如果您是工科學生或工程師，您可能了解晶體管以及它們在現代電子產品中的重要性。
但是你有沒有想過鹼基偏差對這些設備的工作情況有多重要？基極偏置是施加到晶體管的多數載流子觸點的直流電壓。
它對於控制通過設備的電流至關重要。
沒有正確的基極偏置，晶體管就無法正常工作，這會導致奇怪的行為甚至失效。
在這篇博文中，我將討論什麼是基極偏置以及為什麼它對晶體管的工作方式如此重要。
無論您是一位經驗豐富的工程師還是剛剛進入電子領域，您都需要了解基礎偏見才能做好。
因此，讓我們一起深入了解鹼基偏差的迷人世界。
了解基極偏置及其在晶體管中的作用
正式定義：
施加到晶體管的多數載流子觸點（基極）的直流電壓。
基準偏置法
偏置晶體管電路中的雙極結型晶體管 (BJT) 使用基極偏置簡單易行。
此方法可確保將正確的基極電壓 VBB 發送至基極，然後將正確的基極電流發送至 BJT，以便其開啟。
在“固定基極偏置電路”中，基極偏置電阻RB連接在基極和基極電池VBB之間。
這確保晶體管的基極電流對於給定的 VCC 值保持不變。
獲得零信號基極電流的方法
有幾種方法可以獲得所需的零信號基極電流 IB，例如從集電極偏置到基極、使用集電極反饋電阻偏置或使用分壓器偏置。
查看此電路的線性區域時，表明直流對其有直接影響。
通過將基爾霍夫電壓定律應用於基極電路，我們可以得到一個顯示 IB 和 VBB 之間關係的方程式。
如果你知道 VBB 和 RB，你可以使用這個等式來計算 IB。
偏置電阻的用途
偏置電阻器保持足夠的電流流入基極，以便 BJT 晶體管既不會過載也不會關閉。
偏置電阻器使晶體管保持在某個工作點或直流偏移。
一些 BJT 具有內部偏置電阻以減少設計中的部件數量，但需要外部偏置電阻來打開和關閉 BJT。
偏置電阻內置晶體管 (BRT) 是一種雙極型晶體管，內置基極電阻和基射極電阻。
通過將這些電阻器內置到晶體管中，BRT 減少了所需外部部件的數量，並使設置分立電路變得更加容易。
晶體管偏置
晶體管偏置是給晶體管一個直流電壓，使發射極-基極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置的過程。
這使晶體管保持在其有源區，以便它可以用作放大器。
以正確的方式使用耦合和旁路電容器將有助於阻止任何偏置電流流入或流出晶體管的基極。
晶體管的偏置使其能夠以模擬和數字方式工作。
如果沒有偏置，BJT 放大器就無法向負載端子發送適量的功率。
偏置對放大器性能的影響
基極的設置方式會影響晶體管放大器的工作情況。
“A 類偏置”是設置放大器以使工作點位於晶體管特性曲線直線部分的中間的過程。
A 類放大器通過在晶體管的基極-發射極結上施加直流電壓來進行偏置，因此它們的無信號（靜態）工作點位於晶體管行為的線性部分。
晶體管偏置電壓的最佳值是交流輸出峰值電壓的兩倍。
如果改變晶體管的偏置電壓，Q 點也會移動。
徹底改變您的電子產品：利用基極偏置的力量
還是很難理解？讓我稍微改變一下觀點：
您是否厭倦了您的晶體管總是壞掉，因為它們的行為很奇怪並且無法正常工作？看看鹼基偏差的力量有多麼驚人。
是的，在晶體管的多數載流子觸點上施加直流電壓可以區分平穩、可靠的運行和劇烈熔毀。
那麼，為什麼不放棄謹慎，跳入鹼基偏見的狂野世界呢？
好吧，那隻是一個看起來像電視廣告的笑話。
現在讓我們回到解釋。
影響鹼基偏差的因素
溫度對基極偏置的影響
溫度會改變基極-發射極電壓 (VBE) 和集電極-基極反向飽和電流。
這會改變基極偏置電路 (ICBO) 的 Q 點。
隨著溫度升高，VBE 以 2.5 mV/ 的速率下降，而 ICBO 上升。
這使得基極電流 IB 上升，迫使 IC 發生變化，從而移動電路的 Q 點。
為防止熱失控發生，必須採取措施確保偏置對 hFE 擴散穩定。
與分壓器偏置相比，基極偏置和集電極到基極偏置受 VBE 變化的影響較小。
