Ako ste student strojarstva ili inženjer, vjerojatno znate o tranzistorima i koliko su oni važni u modernoj elektronici.
Ali da li ste ikada zastali da razmislite o tome koliko je važna osnovna predrasuda za to koliko dobro ovi uređaji rade? Osnovni napon je direktni napon primijenjen na kontakt većinskog nosioca tranzistora.
Neophodan je za kontrolu protoka struje kroz uređaj.
Bez pravog podešavanja baze, tranzistor ne može ispravno raditi, što može dovesti do čudnog ponašanja ili čak kvara.
U ovom postu na blogu govorit ću o tome šta je bazna predrasuda i zašto je to toliko važno za način rada tranzistori.
Bilo da ste iskusan inženjer ili tek počinjete u polju elektronike, morate razumjeti osnovnu pristrasnost da biste uspjeli.
Zato hajde da zaronimo i naučimo zajedno o fascinantnom svetu bazne pristranosti.
Razumijevanje pristranosti baze i njene funkcije u tranzistorima
Formalna definicija:
Direktni napon koji se primjenjuje na kontakt većinskog nosioca (bazu) tranzistora.
Base Bias Method
Podešavanje tranzistora bipolarnog spoja (BJT) u tranzistorskom kolu je jednostavno i lako za napraviti s baznom pristranošću.
Ova metoda osigurava da se ispravan bazni napon, VBB, šalje bazi, koja zatim šalje ispravnu baznu struju BJT-u kako bi se mogao uključiti.
U "kolu sa fiksnom baznom prednaponom", otpornik za pristrasnost baze RB je povezan između baze i bazne baterije VBB.
Ovo osigurava da bazna struja tranzistora ostane ista za date vrijednosti VCC.
Metode za dobivanje struje nulte signalne baze
Postoji nekoliko načina da se dobije bazna struja nultog signala koja je potrebna, kao što je prednapon od kolektora do baze, prednapon sa kolektorskim povratnim otpornikom ili prednapon sa djeliteljem napona.
Kada se pogleda linearna regija ovog kola, to pokazuje da DC ima direktan uticaj na njega.
Primjenom Kirchhoffovog zakona napona na osnovno kolo, možemo dobiti jednačinu koja pokazuje odnos između IB i VBB.
Ako znate VBB i RB, možete koristiti ovu jednačinu da odgonetnete IB.
Svrha bias otpornika
Bias otpornik održava dovoljno struje koja teče u bazu tako da BJT tranzistor nije ni preopterećen niti isključen.
Bias otpornik drži tranzistor na određenoj radnoj tački ili DC offsetu.
Neki BJT-ovi imaju interni otpornik za prednapon za smanjenje broja dijelova u dizajnu, ali su vanjski otpornici za pristrasnost potrebni za uključivanje i isključivanje BJT-a.
Ugrađeni tranzistor prednapona (BRT) je bipolarni tranzistor koji ima ugrađen i bazni otpornik i otpornik bazni emiter.
Sa ovim otpornicima ugrađenim u tranzistor, BRT smanjuju broj potrebnih vanjskih dijelova i olakšavaju postavljanje diskretnih kola.
Transistor Biasing
Pristrasnost tranzistora je proces davanja tranzistoru jednosmjernog napona tako da je spoj emiter-baza prednapredan, a spoj kolektor-baza unazad.
Ovo zadržava tranzistor u svom aktivnom području tako da može raditi kao pojačalo.
Korištenje kondenzatora za spajanje i premošćivanje na pravi način pomoći će spriječiti bilo kakve struje prednapona da ulaze ili izlaze iz baze tranzistora.
Pristrasnost tranzistora omogućava mu da radi na analogni i digitalni način.
Bez pristrasnosti, BJT pojačala ne mogu poslati pravu količinu energije na terminale opterećenja.
Utjecaj biasinga na performanse pojačala
Način na koji je baza postavljena utiče na to koliko dobro radi tranzistorsko pojačalo.
"Klasa A bias" je proces postavljanja pojačala tako da se radna tačka nalazi u sredini pravog dijela karakteristične krive tranzistora.
Pojačala klase A su pristrasna postavljanjem jednosmernog napona na spoj baza-emiter tranzistora tako da je njihova radna tačka bez signala (u mirovanju) na linearnom dijelu ponašanja tranzistora.
Najbolja vrijednost za bias napon tranzistora je dva puta veći od vršnog izlaznog napona naizmjenične struje.
Ako promijenite bias napon tranzistora, Q-tačka će se također pomjeriti.
