Ако сте студент по инженерство или инженер, вероятно знаете за транзисторите и колко важни са те в съвременната електроника.
Но замисляли ли сте се някога колко важно е базовото отклонение за това колко добре работят тези устройства? Базовото отклонение е директното напрежение, приложено към контакта на основния носител на транзистора.
Той е от съществено значение за контролиране на протичането на ток през устройството.
Без правилното базово отклонение, транзисторът не може да работи правилно, което може да доведе до странно поведение или дори повреда.
В тази публикация в блога ще говоря за това какво е базово отклонение и защо е толкова важно за начина, по който работят транзисторите.
Независимо дали сте опитен инженер или току що започвате в областта на електрониката, трябва да разберете базовото пристрастие, за да се справите добре.
Така че нека се потопим и научим заедно за очарователния свят на базовото пристрастие.
Разбиране на базовото отклонение и неговата функция в транзисторите
Официална дефиниция:
Правото напрежение, което се прилага към основния контакт (база) на транзистора.
Метод на базовото отклонение
Изместването на биполярен преходен транзистор (BJT) в транзисторна верига е просто и лесно да се направи с базово отклонение.
Този метод гарантира, че правилното базово напрежение, VBB, се изпраща към базата, която след това изпраща правилния базов ток към BJT, така че да може да се включи.
В "верига с фиксирано отклонение на базата", резистор за отклонение на основата RB е свързан между основата и основната батерия VBB.
Това гарантира, че базовият ток на транзистора остава същият за дадени стойности на VCC.
Методи за получаване на базов ток на нулев сигнал
Има няколко начина за получаване на необходимия базов ток с нулев сигнал, като например отклоняване от колектор към база, отклоняване с колекторен резистор за обратна връзка или отклоняване с делител на напрежение.
Когато се погледне линейната област на тази верига, това показва, че постоянният ток има пряк ефект върху нея.
Като приложим закона за напрежението на Кирхоф към основната верига, можем да получим уравнение, което показва връзката между IB и VBB.
Ако знаете VBB и RB, можете да използвате това уравнение, за да разберете IB.
Предназначение на Bias Resistor
Резисторът на отклонение поддържа достатъчно ток, протичащ в основата, така че BJT транзисторът да не бъде нито претоварен, нито изключен.
Изместващият резистор поддържа транзистора в определена работна точка или DC отместване.
Някои BJT имат вътрешен преднапрегнат резистор, за да намалят броя на частите в дизайна, но са необходими външни предубедени резистори, за да включват и изключват BJT.
Транзистор с вграден резистор (BRT) е биполярен транзистор, който има вграден както базов резистор, така и резистор базов емитер.
С тези резистори, вградени в транзистора, BRT намаляват броя на необходимите външни части и улесняват настройването на отделни вериги.
Транзисторно отклонение
Изместването на транзистора е процес на подаване на постоянно напрежение на транзистора, така че преходът емитер-база да е предубеден, а преходът колектор-база да е предубеден назад.
Това поддържа транзистора в неговата активна област, така че да може да работи като усилвател.
Използването на съединителни и байпасни кондензатори по правилния начин ще помогне да се спре навлизането на токове на отклонение в или извън базата на транзистора.
Изместването на транзистора му позволява да работи както по аналогов, така и по цифров начин.
Без отклонение, BJT усилвателите не могат да изпратят правилното количество мощност към клемите за натоварване.
Влияние на отклонението върху производителността на усилвателя
Как е настроена основата влияе върху това колко добре работи транзисторният усилвател.
"Клас А отклонение" е процесът на настройка на усилвател, така че работната точка да е в средата на правата част на характеристичната крива на транзистора.
Усилвателите от клас А са предубедени чрез поставяне на постоянно напрежение през прехода база-емитер на транзистора, така че тяхната работна точка без сигнал (в покой) да е върху линейната част от поведението на транзистора.
Най-добрата стойност за преднапрежението на транзистора е два пъти пиковото AC изходно напрежение.
Ако промените преднапрежението на транзистора, Q-точката също ще се премести.
Направете революция във вашата електроника: впрегнете силата на Base Bias
Все още трудно за разбиране? Да променя малко гледната точка:
Писна ли ви транзисторите ви да се чупят през цялото време, защото се държат странно и не работят правилно? Само вижте колко невероятна е силата на базовото отклонение.
