Om du är ingenjörsstudent eller ingenjör vet du förmodligen om transistorer och hur viktiga de är i modern elektronik.
Men har du någonsin slutat tänka på hur viktig basförspänning är för hur väl dessa enheter fungerar? Basförspänning är den likspänning som appliceras på en transistors majoritetsbärvågskontakt.
Det är viktigt för att kontrollera strömflödet genom enheten.
Utan rätt basförspänning kan en transistor inte fungera korrekt, vilket kan leda till konstigt beteende eller till och med misslyckande.
I det här blogginlägget kommer jag att prata om vad basbias är och varför det är så viktigt för hur transistorer fungerar.
Oavsett om du är en erfaren ingenjör eller precis har börjat inom elektronikområdet, måste du förstå basfördomar för att göra bra ifrån dig.
Så låt oss dyka in och lära oss tillsammans om den fascinerande världen av basbias.
Förstå Base Bias och dess funktion i transistorer
Formell definition:
Likspänningen som appliceras på majoritetsbärvågskontakten (basen) av en transistor.
Base Bias Method
Att förspänna en bipolär övergångstransistor (BJT) i en transistorkrets är enkelt och lätt att göra med basförspänning.
Denna metod ser till att rätt basspänning, VBB, skickas till basen, som sedan skickar rätt basström till BJT så att den kan slås på.
I en "fast basförspänningskrets" är ett basförspänningsmotstånd RB anslutet mellan basen och ett basbatteri VBB.
Detta säkerställer att transistorns basström förblir densamma för givna värden på VCC.
Metoder för att erhålla nollsignalbasström
Det finns flera sätt att få nollsignalens basström IB som behövs, såsom förspänning från kollektor till bas, förspänning med ett kollektoråterkopplingsmotstånd eller förspänning med en spänningsdelare.
När man tittar på denna krets linjära region visar det att DC har en direkt effekt på den.
Genom att tillämpa Kirchhoffs spänningslag på baskretsen kan vi få en ekvation som visar sambandet mellan IB och VBB.
Om du känner till VBB och RB kan du använda den här ekvationen för att räkna ut IB.
Syftet med bias resistor
Ett förspänningsmotstånd håller tillräckligt med ström in i basen så att BJT-transistorn varken överbelastas eller stängs av.
Förspänningsmotståndet håller transistorn vid en viss arbetspunkt eller DC-offset.
Vissa BJT:er har ett internt förspänningsmotstånd för att minska antalet delar i en design, men externa förspänningsmotstånd behövs för att slå på och av BJT:er.
En bias resistor inbyggd transistor (BRT) är en bipolär transistor som har både ett basmotstånd och ett bas-emittermotstånd inbyggt.
Med dessa motstånd inbyggda i transistorn minskar BRT:er antalet externa delar som behövs och gör det lättare att sätta upp diskreta kretsar.
Transistorförspänning
Transistorförspänning är processen att ge transistorn en DC-spänning så att emitter-basövergången är framåtspänd och kollektor-basövergången är bakåtförspänd.
Detta håller transistorn i sitt aktiva område så att den kan fungera som en förstärkare.
Att använda kopplings- och bypasskondensatorer på rätt sätt kommer att hjälpa till att stoppa eventuella förspänningsströmmar från att gå in i eller ut ur transistorns bas.
Förspänningen av en transistor gör att den fungerar på både analoga och digitala sätt.
Utan förspänning kan BJT-förstärkare inte skicka rätt mängd ström till belastningsterminalerna.
Inverkan av biasing på förstärkarens prestanda
Hur basen är uppställd påverkar hur väl en transistorförstärkare fungerar.
"Klass A bias" är processen att ställa in en förstärkare så att arbetspunkten är i mitten av den raka delen av transistorns karakteristiska kurva.
Klass A-förstärkare är förspända genom att sätta en likspänning över transistorns bas-emitterövergång så att deras no-signal (vila) arbetspunkt är på en linjär del av transistorns beteende.
Det bästa värdet för förspänningen för en transistor är två gånger den högsta AC-utgångsspänningen.
Om du ändrar förspänningen för en transistor kommer Q-punkten också att flytta sig.
