Pokud jste student inženýrství nebo inženýr, pravděpodobně víte o tranzistorech a o tom, jak důležité jsou v moderní elektronice.
Ale přestali jste někdy přemýšlet o tom, jak důležité je základní zkreslení pro to, jak dobře tato zařízení fungují? Předpětí báze je stejnosměrné napětí aplikované na kontakt většinové nosné tranzistoru.
Je nezbytný pro řízení toku proudu zařízením.
Bez správného předpětí báze nemůže tranzistor správně fungovat, což může vést k podivnému chování nebo dokonce selhání.
V tomto příspěvku na blogu budu hovořit o tom, co je základní předpětí a proč je tak důležité pro způsob, jakým tranzistory fungují.
Ať už jste zkušený inženýr nebo teprve začínáte v oblasti elektroniky, musíte pochopit základní zaujatost, abyste to udělali dobře.
Pojďme se tedy ponořit a dozvědět se společně o fascinujícím světě základního zkreslení.
Pochopení předpětí báze a její funkce v tranzistorech
Formální definice:
Stejnosměrné napětí, které je přivedeno na kontakt většinové nosné (bázi) tranzistoru.
Metoda základního zkreslení
Předpětí bipolárního tranzistoru (BJT) v tranzistorovém obvodu je jednoduché a snadno proveditelné s předpětím báze.
Tato metoda zajišťuje, že správné základní napětí, VBB, je odesláno do základny, která pak posílá správný základní proud do BJT, aby se mohl zapnout.
V "obvodu s pevnou základnou předpětí" je základní předpětí RB zapojen mezi základnu a základní baterii VBB.
Tím je zajištěno, že proud báze tranzistoru zůstane stejný pro dané hodnoty VCC.
Metody pro získání základního proudu nulového signálu
Existuje několik způsobů, jak získat potřebný základní proud IB s nulovým signálem, jako je předpětí z kolektoru na základnu, předpětí kolektorovým zpětnovazebním odporem nebo předpětí pomocí děliče napětí.
Když se podíváme na lineární oblast tohoto obvodu, ukazuje se, že DC na ni má přímý vliv.
Aplikací Kirchhoffova napěťového zákona na základní obvod můžeme získat rovnici, která ukazuje vztah mezi IB a VBB.
Pokud znáte VBB a RB, můžete tuto rovnici použít k určení IB.
Účel předpětí Rezistor
Předpětí udržuje dostatečný proud tekoucí do báze, takže tranzistor BJT není přetížený ani vypnutý.
Předpětí udržuje tranzistor na určitém pracovním bodě nebo DC offsetu.
Některé BJT mají vnitřní předpětí, aby se snížil počet součástí v návrhu, ale k zapnutí a vypnutí BJT jsou potřeba externí předpětí.
Vestavěný tranzistor s předpětím (BRT) je bipolární tranzistor, který má vestavěný základní rezistor i rezistor báze-emitor.
S těmito odpory zabudovanými do tranzistoru snižují BRT počet potřebných externích součástí a usnadňují nastavení diskrétních obvodů.
Předpětí tranzistoru
Předpětí tranzistoru je proces, při kterém se tranzistoru přiděluje stejnosměrné napětí, takže přechod emitor-báze je předpjatý dopředu a přechod báze kolektor-báze je zpětný.
To udržuje tranzistor ve své aktivní oblasti, takže může fungovat jako zesilovač.
Použití vazebních a bypassových kondenzátorů správným způsobem pomůže zabránit jakémukoli předpětí proudit do nebo z báze tranzistoru.
Předpětí tranzistoru umožňuje pracovat analogovým i digitálním způsobem.
Bez předpětí nemohou zesilovače BJT poslat správné množství energie do zátěžových terminálů.
Vliv vychýlení na výkon zesilovače
Jak je základna nastavena, ovlivňuje, jak dobře funguje tranzistorový zesilovač.
"Předpětí třídy A" je proces nastavení zesilovače tak, aby pracovní bod byl uprostřed přímé části charakteristické křivky tranzistoru.
Zesilovače třídy A jsou vychýleny tím, že stejnosměrné napětí přechází přes přechod báze-emitor tranzistoru, takže jejich pracovní bod bez signálu (klidový) je na lineární části chování tranzistoru.
Nejlepší hodnota pro předpětí tranzistoru je dvojnásobek špičkového výstupního střídavého napětí.
Pokud změníte předpětí tranzistoru, Q-bod se také posune.