Да, поставянето на директно напрежение върху контакта на мажоритарния носител на вашия транзистор може да направи разликата между плавна, надеждна работа и огнено разтопяване.
Така че защо не изоставите предпазливостта и не скочите в дивия свят на базовите пристрастия?
Добре, това беше просто шега, направена да изглежда като телевизионна реклама.
Сега да се върнем към обяснението.
Фактори, влияещи върху базовото отклонение
Температурни ефекти върху базовото отклонение
Температурата променя напрежението база-емитер (VBE) и обратния ток на насищане колектор-база.
Това променя Q-точката на верига на базово отклонение (ICBO).
С повишаването на температурата VBE намалява със скорост от 2,5 mV/, докато ICBO се покачва.
Това кара основния ток IB да се покачва, което принуждава IC да се промени, което премества Q-точката на веригата.
За да не се случи топлинно бягство, трябва да се предприемат стъпки, за да се гарантира, че отклонението е стабилно спрямо разпространението на hFE.
Базовото отклонение и отклонението колектор-база се влияят по-малко от промените във VBE, отколкото отклонението на делителя на напрежението.
Това прави базовото отклонение и отклонението колектор-база по-добър избор за вериги, които трябва да бъдат стабилни при различни температури.
Когато Q-точката на биполярен транзистор е близо до средата на неговия работен диапазон, той се влияе по-малко от промените в температурата.
Изчисляване на напрежението на базовия резистор
Законът на Ом и законът за напрежението на Кирхоф се използват, за да се разбере какво е напрежението на базовия резистор във верига с фиксирано базово отклонение.
Най-лесният начин за пристрастяване на транзистор е с фиксирана базова предубедена верига.
В тази схема базовото отклонение остава същото, докато транзисторът работи.
За да настроите тази верига, вие свързвате резистор за базово отклонение между основата и базовата батерия VBB или друг източник на постоянно напрежение.
Ако имаме =100 транзистор и искаме да получим емитерен ток от 1 mA, можем да използваме закона на Ом и закона на Кирхоф за напрежението, за да разберем колко голям трябва да бъде резисторът за базово отклонение.
Първо, трябва да разберем какво е VBB.
Можем да запишем: VCC = IB * RB + VBE, използвайки закона за напрежението на Кирхоф.
Тъй като IB е приблизително равно на IE/, където IE е емитерният ток, е коефициентът на постоянен ток на транзистора и VBE е около 0,7 V за силициеви транзистори, можем да запишем: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0,7 V)/(IE/) е това, което получавате, когато решите за RB.
Можете също така да използвате онлайн калкулатори, като например Transistor Biasing Calculator от Omni Calculator.
Този калкулатор работи само с биполярни съединителни транзистори (BJT) и предлага различни начини за задаване на отклонението, като отклонение на фиксираната база, отклонение на обратната връзка на колектора, отклонение на обратната връзка на емитера и отклонение на делителя на напрежението.
За да използвате този калкулатор за метода на отклонение с фиксирана база, можете да въведете известни стойности като захранващото напрежение (VCC), желания колекторен ток (IC), коефициента на постоянен ток () и напрежението на насищане (VCEsat).
Калкулаторът ще ви даде резултати като ток на емитер (IE), съпротивление на колектора (RC), съпротивление на емитер (RE) и съпротивление на основата (RB).
Методи за осигуряване на отклонение за транзистор
Има много различни начини да се придаде отклонение на транзистор.
Сред тях са:
- Base Bias или "Fixed Current Bias" не е много добър метод, тъй като напреженията и токовете на отклонение не остават същите, докато транзисторът работи.
- Base Bias with Emitter Feedback: Този метод поддържа постояннотоковата работна точка стабилна, дори ако съпротивлението се променя с промяната на температурата.
- Базово отклонение с обратна връзка на колектора: Името на този метод идва от факта, че тъй като RB е базиран на колектор, има ефект на отрицателна обратна връзка, който го прави по-стабилен от самото базово отклонение.
- Преднапрежение колектор-база: При този метод преднапрежението се поставя между колектора и основата на транзистора.