Revolucionirajte svoju elektroniku: Iskoristite snagu osnovne pristranosti
Još uvijek je teško razumjeti? Dozvolite mi da malo promijenim tačku gledišta:
Da li vam je muka od vaših tranzistori koji se stalno lome jer se ponašaju čudno i ne rade kako treba? Pogledajte samo koliko je neverovatna moć bazne pristranosti.
Da, stavljanje direktnog napona na kontakt većine nosioca vašeg tranzistora može napraviti razliku između glatkog, pouzdanog rada i vatrenog raspada.
Pa zašto se ne biste oslobodili opreza i skočili u divlji svijet baznih pristrasnosti?
U redu, to je bila samo šala napravljena da izgleda kao TV reklama.
Vratimo se sada na objašnjenje.
Faktori koji utiču na osnovnu pristrasnost
Temperaturni efekti na pristrasnost baze
Temperatura mijenja napon baza-emiter (VBE) i reverznu struju kolektor-baza, struju zasićenja.
Ovo mijenja Q-tačku osnovnog prednaponskog kola (ICBO).
Kako temperatura raste, VBE opada brzinom od 2,5 mV/, dok ICBO raste.
To čini da struja baze IB raste, što prisiljava IC da se promijeni, što pomiče Q-tačku kola.
Da ne bi došlo do termalnog bijega, moraju se poduzeti koraci kako bi se osiguralo da je predrasuda stabilna u odnosu na širenje hFE.
Pristrasnost baze i pristrasnost kolektor-baza manje su pod utjecajem promjena u VBE nego pristrasnosti djelitelja napona.
Ovo čini pristrasnost baze i prednapon od kolektora do baze boljim izborom za kola koja moraju biti stabilna na različitim temperaturama.
Kada je Q-tačka bipolarnog tranzistora blizu sredine njegovog radnog raspona, na njega manje utiču promjene temperature.
Izračunavanje napona osnovnog otpornika
Ohmov zakon i Kirchhoffov zakon napona se koriste da bi se utvrdilo koliki je napon baznog otpornika u kolu sa fiksnom baznom pristranošću.
Najlakši način za pristrasnost tranzistora je s fiksnim baznim krugom prednapona.
U ovom krugu, osnovna predrasuda ostaje ista dok tranzistor radi.
Da biste postavili ovaj krug, spojite otpornik za prednapon baze između baze i bazne baterije VBB ili drugog izvora konstantnog napona.
Ako imamo tranzistor =100 i želimo da dobijemo struju emitera od 1 mA, možemo koristiti Ohmov zakon i Kirchhoffov zakon napona da shvatimo koliko veliki otpornik na bazi prednapona treba da bude.
Prvo, moramo saznati šta je VBB.
Možemo napisati: VCC = IB * RB + VBE koristeći Kirchhoffov zakon napona.
Budući da je IB otprilike jednak IE/, gdje je IE struja emitera, DC dobit tranzistora, a VBE je oko 0,7V za silikonske tranzistore, možemo napisati: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) je ono što dobijete kada riješite za RB.
Možete koristiti i online kalkulatore, kao što je Tranzistor Biasing Calculator od Omni Calculator.
Ovaj kalkulator radi samo sa bipolarnim spojnim tranzistorima (BJT) i nudi različite načine za postavljanje prednapona, kao što je pristrasnost fiksne baze, pristrasnost povratne sprege kolektora, pristrasnost povratne sprege emitera i napon djelitelja.
Da biste koristili ovaj kalkulator za metodu fiksne baze, možete unijeti poznate vrijednosti kao što su napon napajanja (VCC), željena struja kolektora (IC), DC pojačanje () i napon zasićenja (VCEsat).
Kalkulator će vam dati rezultate kao što su struja emitera (IE), otpor kolektora (RC), otpor emitera (RE) i otpor baze (RB).
Metode za obezbjeđivanje pristranosti za tranzistor
Postoji mnogo različitih načina da tranzistoru date pristrasnost.
Među njima su:
- Base Bias ili "Fixed Current Bias" nije baš dobra metoda jer naponi i struje ne ostaju isti dok tranzistor radi.
- Base Bias sa povratnom spregom emitera: Ova metoda održava radnu tačku istosmjerne struje stabilnom čak i ako se otpor mijenja kako se temperatura mijenja.
- Base Bias with Collector Feedback: Naziv ove metode potiče od činjenice da, budući da je RB zasnovan na kolektoru, postoji negativan efekat povratne sprege koji ga čini stabilnijim od samog baznog pristrasnosti.