這使得基極偏置和集電極到基極偏置成為需要在不同溫度下保持穩定的電路的更好選擇。
當雙極晶體管的 Q 點接近其工作範圍的中間時，它受溫度變化的影響較小。
計算基極電阻電壓
歐姆定律和基爾霍夫電壓定律用於計算具有固定基極偏置的電路中基極電阻的電壓是多少。
偏置晶體管的最簡單方法是使用固定基極偏置電路。
在這個電路中，基極偏置在晶體管工作時保持不變。
要設置此電路，您需要在基極和基極電池 VBB 或其他恆壓源之間連接一個基極偏置電阻。
如果我們有一個 =100 的晶體管並希望獲得 1mA 的發射極電流，我們可以使用歐姆定律和基爾霍夫電壓定律來計算基極偏置電阻需要多大。
首先，我們必須弄清楚什麼是VBB。
我們可以使用基爾霍夫電壓定律寫成：VCC = IB * RB + VBE。
由於IB大致等於IE/，其中IE是發射極電流，是三極管的直流增益，VBE對於矽三極管來說約為0.7V，我們可以寫成：VBB = VCC - (IE/)*RB - 0.7五、
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) 是求解 RB 時得到的結果。
您還可以使用在線計算器，例如 Omni Calculator 的晶體管偏置計算器。
該計算器僅適用於雙極結型晶體管 (BJT)，它提供了不同的偏置設置方式，例如固定基極偏置、集電極反饋偏置、發射極反饋偏置和分壓器偏置。
要將此計算器用於固定基極偏置方法，您可以輸入已知值，例如電源電壓 (VCC)、所需的集電極電流 (IC)、DC 增益 () 和飽和電壓 (VCEsat)。
該計算器將為您提供發射極電流 (IE)、集電極電阻 (RC)、發射極電阻 (RE) 和基極電阻 (RB) 等結果。
為晶體管提供偏置的方法
有許多不同的方法可以為晶體管提供偏置。
其中包括：
- 基極偏置或“固定電流偏置”不是一個很好的方法，因為晶體管工作時偏置電壓和電流不會保持不變。
- 帶發射極反饋的基極偏置：即使電阻隨溫度變化而變化，這種方法也能保持直流工作點穩定。
- Base Bias with Collector Feedback：這種方法的名稱來源於這樣一個事實，即由於 RB 基於收集器，因此存在負反饋效應，使其比單獨使用 base bias 更穩定。
- 集電極到基極偏置：在這種方法中，偏置電壓被置於晶體管的集電極和基極之間。
這種方法提供穩定的偏置電壓，可用於需要溫度穩定的電路中。
- 分壓器偏置：在這種方法中，基極電壓由兩個電阻組成的分壓器網絡設置。
基礎偏置的高級技術
基極偏置是使雙極晶體管在其線性區域工作的重要方式，這是放大所必需的。
但基極偏置電路對溫度和晶體管參數的變化很敏感，這會導致集電極電流發生難以預測的變化。
為了更好地改善鹼基偏差，人們想出了其他方法來使其更加穩定和可預測。
在本文中，我們將討論用於基極偏置的高級技術，例如發射極反饋偏置、發射極偏置、分壓器偏置以及用於混合和倍增信號的公共基極偏置。
發射極反饋偏置
發射極反饋偏置是一種設置晶體管的方法，它使用發射極反饋和基極-集電極反饋來保持集電極電流穩定。
在這種方法中，發射極電阻被添加到基極偏置電路。
這通過產生負反饋使基極偏置更可預測，負反饋抵消了基極電壓變化引起的集電極電流的任何變化。
發射極反饋偏置優於基極偏置，因為它使基極偏置更穩定並且對溫度和晶體管參數的變化更不敏感。
此方法通過使用來自發射極電阻器的負反饋來實現，這使得這些變化不太明顯。
發射極偏置
即使溫度發生變化，發射極偏置也非常穩定，並且它同時使用正電源電壓和負電源電壓。
在共發射極 BJT 晶體管中，發射極接地，因此輸入電壓是在基極相對於地（發射極）測量的，輸出電壓是在集電極相對於地（集電極）測量的（發射器）。
通過確保晶體管的基極始終正確偏置，發射極偏置可以使放大器有源區的 Q 點更加穩定。