Този метод дава стабилно преднапрежение и може да се използва във вериги, които се нуждаят от стабилност на температурата.
- Отклонение на делителя на напрежение: При този метод базовото напрежение се задава с мрежа от делител на напрежение, направена от два резистора.
Усъвършенствани техники за базово отклонение
Базовото отклонение е важен начин да накарате биполярните транзистори да работят в тяхната линейна област, която е необходима за усилване.
Но веригите на базовото отклонение са чувствителни към промени в температурата и параметрите на транзистора, което може да причини промени в тока на колектора, които са трудни за прогнозиране.
За да направят базовото отклонение по-добро, хората са измислили други начини да го направят по-стабилно и предвидимо.
В тази статия ще говорим за усъвършенствани техники за базово отклонение, като отклонение на емитер-обратна връзка, отклонение на емитер, отклонение на делител на напрежение и общо базово отклонение за смесване и умножаване на сигнали.
Отклонение на емитер-обратна връзка
Отклонението на емитер-обратна връзка е начин за настройка на транзистор, който използва обратна връзка както на емитер, така и на база-колектор, за да поддържа тока на колектора стабилен.
При този метод емитерният резистор се добавя към веригата на базовото отклонение.
Това прави базовото отклонение по-предвидимо чрез създаване на отрицателна обратна връзка, която отменя всяка промяна в тока на колектора, причинена от промяна в базовото напрежение.
Изместването на обратната връзка на емитер е по-добро от отклонението на основата, защото прави отклонението на основата по-стабилно и по-малко чувствително към промените в температурата и параметрите на транзистора.
Този метод прави това чрез използване на отрицателна обратна връзка от емитерния резистор, което прави тези промени по-малко забележими.
Отклонение на излъчвателя
Преднапрежението на емитера е много стабилно дори при промяна на температурата и използва както положително, така и отрицателно захранващо напрежение.
В BJT транзистор с общ емитер, емитерът е свързан към земята, така че входното напрежение се измерва в основата по отношение на земята (емитера), а изходното напрежение се измерва в колектора по отношение на земята (колектора) ( излъчвател).
Отклоняването на емитер може да направи Q-точката на активната област на усилвателя по-стабилна, като се увери, че основата на транзистора винаги е предубедена правилно.
По-добре е от базовото отклонение, защото поддържа отклонението стабилно.
Отклонение на делителя на напрежението
Веригата на отклонение на основата е по-малко стабилна от веригата на отклонение на делителя на напрежението.
Базовото напрежение, което не е свързано с напрежението на колектора, се задава от мрежа от делител на напрежение в тази верига.
Това го прави така, че промените в напрежението на колектора и параметрите на транзистора имат по-малък ефект върху точката на отклонение.
През повечето време изходният импеданс на делителя на напрежението е много по-висок от този на веригата на базовото отклонение.
Това прави делителя на напрежението по-стабилен.
Базово отклонение
Веригите за отклонение на основата са по-лесни за правене и имат по-малко части от веригите за отклонение на делителя на напрежението, но са по-малко стабилни.
Базовото преднапрежение е директно свързано с напрежението на колектора.
Ако напрежението на колектора или параметрите на транзистора се променят, напрежението на базовото отклонение също ще се промени, правейки веригата нестабилна.
Отклонение на общата база за смесване и умножение на сигнали
За смесване и умножаване на сигнали в обща базова верига, нелинеен елемент като диод или активно устройство като транзистор или FET получава правилното количество отклонение.
Това се случва, когато два сигнала се изпращат през нелинеен елемент.
При сумата и разликата в честотите на оригиналните сигнали се създават два нови сигнала на нови честоти.
Използването на конфигурация на емитер-bias с байпасен кондензатор е един от начините за създаване на обща базова верига за смесване и умножаване.
Конфигурация на отклонение на делител на напрежение с байпасен кондензатор е друг начин да го направите.
Накратко, базовото отклонение стана по-стабилно и предвидимо чрез използването на нови техники.
Дори когато температурата и параметрите на транзистора се променят, отклонението на емитер-обратната връзка и отклонението на емитера поддържат отклонението много стабилно.
Базовото отклонение е по-малко стабилно от отклонението на делителя на напрежението, а основното отклонение се използва за смесване и умножаване на сигнали.