- Bias kolektor-baza: U ovoj metodi, prednapon se postavlja između kolektora tranzistora i baze.
Ova metoda daje stabilan prednapon i može se koristiti u krugovima kojima je potrebna stabilnost temperature.
- Bias djelitelja napona: U ovoj metodi, osnovni napon se postavlja mrežom djelitelja napona napravljenom od dva otpornika.
Napredne tehnike za osnovnu pristranost
Pristrasnost baze je važan način da se bipolarni tranzistori natjeraju da rade u svom linearnom području, što je potrebno za pojačanje.
No, bazna kola su osjetljiva na promjene temperature i parametara tranzistora, što može uzrokovati promjene u struji kolektora koje je teško predvidjeti.
Da bi osnovna pristrasnost bila bolja, ljudi su smislili druge načine da je učine stabilnijom i predvidljivijom.
U ovom članku ćemo govoriti o naprednim tehnikama za pristrasnost baze, kao što su emiter-feedback bias, emiter bias, pristrasnost djelitelja napona i uobičajena bias baze za miješanje i množenje signala.
Emitter-Feedback Bias
Bias emiter-feedback je način postavljanja tranzistora koji koristi povratnu spregu emitera i povratnu vezu baze-kolektora kako bi struja kolektora bila stabilna.
U ovoj metodi, emiterski otpornik se dodaje u krug baze.
Ovo čini pristrasnost baze predvidivijom stvaranjem negativne povratne sprege, koja poništava svaku promjenu struje kolektora uzrokovanu promjenom napona baze.
Bias emiter-feedback je bolji od pristranosti baze jer čini baznu pristrasnost stabilnijom i manje osjetljivom na promjene temperature i parametara tranzistora.
Ova metoda to čini korištenjem negativne povratne sprege sa otpornika emitera, što ove promjene čini manje uočljivim.
Emitter Bias
Bias emitera je vrlo stabilan čak i kada se temperatura promijeni, a koristi i pozitivan i negativan napon napajanja.
U BJT tranzistoru sa zajedničkim emiterom, emiter je spojen na masu, tako da se ulazni napon mjeri na bazi u odnosu na masu (emiter), a izlazni napon se mjeri na kolektoru u odnosu na masu (kolektor) ( emiter).
Biasing emitera može učiniti Q-tačku aktivnog područja pojačala stabilnijom tako što će se pobrinuti da baza tranzistora uvijek bude ispravno pristrasna.
To je bolje od baznog pristrasnosti jer održava pristrasnost stabilnom.
Prednapon razdjelnika
Osnovni krug prednapona je manje stabilan od kruga prednapona djelitelja napona.
Osnovni napon, koji nije povezan sa naponom kolektora, postavljen je mrežom razdjelnika napona u ovom kolu.
To čini tako da promjene napona kolektora i parametara tranzistora imaju manji utjecaj na tačku pristranosti.
Većinu vremena, izlazna impedansa djelitelja napona je mnogo veća od one kod baznog prednapona.
Ovo čini djelitelj napona stabilnijim.
Base Bias
Osnovni krugovi prednapona su lakši za izradu i imaju manje dijelova od krugova prednapona s razdjelnikom napona, ali su manje stabilni.
Osnovni napon prednapona je direktno povezan sa naponom kolektora.
Ako se napon kolektora ili parametri tranzistora promijene, osnovni napon prednapona će se također promijeniti, čineći krug nestabilnim.
Zajednička osnovna predrasuda za miješanje i množenje signala
Za miješanje i umnožavanje signala u zajedničkom baznom kolu, nelinearnom elementu poput diode ili aktivnom uređaju poput tranzistora ili FET-a daje se odgovarajuća količina pristranosti.
Ovo se dešava kada se dva signala šalju kroz nelinearni element.
Na zbroju i frekvenciji razlike originalnih signala, dva nova signala se prave na novim frekvencijama.
Korištenje emiter-bias konfiguracije sa bypass kondenzatorom je jedan od načina da se postavi zajednički osnovni krug za miješanje i množenje.
Konfiguracija prednapona djelitelja napona sa premosnim kondenzatorom je još jedan način za to.
Ukratko, osnovna pristrasnost je učinjena stabilnijom i predvidivijom upotrebom novih tehnika.
Čak i kada se temperatura i parametri tranzistora promijene, bias emiter-feedback i bias emitera održavaju prednapon vrlo stabilnim.
Osnovna pristranost je manje stabilna od pristranosti djelitelja napona, a osnovna bias se koristi za miješanje i umnožavanje signala.