它比基礎偏差更好，因為它使偏差保持穩定。
分壓器偏置
基極偏置電路不如分壓器偏置電路穩定。
與集電極電壓無關的基極電壓由該電路中的分壓網絡設置。
這使得集電極電壓和晶體管參數的變化對偏置點的影響較小。
大多數時候，分壓器的輸出阻抗遠高於基極偏置電路的輸出阻抗。
這使得分壓器更穩定。
基礎偏差
與分壓器偏置電路相比，基極偏置電路更容易製造且零件更少，但穩定性較差。
基極偏置電壓與集電極電壓直接相關。
如果三極管的集電極電壓或參數發生變化，基極偏置電壓也會發生變化，使電路不穩定。
用於信號混合和倍增的公共基礎偏差
為了在公共基極電路中混合和倍增信號，需要為二極管等非線性元件或晶體管或 FET 等有源器件提供適當的偏置量。
當兩個信號通過非線性元件發送時會發生這種情況。
在原始信號的和頻和差頻處，在新頻率上產生兩個新信號。
使用帶有旁路電容器的發射極偏置配置是設置用於混合和乘法的公共基極電路的一種方法。
帶有旁路電容器的分壓器偏置配置是另一種方法。
簡而言之，通過使用新技術，鹼基偏差變得更加穩定和可預測。
即使溫度和晶體管參數發生變化，發射極反饋偏置和發射極偏置也能使偏置保持非常穩定。
基極偏置不如分壓器偏置穩定，基極偏置用於混合和倍增信號。
基極-集電極結和基極-發射極壓降
在雙極結晶體管中，基極和集電極之間的結總是反向偏置。
這意味著可以在結斷開之前將高反向偏置電壓施加到結上。
反向偏置電壓充當基極少數載流子的正向偏置，加速它們通過基極-集電極結並進入集電極區。
當發射極-基極結和集電極-基極結都是正向偏置時，電流從發射極流向集電極。
這讓晶體管完成它的工作。
在這種稱為飽和的狀態下，兩個結都正向偏置，基極和發射極之間的電壓對於矽晶體管至少為 0.7V，對於鍺晶體管至少為 0.3V。
基射結偏置
基極-發射極結上的正向偏置壓降通過降低發射極-基極結的勢壘影響晶體管的工作方式。
這讓更多的載流子到達集電極並增加從發射極到集電極並通過外部電路的電流。
對於用作放大器的晶體管，它的每個結都必須由來自晶體管外部的電壓改變。
位於發射極和基極之間的第一個 PN 結正向偏置。
第二個 PN 結位於基極和集電極之間，偏置方向相反。
要開啟晶體管，從基極到發射極的正向壓降 (VBE) 必須大於零，通常約為 0.6V。
為了使晶體管工作，基極-發射極二極管必須正向偏置。
當VBE高於0.6V時，三極管工作在有源模式，升壓信號。
另一方面，當 VBE 小於 0.6V 時，晶體管處於稱為“截止模式”的狀態，其中沒有電流流過它們。
對於處於反向激活模式的晶體管，發射極電壓必須高於基極電壓，而基極電壓必須高於集電極電壓。
基礎偏置技術
可以使用不同的基極偏置方法（例如發射極反饋偏置和分壓器偏置）來穩定集電極電流並使其更易於預測。
通過使用發射極和基極-集電極反饋，集電極電流在發射極反饋偏置下保持穩定。
將發射極電阻添加到基極偏置電路時，溫度變化和晶體管參數的影響會減弱。
這使得發射極反饋偏置比單獨的基極偏置更穩定。
分壓器偏置使用分壓器網絡設置基極電壓，該電壓獨立於集電極電壓並提供高偏置穩定性。
這種設置比基極偏置更穩定，因為它不使用可能導致問題的第二個電源。
晶體管的電流增益 e 等於集電極電流除以基極電流。
這意味著少量的基極電流可以控制更大的集電極電流，這是晶體管工作原理的基礎。
為了使集電極電流流動，晶體管的所有三個部分都必須正向偏置。
這意味著必須將電流驅動到基極才能進行傳導。
當正向偏置電壓升高時，晶體管的集電極電流升高。
基極集電極電壓限制
在發射極偏置停止工作之前，基極-集電極電壓可以達到多高取決於所使用的晶體管及其規格。
大多數時候，製造商會列出晶體管的最大基極-集電極電壓 (Vbc) 額定值。
這個額定值可以從幾伏到幾百伏不等。
當基極和集電極之間的電壓超過最大額定值時，晶體管可能會擊穿並可能永久損壞。