Възел база-колектор и спад на напрежението база-емитер
В транзистор с биполярен преход, преходът между основата и колектора винаги е обратно предубеден.
Това означава, че към кръстовището може да се приложи високо обратно напрежение, преди да се счупи.
Напрежението на обратното отклонение действа като предно отклонение за малцинствени носители в основата, като ги ускорява през кръстовището база-колектор и в областта на колектора.
Когато и преходите емитер-база и колектор-база са предубедени, токът протича от емитера към колектора.
Това позволява на транзистора да си върши работата.
В това състояние, наречено насищане, и двата прехода са предубедени и напрежението между основата и емитера е най-малко 0,7 V за силициеви транзистори или 0,3 V за германиеви транзистори.
Изместване на преход база-емитер
Падането на напрежението на преднапрежение през прехода база-емитер влияе върху работата на транзистора чрез понижаване на бариерата при прехода емитер-база.
Това позволява на повече носители да стигнат до колектора и увеличава потока на ток от емитера към колектора и през външната верига.
За да може транзисторът да работи като усилвател, всяко негово съединение трябва да бъде променено от напрежение, което идва отвън на транзистора.
Първият PN преход, който е между емитера и основата, е предубеден в посока напред.
Вторият PN преход, който е между основата и колектора, е предубеден в обратна посока.
За да включите транзистор, спадът на напрежението в права посока от основата към емитера (VBE) трябва да бъде по-голям от нула, обикновено около 0,6 V.
За да работи транзисторът, базово-емитерният диод трябва да бъде предубеден напред.
Когато VBE е по-високо от 0,6 V, транзисторите работят в активен режим и усилват сигнали.
Когато VBE е по-малко от 0,6 V, от друга страна, транзисторите са в състояние, наречено "режим на прекъсване", в което през тях не протича ток.
За да бъде транзисторът в обратен активен режим, напрежението в емитера трябва да е по-високо от напрежението в основата, което трябва да е по-високо от напрежението в колектора.
Техники за изместване на основата
Различни методи за базово отклонение, като отклонение на емитер-обратна връзка и отклонение на делител на напрежение, могат да се използват за стабилизиране на тока на колектора и за улесняване на прогнозирането.
Токът на колектора се поддържа стабилен с отклонение на обратната връзка емитер, като се използва обратна връзка както на емитер, така и на база-колектор.
Когато емитерният резистор се добави към веригата на базовото отклонение, ефектът от промените в температурата и параметрите на транзистора се намаляват.
Това прави отклонението на емитер-обратната връзка по-стабилно от отклонението само на основата.
Преднапрежението на делителя на напрежението използва мрежа от делител на напрежение, за да настрои базовото напрежение, което е независимо от напрежението на колектора и дава висока стабилност на преднапрежението.
Тази настройка е по-стабилна от базовото отклонение, защото не използва второ захранване, което може да причини проблеми.
Усилването по ток, e, на транзистора е равно на колекторния ток, разделен на базовия ток.
Това означава, че малко количество базов ток може да контролира много по-голям колекторен ток, което е в основата на работата на транзистора.
За да тече колекторен ток, и трите части на транзистора трябва да са предубедени.
Това означава, че ток трябва да бъде задвижван в основата, за да се осъществи проводимост.
Колекторният ток на транзистора нараства, когато напрежението на преднапрежение се покачва.
Ограничения на напрежението база-колектор
Колко високо може да достигне напрежението база-колектор, преди отклонението на емитера да спре да работи, зависи от използвания транзистор и неговите спецификации.
През повечето време производителят ще посочи максималното напрежение база-колектор (Vbc) за транзистор.
Този рейтинг може да бъде от няколко волта до няколкостотин волта.
Когато напрежението между основата и колектора надхвърли максималната стойност, транзисторът може да се повреди и вероятно да се повреди завинаги.
Но отклонението на емитера все още може да работи в рамките на безопасния работен диапазон на транзистора, дори ако напрежението база-колектор е по-високо от максималната оценка.