Spoj baza-kolektor i pad napona baza-emiter
U bipolarnom spojnom tranzistoru, spoj između baze i kolektora je uvijek obrnuto prednasan.
To znači da se na spoj može primijeniti visoki reverzni napon prije nego što pukne.
Napon obrnutog prednapona djeluje kao prednapon za manjinske nosioce u bazi, ubrzavajući ih kroz spoj baza-kolektor i u područje kolektora.
Kada su spojevi emiter-baza i kolektor-baza usmjereni naprijed, struja teče od emitera do kolektora.
Ovo omogućava tranzistoru da radi svoj posao.
U ovom stanju, zvanom zasićenje, oba spoja su pristrasna, a napon između baze i emitera je najmanje 0,7 V za silicijumske tranzistore ili 0,3 V za germanijumske tranzistore.
Pristrasnost spoja baza-emiter
Pad napona prednapona na spoju baza-emiter utječe na način rada tranzistora spuštanjem barijere na spoju emiter-baza.
Ovo omogućava da više nosilaca dođe do kolektora i povećava protok struje od emitera do kolektora i kroz eksterno kolo.
Da bi tranzistor radio kao pojačalo, svaki njegov spoj mora biti promijenjen naponom koji dolazi izvan tranzistora.
Prvi PN spoj, koji se nalazi između emitera i baze, je nagnut u smjeru naprijed.
Drugi PN spoj, koji se nalazi između baze i kolektora, je nagnut u suprotnom smjeru.
Da biste uključili tranzistor, pad napona naprijed od baze do emitera (VBE) mora biti veći od nule, obično oko 0,6V.
Da bi tranzistor radio, dioda baza-emiter mora biti nagnuta naprijed.
Kada je VBE veći od 0,6V, tranzistori rade u aktivnom režimu i pojačavaju signale.
Kada je VBE manji od 0,6V, s druge strane, tranzistori su u stanju koje se naziva "režim isključenja", u kojem struja ne teče kroz njih.
Da bi tranzistor bio u obrnutom aktivnom modu, napon na emiteru mora biti veći od napona na bazi, koji mora biti veći od napona na kolektoru.
Base Biasing Techniques
Za stabilizaciju struje kolektora i olakšavanje predviđanja mogu se koristiti različite metode baznog prednapona, kao što su emiter-feedback bias i naponski razdjelnik.
Struja kolektora se održava stabilnom uz pristrasnost emiter-feedback korištenjem povratne sprege emitera i baze-kolektora.
Kada se emiterski otpornik doda u krug baze, efekat promjena temperature i parametara tranzistora se smanjuje.
Ovo čini pristrasnost povratne sprege emitera stabilnijom od same pristranosti baze.
Bias djelitelja napona koristi mrežu djelitelja napona za postavljanje osnovnog napona, koji je nezavisan od napona kolektora i daje visoku stabilnost prednapona.
Ova postavka je stabilnija od baznog biasinga jer ne koristi drugo napajanje, što može uzrokovati probleme.
Strujni dobitak, e, tranzistora je jednak struji kolektora podijeljenoj sa baznom strujom.
To znači da mala količina bazne struje može kontrolirati mnogo veću struju kolektora, što je osnova kako tranzistor radi.
Da bi struja kolektora tekla, sva tri dijela tranzistora moraju biti prednagnuta.
To znači da struja mora biti uvučena u bazu da bi se odvijala provodljivost.
Struja kolektora tranzistora raste kada napon prednapona raste.
Ograničenja napona baznog kolektora
Koliko visok napon baza-kolektor može ići prije nego što bias emitera prestane raditi ovisi o tranzistoru koji se koristi i njegovim specifikacijama.
Većinu vremena proizvođač će navesti maksimalni napon baznog kolektora (Vbc) za tranzistor.
Ova vrijednost može biti od nekoliko volti do nekoliko stotina volti.
Kada napon između baze i kolektora pređe maksimalnu vrijednost, tranzistor se može pokvariti i možda zauvijek oštetiti.
Ali prednapon emitera i dalje može raditi unutar sigurnog radnog raspona tranzistora čak i ako je napon baznog kolektora veći od maksimalne ocjene.
Proračuni i analiza pristranosti baze
Izračunavanje otpora opterećenja u baznom skretanju
U BJT krugu za pristrasnost baznog otpornika, otpor opterećenja se može izračunati pomoću formule RL = (V CC - V BE) / IE, gdje je V CC napon iz izvora napajanja, V BE napon na baznom emiteru spoj, a IE je struja emitera.