Revolutionera din elektronik: Utnyttja kraften i Base Bias
Fortfarande svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:
Är du trött på att dina transistorer går sönder hela tiden för att de fungerar konstigt och inte fungerar rätt? Se bara på hur fantastisk kraften i basbias är.
Ja, att sätta en likspänning på majoritetsbärvågskontakten på din transistor kan göra skillnaden mellan smidig, pålitlig drift och en brinnande härdsmälta.
Så varför inte släppa försiktigheten och hoppa in i den vilda världen av basfördomar?
Okej, det var bara ett skämt för att se ut som en tv-reklam.
Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.
Faktorer som påverkar Base Bias
Temperatureffekter på basförspänning
Temperaturen ändrar bas-emitterspänningen (VBE) och kollektor-basens omvända mättnadsström.
Detta ändrar Q-punkten för en basförspänningskrets (ICBO).
När temperaturen går upp sjunker VBE med en hastighet av 2,5 mV/, medan ICBO går upp.
Detta gör att basströmmen IB går upp, vilket tvingar IC att ändras, vilket flyttar kretsens Q-punkt.
För att förhindra att termisk spridning inträffar, måste åtgärder vidtas för att säkerställa att förspänningen är stabil mot hFE-spridning.
Basförspänning och kollektor-till-basförspänning påverkas mindre av förändringar i VBE än spänningsdelarförspänning.
Detta gör basförspänning och kollektor-till-basförspänning bättre val för kretsar som måste vara stabila vid olika temperaturer.
När Q-punkten för en bipolär transistor är nära mitten av dess arbetsområde, påverkas den mindre av temperaturförändringar.
Beräknar basresistorspänning
Ohms lag och Kirchhoffs spänningslag används för att ta reda på vad basmotståndets spänning är i en krets med fast basförspänning.
Det enklaste sättet att förspänna en transistor är med en fast basförspänningskrets.
I denna krets förblir basförspänningen densamma medan transistorn arbetar.
För att ställa in denna krets ansluter du ett basförspänningsmotstånd mellan basen och ett basbatteri VBB eller en annan källa med konstant spänning.
Om vi har en =100 transistor och vill få en emitterström på 1mA kan vi använda Ohms lag och Kirchhoffs spänningslag för att räkna ut hur stort basförspänningsmotståndet behöver vara.
Först måste vi ta reda på vad VBB är.
Vi kan skriva: VCC = IB * RB + VBE med hjälp av Kirchhoffs spänningslag.
Eftersom IB är ungefär lika med IE/, där IE är emitterströmmen, är likströmsförstärkningen för transistorn och VBE är cirka 0,7V för kiseltransistorer, kan vi skriva: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) är vad du får när du löser för RB.
Du kan också använda miniräknare online, som Transistor Biasing Calculator från Omni Calculator.
Den här kalkylatorn fungerar bara med bipolära övergångstransistorer (BJT), och den erbjuder olika sätt att ställa in förspänningen, såsom fast basförspänning, kollektoråterkopplingsförspänning, emitteråterkopplingsförspänning och spänningsdelarförspänning.
För att använda denna kalkylator för den fasta basförspänningsmetoden kan du lägga in kända värden som matningsspänningen (VCC), den önskade kollektorströmmen (IC), DC-förstärkningen () och mättnadsspänningen (VCEsat).
Kalkylatorn ger dig resultat som emitterström (IE), kollektorresistans (RC), emitterresistans (RE) och basresistans (RB).
Metoder för att tillhandahålla förspänning för en transistor
Det finns många olika sätt att ge en transistor en bias.
Bland dem finns:
- Base Bias eller "Fixed Current Bias" är inte en särskilt bra metod eftersom förspänningar och strömmar inte förblir desamma medan transistorn fungerar.
- Base Bias med Emitter Feedback: Denna metod håller likströmsdriftpunkten stabil även om motståndet ändras när temperaturen ändras.
- Base Bias med Collector Feedback: Denna metods namn kommer från det faktum att eftersom RB är baserad på collector, finns det en negativ återkopplingseffekt som gör den mer stabil än enbart basbias.
- Kollektor-till-bas-förspänning: I denna metod sätts en förspänning mellan transistorns kollektor och bas.
