должно быть больше нуля, обычно около 0,6 В.
Чтобы транзистор работал, диод база-эмиттер должен быть смещен вперед.
Когда VBE выше 0,6В, транзисторы работают в активном режиме и усиливают сигналы.
C другой стороны, когда VBE меньше 0,6 В, транзисторы находятся в состоянии, называемом «режим отсечки», в котором через них не протекает ток.
Чтобы транзистор находился в обратном активном режиме, напряжение на эмиттере должно быть выше, чем напряжение на базе, которое должно быть выше, чем напряжение на коллекторе.
Базовые методы смещения
Различные методы смещения базы, такие как смещение обратной связи эмиттера и смещение делителя напряжения, могут использоваться для стабилизации тока коллектора и облегчения его прогнозирования.
Ток коллектора поддерживается постоянным при смещении эмиттерной обратной связи за счет использования обратной связи между эмиттером и базой-коллектором.
Когда к цепи смещения база-база добавляется эмиттерный резистор, влияние изменений температуры и параметров транзистора уменьшается.
Это делает смещение эмиттерной обратной связи более стабильным, чем одно базовое смещение.
Cмещение делителя напряжения использует цепь делителя напряжения для установки базового напряжения, которое не зависит от напряжения коллектора и обеспечивает высокую стабильность смещения.
Эта установка более стабильна, чем базовое смещение, потому что она не использует второй источник питания, что может вызвать проблемы.
Коэффициент усиления по току e транзистора равен току коллектора, деленному на ток базы.
Это означает, что небольшое количество тока базы может управлять гораздо большим током коллектора, что является основой работы транзистора.
Чтобы протекал коллекторный ток, все три части транзистора должны быть смещены в прямом направлении.
Это означает, что ток должен быть введен в базу для проведения проводимости.
Коллекторный ток транзистора увеличивается, когда увеличивается напряжение прямого смещения.
Ограничения напряжения база-коллектор
Насколько высоко может подняться напряжение база-коллектор до того, как смещение эмиттера перестанет работать, зависит от используемого транзистора и его характеристик.
В большинстве случаев производитель указывает максимальное номинальное напряжение база-коллектор (Vbc) для транзистора.
Этот рейтинг может быть где угодно от нескольких вольт до нескольких сотен вольт.
Когда напряжение между базой и коллектором превышает максимальное значение, транзистор может выйти из строя и, возможно, навсегда выйти из строя.
Но эмиттерное смещение все еще может работать в безопасном рабочем диапазоне транзистора, даже если напряжение база-коллектор выше максимального номинального значения.
Расчеты и анализ смещения базы
Расчет сопротивления нагрузки при базовом смещении
В цепи смещения базового резистора биполярного транзистора сопротивление нагрузки можно рассчитать по формуле RL = (V CC - V BE) / IE, где V CC - напряжение от источника питания, V BE - напряжение между базой-эмиттером перехода, IE — ток эмиттера.
Эта формула помогает выяснить, сколько резисторов смещения необходимо для определенного тока эмиттера.
Конфигурация смещения делителя напряжения
Используя теорему Тевенина, вы можете найти конфигурацию смещения для делителя напряжения.
В этом методе два резистора соединяются последовательно между источником питания и землей, а один резистор подключается к базе транзистора.
В этой схеме сопротивление нагрузки обычно является следующей частью цепи или источником тока.
Резисторы смещения можно рассчитать по формуле R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, где R1 — резистор между базой и делителем напряжения, R2 — другой резистор в делителе напряжения, а V BE - напряжение на переходе база-эмиттер (обычно около 0,6-0,7 В для кремниевого транзистора).
Конфигурация смещения обратной связи коллектора
В конфигурации смещения обратной связи коллектора ток эмиттера устанавливается путем помещения резистора между коллектором и базой транзистора.
Таким образом, обеспечивается обратная связь, и точка смещения остается стабильной.
Закон Ома можно использовать для определения сопротивления нагрузки, а падение напряжения на резисторе коллектора можно использовать для определения напряжения коллектора.
Имейте в виду, что существуют и другие способы смещения схемы BJT, и выбранный вами метод будет зависеть от того, что нужно схеме.
Цепь смещения обратной связи коллектора
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с разговорным языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Cлучаи использования
| Используется в: | Описание: |
|---|---|
| Усилители: | В схемах усилителя базовое смещение используется для установки точки добротности, то есть уровня, при котором работает транзистор. Изменяя напряжение смещения, инженеры могут контролировать коэффициент усиления и следить за тем, чтобы выходной сигнал оставался в нужном диапазоне. |
| Включение и выключение: | В схемах переключения, где транзисторы используются для включения и выключения электрических сигналов, смещение базы также очень важно. В этом случае напряжение смещения управляет пороговым напряжением, необходимым для включения транзистора. Это позволяет цепи переключаться между включенным и выключенным состоянием. |
| Источники силы: | В цепях питания смещение базы используется, чтобы гарантировать, что выходное напряжение остается стабильным и находится в правильном диапазоне. Установив напряжение смещения на определенный уровень, инженеры могут контролировать величину тока, протекающего через устройство, и предотвращать скачки напряжения вверх и вниз. |
| Осцилляторы: | В схемах генератора базовое смещение используется для поддержания частоты устройства на нужном уровне. Инженеры могут убедиться, что генератор формирует устойчивую форму волны, изменяя напряжение смещения. |
| Цепи датчика: | В схемах датчиков, где транзисторы используются для обнаружения изменений напряжения или тока, также может использоваться базовое смещение. Инженеры могут контролировать чувствительность и точность датчика, устанавливая напряжение смещения на определенный уровень. Это позволяет датчику улавливать даже небольшие изменения входного сигнала. |
Заключение
В конце концов, смещение базы — важная часть работы транзистора, которую нельзя игнорировать.
Правильное смещение базы важно для надежной работы, поскольку оно контролирует протекание тока и поддерживает стабильность устройства.
Но также важно подумать о том, что означает смещение базы для электроники в целом.
Поскольку наш мир становится все более и более зависимым от технологий, нам необходимо тщательно продумать, как мы проектируем и используем эти устройства, чтобы свести к минимуму их воздействие на окружающую среду и наши сообщества.
Используя идеи базового смещения в наших процессах проектирования и производства, мы можем создавать электронику, которая не только полезна, но и экологически безопасна и полезна для общества.
Наша работа как инженеров и технологов — думать о том, как наша работа влияет на всех, и предвзятость — лишь малая часть этого.
Итак, давайте продолжим расширять границы возможного, не забывая при этом об общей картине.
Cсылки и ссылки
Напряжение смещения транзистора и выходное напряжение смещения:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Cмещение биполярного транзистора:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Твердотельные устройства Лекция 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Поделись…