Ova formula pomaže da se utvrdi koliko je otpornika za pristrasnost potrebno za određenu količinu struje emitera.
Konfiguracija prednapona djelitelja napona
Koristeći Theveninovu teoremu, možete pronaći konfiguraciju prednapona za djelitelj napona.
U ovoj metodi, dva otpornika su povezana u seriju između izvora napajanja i mase, a jedan otpornik je spojen na bazu tranzistora.
U ovoj postavci, otpor opterećenja je obično sljedeći dio kola ili izvor struje.
Otpornici prednapona se mogu izračunati pomoću formule R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, gdje je R1 otpornik između baze i djelitelja napona, R2 je drugi otpornik u djelitelju napona, a V BE je napon na spoju baza-emiter (obično oko 0,6-0,7V za silicijumski tranzistor).
Konfiguracija pristranosti povratne sprege kolekcionara
U konfiguraciji pristranosti povratne sprege kolektora, struja emitera se postavlja stavljanjem otpornika između kolektora i baze tranzistora.
Ovaj način daje povratnu informaciju i održava tačku pristranosti stabilnom.
Ohmov zakon se može koristiti za određivanje otpora opterećenja, a pad napona na kolektorskom otporniku može se koristiti za određivanje napona kolektora.
Imajte na umu da postoje i drugi načini za pristrasnost BJT kola, a metoda koju odaberete ovisit će o tome što je krugu potrebno.
Kolektorski krug pristranosti povratne sprege
Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podešavanja, ako niste upoznati sa govornim jezikom. Možda ćete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Slučajevi upotrebe
| Koristi se u: | Opis: |
|---|---|
| Pojačala: | U krugovima pojačala, bazna bias se koristi za postavljanje Q-tačke, što je nivo na kojem tranzistor radi. Promjenom prednapona, inženjeri mogu kontrolirati faktor pojačanja i osigurati da signal koji izlazi ostaje u opsegu koji žele. |
| Uključivanje i isključivanje: | U sklopnim krugovima, gdje se tranzistori koriste za uključivanje i isključivanje električnih signala, pristranost baze je također vrlo važna. U ovom slučaju, napon prednapona kontrolira granični napon potreban za uključivanje tranzistora. Ovo omogućava krugu da se prebaci između uključivanja i isključivanja. |
| Izvori energije: | U strujnim krugovima, osnovna pristranost se koristi kako bi se osiguralo da izlazni napon ostane stabilan iu pravom rasponu. Postavljanjem prednapona na određeni nivo, inženjeri mogu kontrolisati koliko struje teče kroz uređaj i zaustaviti napon da raste i pada. |
| Oscilatori: | U oscilatorskim krugovima, osnovna pristranost se koristi za održavanje frekvencije uređaja na pravom nivou. Inženjeri mogu osigurati da oscilator pravi stabilan talasni oblik promjenom prednapona. |
| Senzorski krugovi: | U senzorskim krugovima, gdje se tranzistori koriste za otkrivanje promjena napona ili struje, može se koristiti i osnovna pristranost. Inženjeri mogu kontrolisati koliko je senzor osjetljiv i precizan postavljanjem prednapona na određeni nivo. Ovo omogućava senzoru da uhvati čak i male promjene u ulaznom signalu. |
Zaključak
Na kraju, osnovna pristrasnost je važan dio rada tranzistora koji se ne može zanemariti.
Pravilno podešavanje baze je važno za pouzdane performanse jer kontrolira protok struje i održava uređaj stabilnim.
Ali takođe je važno razmisliti o tome šta pristranost baze znači za elektroniku uopšte.
Kako naš svijet postaje sve više ovisan o tehnologiji, moramo pažljivo razmisliti o tome kako dizajniramo i koristimo ove uređaje kako bismo sveli njihov utjecaj na okoliš i naše zajednice na minimum.
Koristeći ideje osnovne pristranosti u našim procesima dizajna i proizvodnje, možemo napraviti elektroniku koja nije samo korisna već i ekološki prihvatljiva i dobra za društvo.
Kao inženjeri i tehnolozi, naš je posao da razmišljamo o tome kako naš rad utiče na sve, a osnovna pristrasnost je samo jedan mali dio toga.
Dakle, hajde da nastavimo da pomeramo granice mogućeg, imajući na umu veliku sliku.
Linkovi i reference
Prednapon tranzistora i izlazni naponi:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Bipolarni tranzistor biasing:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Uređaji u čvrstom stanju Predavanje 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Podijelite na…