Denna metod ger en stabil förspänning och kan användas i kretsar som behöver stabilitet i temperatur.
- Spänningsdelarförspänning: I denna metod ställs basspänningen in med ett spänningsdelarnätverk gjord av två motstånd.
Avancerade tekniker för Base Bias
Basbias är ett viktigt sätt att få bipolära transistorer att fungera i sin linjära region, vilket behövs för förstärkning.
Men basförspänningskretsar är känsliga för förändringar i temperatur och transistorparametrar, vilket kan orsaka förändringar i kollektorströmmen som är svåra att förutsäga.
För att göra basbias bättre har folk kommit på andra sätt att göra det mer stabilt och förutsägbart.
I den här artikeln kommer vi att prata om avancerade tekniker för basförspänning, såsom emitter-feedback-förspänning, emitterförspänning, spänningsdelarförspänning och gemensam basförspänning för att blanda och multiplicera signaler.
Emitter-feedback bias
Emitter-feedback-bias är ett sätt att ställa in en transistor som använder både emitterfeedback och baskollektorfeedback för att hålla kollektorströmmen stabil.
I denna metod läggs ett emittermotstånd till basförspänningskretsen.
Detta gör basförspänningen mer förutsägbar genom att skapa negativ återkoppling, som tar bort alla förändringar i kollektorström som orsakas av en förändring i basspänning.
Emitter-feedback-förspänning är bättre än basförspänning eftersom den gör basförspänningen mer stabil och mindre känslig för förändringar i temperatur och transistorns parametrar.
Denna metod gör detta genom att använda negativ återkoppling från emittermotståndet, vilket gör dessa förändringar mindre märkbara.
Emitter Bias
Emitterbias är mycket stabil även när temperaturen ändras, och den använder både en positiv och en negativ matningsspänning.
I en gemensam emitter BJT-transistor är emittern ansluten till jord, så ingångsspänningen mäts vid basen med avseende på jord (emittern), och utspänningen mäts vid kollektorn med avseende på jord (kollektorn) ( utsändare).
Emitterförspänning kan göra Q-punkten för en förstärkares aktiva region mer stabil genom att se till att transistorns bas alltid är rätt förspänd.
Det är bättre än basförspänning eftersom det håller förspänningen stabil.
Spänningsdelarförspänning
Basförspänningskretsen är mindre stabil än spänningsdelarens förspänningskrets.
Basspänningen, som inte är relaterad till kollektorspänningen, ställs in av ett spänningsdelarnätverk i denna krets.
Detta gör det så att förändringar i kollektorspänningen och transistorns parametrar har mindre effekt på förspänningspunkten.
För det mesta är utgångsimpedansen för en spänningsdelare mycket högre än för en basförspänningskrets.
Detta gör spänningsdelaren mer stabil.
Bas Bias
Basförspänningskretsar är lättare att tillverka och har färre delar än spänningsdelarförspänningskretsar, men de är mindre stabila.
Basförspänningen är direkt kopplad till kollektorspänningen.
Om kollektorspänningen eller parametrarna för transistorn ändras kommer även basförspänningen att ändras, vilket gör kretsen instabil.
Common Base Bias för signalblandning och multiplikation
För att blanda och multiplicera signaler i en gemensam baskrets ges ett olinjärt element som en diod eller en aktiv enhet som en transistor eller FET rätt mängd förspänning.
Detta händer när två signaler skickas genom ett olinjärt element.
Vid summa- och skillnadsfrekvenserna för de ursprungliga signalerna skapas två nya signaler på nya frekvenser.
Att använda en emitter-bias-konfiguration med en bypass-kondensator är ett sätt att sätta upp en gemensam baskrets för blandning och multiplicering.
En spänningsdelarförspänningskonfiguration med en bypass-kondensator är ett annat sätt att göra det.
Kort sagt, basbias har gjorts mer stabil och förutsägbar genom användning av nya tekniker.
Även när temperatur- och transistorparametrar ändras, håller emitter-feedback-bias och emitter-bias förspänningen mycket stabil.
Basförspänning är mindre stabil än spänningsdelarförspänning, och basförspänning används för att blanda och multiplicera signaler.