Изчисления и анализ на базовото отклонение
Изчисляване на съпротивлението на натоварване при изместване на основата
В схема на отклонение на базовия резистор BJT съпротивлението на натоварване може да се изчисли с помощта на формулата RL = (V CC - V BE) / IE, където V CC е напрежението от захранването, V BE е напрежението в база-емитер преход, а IE е емитерният ток.
Тази формула помага да се разбере колко предубедени резистори са необходими за определено количество емитерен ток.
Конфигурация на отклонение на делителя на напрежението
Използвайки теоремата на Thevenin, можете да намерите конфигурацията на отклонение за делител на напрежение.
При този метод два резистора са свързани последователно между източник на захранване и маса, а един резистор е свързан към основата на транзистора.
При тази настройка съпротивлението на натоварване обикновено е следващата част от веригата или източник на ток.
Изместващите резистори могат да се изчислят по формулата R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, където R1 е резисторът между основата и делителя на напрежението, R2 е другият резистор в делителя на напрежението и V BE е напрежението през прехода база-емитер (обикновено около 0,6-0,7 V за силициев транзистор).
Конфигурация на обратната връзка на колектора
В конфигурацията на отклонение на обратната връзка на колектора емитерният ток се задава чрез поставяне на резистор между колектора и основата на транзистора.
Този начин дава обратна връзка и поддържа точката на отклонение стабилна.
Законът на Ом може да се използва за определяне на съпротивлението на натоварване, а спадът на напрежението върху колекторния резистор може да се използва за определяне на напрежението на колектора.
Имайте предвид, че има други начини за пристрастие към BJT верига и методът, който изберете, ще зависи от това от какво се нуждае веригата.
Верига за отклонение на обратната връзка на колектора
Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с говоримия език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.
Случаи на употреба
| Използвано в: | Описание: |
|---|---|
| Усилватели: | В схемите на усилвателя базовото отклонение се използва за задаване на Q-точката, която е нивото, на което работи транзисторът. Чрез промяна на преднапрежението, инженерите могат да контролират коефициента на усилване и да се уверят, че излизащият сигнал остава в диапазона, който искат. |
| Включване и изключване: | В превключващите вериги, където транзисторите се използват за включване и изключване на електрически сигнали, базовото отклонение също е много важно. В този случай преднапрежението контролира праговото напрежение, необходимо за включване на транзистора. Това позволява на веригата да превключва между включено и изключено. |
| Източници на енергия: | В захранващите вериги базовото отклонение се използва, за да се гарантира, че изходното напрежение остава стабилно и в правилния диапазон. Чрез настройване на преднапрежението на определено ниво, инженерите могат да контролират колко ток протича през устройството и да спрат напрежението да се повишава и намалява. |
| Осцилатори: | В осцилаторните вериги базовото отклонение се използва, за да се поддържа честотата на устройството на правилното ниво. Инженерите могат да се уверят, че осцилаторът прави стабилна форма на вълната, като променят преднапрежението. |
| Сензорни вериги: | В сензорни вериги, където транзисторите се използват за откриване на промени в напрежението или тока, може също да се използва базово отклонение. Инженерите могат да контролират колко чувствителен и точен е сензорът, като настроят преднапрежението на определено ниво. Това позволява на сензора да улавя дори малки промени във входния сигнал. |
Заключение
В крайна сметка базовото отклонение е важна част от това как работи транзисторът, която не може да бъде пренебрегната.
Правилното отклоняване на основата е важно за надеждната работа, тъй като контролира потока на тока и поддържа устройството стабилно.
Но също така е важно да помислим какво означава базовото отклонение за електрониката като цяло.
Тъй като нашият свят става все по-зависим от технологиите, ние трябва да обмислим внимателно как проектираме и използваме тези устройства, за да сведем до минимум въздействието им върху околната среда и нашите общности.
Като използваме идеите за базово отклонение в нашите процеси на проектиране и производство, можем да направим електроника, която е не само полезна, но и екологична и полезна за обществото.
Като инженери и технолози, нашата работа е да мислим за това как нашата работа засяга всички, а базовото пристрастие е само една малка част от това.
Така че нека продължим да разширяваме границите на възможното, като същевременно имаме предвид общата картина.
Връзки и препратки
Преднапрежение на транзистора и изходно преднапрежение:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Изместване на биполярен транзистор:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Твърдотелни устройства Лекция 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Сподели на…