但即使基極-集電極電壓高於最大額定值，發射極偏壓仍能在晶體管的安全工作範圍內工作。
鹼基偏差的計算與分析
計算基極偏置的負載電阻
在 BJT 基極電阻偏置電路中，負載電阻可以使用公式 RL = (V CC - V BE) / IE 計算，其中 V CC 是電源電壓，V BE 是基極-發射極兩端的電壓結，IE 是發射極電流。
該公式有助於計算出一定量的發射極電流需要多少個偏置電阻。
分壓器偏置配置
使用戴維南定理，您可以找到分壓器的偏置配置。
在這種方法中，兩個電阻串聯在電源和地之間，一個電阻連接到晶體管的基極。
在此設置中，負載電阻通常是電路的下一部分或電流源。
偏置電阻可以使用公式 R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE 計算，其中 R1 是基極和分壓器之間的電阻，R2 是分壓器中的另一個電阻，V BE是基極-發射極結兩端的電壓（矽晶體管通常約為 0.6-0.7V）。
集電極反饋偏置配置
在集電極反饋偏置配置中，通過在晶體管的集電極和基極之間放置一個電阻來設置發射極電流。
這種方式提供反饋並保持偏置點穩定。
歐姆定律可用於計算負載電阻，集電極電阻兩端的壓降可用於計算集電極電壓。
請記住，還有其他方法可以偏置 BJT 電路，您選擇的方法將取決於電路的需要。
集電極反饋偏置電路
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用例
| 用於： | 描述： |
|---|---|
| 放大器： | 在放大器電路中，基極偏置用於設置 Q 點，即晶體管工作的電平。通過改變偏置電壓，工程師可以控制放大係數並確保輸出的信號保持在他們想要的範圍內。 |
| 開啟和關閉： | 在開關電路中，晶體管用於打開和關閉電信號，基極偏置也非常重要。在這種情況下，偏置電壓控制開啟晶體管所需的閾值電壓。這使電路在打開和關閉之間切換。 |
| 動力來源： | 在電源電路中，基極偏置用於確保輸出電壓保持穩定並處於正確的範圍內。通過將偏置電壓設置為一定水平，工程師可以控制流過器件的電流量並阻止電壓上升和下降。 |
| 振盪器： | 在振盪器電路中，基極偏置用於將設備的頻率保持在正確的水平。工程師可以通過改變偏置電壓來確保振盪器產生穩定的波形。 |
| 傳感器電路： | 在傳感器電路中，晶體管用於檢測電壓或電流的變化，也可以使用基極偏置。工程師可以通過將偏置電壓設置為特定水平來控制傳感器的靈敏度和準確度。這讓傳感器可以接收到輸入信號中的微小變化。 |
結論
最後，基極偏置是晶體管工作方式的重要組成部分，不容忽視。
適當的基極偏置對於可靠的性能很重要，因為它控制電流並保持設備穩定。
但同樣重要的是要考慮基極偏置對一般電子產品意味著什麼。
隨著我們的世界越來越依賴技術，我們需要仔細考慮如何設計和使用這些設備，以將它們對環境和社區的影響降至最低。
通過在我們的設計和生產過程中使用鹼基偏差的想法，我們可以製造出不僅有用而且對環境友好且對社會有益的電子產品。
作為工程師和技術人員，我們的工作是思考我們的工作如何影響每個人，而基本偏見只是其中的一小部分。
因此，讓我們在牢記大局的同時不斷突破可能的極限。
鏈接和參考
晶體管偏置和輸出偏置電壓：
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
雙極晶體管偏置：
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
固態器件第 18 講：
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
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