Base-Collector Junction och Base-Emitter Spänningsfall
I en bipolär kopplingstransistor är kopplingen mellan basen och kollektorn alltid omvänd förspänd.
Detta innebär att en hög backspänning kan appliceras på korsningen innan den går sönder.
Den omvända förspänningen fungerar som en förspänning framåt för minoritetsbärare i basen, och påskyndar dem genom bas-kollektorövergången och in i kollektorområdet.
När både emitter-bas- och kollektor-bas-övergångarna är framåtspända, flyter ström från emittern till kollektorn.
Detta låter transistorn göra sitt jobb.
I det här tillståndet, som kallas mättnad, är båda övergångarna förspända framåt, och spänningen mellan basen och emittern är minst 0,7V för kiseltransistorer eller 0,3V för germaniumtransistorer.
Base-Emitter Junction Biasing
Framförspänningsfallet över bas-emitterövergången påverkar hur en transistor fungerar genom att sänka barriären vid emitter-basövergången.
Detta låter fler bärare komma till kollektorn och ökar strömflödet från emittern till kollektorn och genom den externa kretsen.
För att en transistor ska fungera som en förstärkare måste var och en av dess kopplingar ändras av en spänning som kommer utifrån transistorn.
Den första PN-övergången, som är mellan sändaren och basen, är förspänd i riktning framåt.
Den andra PN-övergången, som är mellan basen och kollektorn, är förspänd i motsatt riktning.
För att slå på en transistor måste framspänningsfallet från bas till emitter (VBE) vara större än noll, vanligtvis runt 0,6V.
För att en transistor ska fungera måste bas-emitterdioden vara förspänd framåt.
När VBE är högre än 0,6V fungerar transistorer i aktivt läge och förstärker signalerna.
När VBE är mindre än 0,6V, å andra sidan, är transistorer i ett tillstånd som kallas "cutoff mode", där ingen ström flyter genom dem.
För att en transistor ska vara i omvänt aktivt läge måste spänningen vid emittern vara högre än spänningen vid basen, som måste vara högre än spänningen vid kollektorn.
Basförspänningstekniker
Olika basförspänningsmetoder, såsom emitter-feedback-bias och spänningsdelarförspänning, kan användas för att stabilisera kollektorströmmen och göra det lättare att förutsäga.
Kollektorströmmen hålls konstant med emitter-feedback-förspänning genom att använda både emitter- och baskollektoråterkoppling.
När ett emittermotstånd läggs till basförspänningskretsen, minskar effekten av förändringar i temperatur och transistorns parametrar.
Detta gör emitter-feedback-bias mer stabil än basbias enbart.
Spänningsdelarförspänning använder ett spänningsdelarnätverk för att ställa in basspänningen, som är oberoende av kollektorspänningen och ger hög förspänningsstabilitet.
Denna inställning är mer stabil än basförspänning eftersom den inte använder en andra strömkälla, vilket kan orsaka problem.
Strömförstärkningen, e, för en transistor är lika med kollektorströmmen dividerad med basströmmen.
Det betyder att en liten mängd basström kan styra en mycket större kollektorström, vilket är grunden för hur en transistor fungerar.
För att en kollektorström ska flyta måste alla tre delar av transistorn vara framåtspända.
Det betyder att en ström måste drivas in i basen för att ledning ska ske.
Kollektorströmmen för en transistor går upp när framåtförspänningen går upp.
Base-Collector Spänningsbegränsningar
Hur hög bas-kollektorspänningen kan gå innan emitterförspänningen slutar fungera beror på vilken transistor som används och dess specifikationer.
För det mesta kommer tillverkaren att lista den maximala baskollektorspänningen (Vbc) för en transistor.
Denna klassificering kan vara allt från några få volt till flera hundra volt.
När spänningen mellan basen och kollektorn går över maxmärket kan transistorn gå sönder och eventuellt skadas för gott.
Men emitterförspänningen kan fortfarande fungera inom transistorns säkra driftsområde även om baskollektorspänningen är högre än den maximala märkspänningen.
Beräkningar och analys av basbias
Beräknar belastningsmotstånd i basförspänning
I en BJT-basmotståndsförspänningskrets kan belastningsresistansen beräknas med formeln RL = (V CC - V BE) / IE, där V CC är spänningen från strömförsörjningen, VBE är spänningen över bas-emittern junction, och IE är emitterströmmen.
Denna formel hjälper till att räkna ut hur många förspänningsmotstånd som behövs för en viss mängd emitterström.
Konfiguration av spänningsdelarförspänning
Med hjälp av Thevenins teorem kan du hitta förspänningskonfigurationen för en spänningsdelare.
I denna metod är två motstånd kopplade i serie mellan en strömkälla och jord, och ett motstånd är anslutet till transistorns bas.
I denna uppställning är belastningsresistansen vanligtvis nästa del av kretsen eller en strömkälla.
Förspänningsmotstånden kan beräknas med formeln R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, där R1 är motståndet mellan basen och spänningsdelaren, R2 är det andra motståndet i spänningsdelaren och V BE är spänningen över bas-emitterövergången (vanligtvis runt 0,6-0,7V för en kiseltransistor).
Samlarfeedback Bias-konfiguration
I kollektoråterkopplingsförspänningskonfigurationen ställs en emitterström in genom att placera ett motstånd mellan kollektorn och basen på en transistor.
Detta sätt ger feedback och håller bias-punkten stabil.
Ohms lag kan användas för att räkna ut belastningsresistansen, och spänningsfallet över kollektormotståndet kan användas för att räkna ut kollektorspänningen.
Tänk på att det finns andra sätt att påverka en BJT-krets, och den metod du väljer beror på vad kretsen behöver.
Collector Feedback Bias Circuit
Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det talade språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.
Användningsfall
| Använd i: | Beskrivning: |
|---|---|
| Förstärkare: | I förstärkarkretsar används basförspänning för att ställa in Q-punkten, vilket är den nivå som transistorn arbetar på. Genom att ändra förspänningen kan ingenjörer kontrollera förstärkningsfaktorn och se till att signalen som kommer ut stannar inom det område de vill ha. |
| Slå på och av: | I omkopplingskretsar, där transistorer används för att slå på och stänga av elektriska signaler, är basbias också mycket viktigt. I detta fall styr förspänningen den tröskelspänning som behövs för att slå på transistorn. Detta låter kretsen växla mellan att vara på och av. |
| Kraftkällor: | I strömförsörjningskretsar används basförspänning för att säkerställa att utspänningen förblir stabil och i rätt intervall. Genom att ställa in förspänningen till en viss nivå kan ingenjörer kontrollera hur mycket ström som flyter genom enheten och stoppa spänningen från att gå upp och ner. |
| Oscillatorer: | I oscillatorkretsar används basförspänning för att hålla enhetens frekvens på rätt nivå. Ingenjörer kan se till att oscillatorn gör en stadig vågform genom att ändra förspänningen. |
| Sensorkretsar: | I sensorkretsar, där transistorer används för att detektera förändringar i spänning eller ström, kan även basförspänning användas. Ingenjörer kan kontrollera hur känslig och exakt sensorn är genom att ställa in förspänningen till en viss nivå. Detta låter sensorn upptäcka även små förändringar i insignalen. |
Slutsats
I slutändan är basbias en viktig del av hur en transistor fungerar som inte kan ignoreras.
Korrekt basförspänning är viktigt för tillförlitlig prestanda eftersom det styr strömflödet och håller enheten stabil.
Men det är också viktigt att tänka på vad basförspänning betyder för elektronik i allmänhet.
När vår värld blir mer och mer beroende av teknik, måste vi tänka noga på hur vi designar och använder dessa enheter för att hålla deras effekter på miljön och våra samhällen till ett minimum.
Genom att använda idéerna om basbias i våra design- och produktionsprocesser kan vi göra elektronik som inte bara är användbar utan också miljövänlig och bra för samhället.
Som ingenjörer och teknologer är det vår uppgift att tänka på hur vårt arbete påverkar alla, och basbias är bara en liten del av det.
Så låt oss fortsätta att tänja på gränserna för vad som är möjligt samtidigt som vi har helheten i åtanke.
Länkar och referenser
Transistorförspänning och utgångsförspänning:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Bipolär transistorförspänning:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Solid State Devices Föreläsning 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Dela på…