Proveďte revoluci ve své elektronice: Využijte sílu základního zkreslení
Stále těžké pochopit? Dovolím si trochu změnit úhel pohledu:
Už vás nebaví, že se vám tranzistory neustále lámou, protože se chovají divně a nefungují správně? Jen se podívejte, jak úžasná je síla základního zkreslení.
Ano, uvedení stejnosměrného napětí na kontakt většinové nosné vašeho tranzistoru může znamenat rozdíl mezi hladkým a spolehlivým provozem a ohnivým roztavením.
Proč tedy neopustit opatrnost a neskočit do divokého světa základních předsudků?
Dobře, to byl jen vtip, který vypadal jako televizní reklama.
Nyní se vraťme k vysvětlení.
Faktory ovlivňující základní zkreslení
Vliv teploty na základní odchylku
Teplota mění napětí báze-emitor (VBE) a reverzní saturační proud mezi kolektorem a bází.
Tím se změní bod Q obvodu základního předpětí (ICBO).
Jak teplota stoupá, VBE klesá rychlostí 2,5 mV/, zatímco ICBO stoupá.
To způsobí, že základní proud IB vzroste, což přinutí IC ke změně, která posune Q-bod obvodu.
Aby nedocházelo k tepelnému úniku, je třeba podniknout kroky k zajištění toho, aby byla odchylka stabilní vůči šíření hFE.
Předpětí báze a předpětí kolektor-báze jsou méně ovlivněny změnami VBE než předpětí děliče napětí.
Díky tomu jsou základní předpětí a předpětí kolektor-základní lepší volbou pro obvody, které musí být stabilní při různých teplotách.
Když je bod Q bipolárního tranzistoru blízko středu jeho provozního rozsahu, je méně ovlivněn změnami teploty.
Výpočet napětí základního rezistoru
Ohmův zákon a Kirchhoffův napěťový zákon se používají k určení napětí základního rezistoru v obvodu s pevným základním předpětím.
Nejjednodušší způsob předpětí tranzistoru je obvod s předpětím s pevnou bází.
V tomto obvodu zůstává základní předpětí stejné, zatímco tranzistor pracuje.
Chcete-li nastavit tento obvod, připojíte předpětí mezi základnu a základní baterii VBB nebo jiný zdroj konstantního napětí.
Pokud máme tranzistor = 100 a chceme získat emitorový proud 1 mA, můžeme použít Ohmův zákon a Kirchhoffův napěťový zákon, abychom zjistili, jak velký musí být základní předpětí.
Nejprve musíme zjistit, co je VBB.
Můžeme napsat: VCC = IB * RB + VBE pomocí Kirchhoffova napěťového zákona.
Protože IB se zhruba rovná IE/, kde IE je proud emitoru, je stejnosměrné zesílení tranzistoru a VBE je u křemíkových tranzistorů asi 0,7 V, můžeme psát: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 PROTI.
RB = (VCC - VBB - 0,7V)/(IE/) je to, co získáte, když vyřešíte RB.
Můžete také použít online kalkulačky, jako je tranzistorový kalkulátor odklonu od Omni Calculator.
Tato kalkulačka pracuje pouze s bipolárními tranzistory (BJT) a nabízí různé způsoby nastavení předpětí, jako je předpětí s pevnou bází, předpětí kolektorové zpětné vazby, předpětí zpětné vazby emitoru a předpětí děliče napětí.
Chcete-li použít tuto kalkulačku pro metodu předpětí s pevnou základnou, můžete zadat známé hodnoty, jako je napájecí napětí (VCC), požadovaný kolektorový proud (IC), stejnosměrné zesílení () a saturační napětí (VCEsat).
Kalkulačka vám poskytne výsledky jako proud emitoru (IE), odpor kolektoru (RC), odpor emitoru (RE) a základní odpor (RB).
Metody pro zajištění předpětí pro tranzistor
Existuje mnoho různých způsobů, jak dát tranzistoru předpětí.
Mezi ně patří:
- Base Bias nebo "Fixed Current Bias" není příliš dobrá metoda, protože předpětí a proudy nezůstávají stejné, když tranzistor pracuje.
- Base Bias with Emitter Feedback: Tato metoda udržuje stejnosměrný pracovní bod stabilní, i když se odpor mění se změnou teploty.
- Base Bias with Collector Feedback: Název této metody pochází ze skutečnosti, že jelikož je RB založen na kolektoru, existuje negativní zpětný efekt, který ji činí stabilnější než samotná základní odchylka.
- Kolektor-základní předpětí: Při této metodě se mezi kolektor tranzistoru a bázi vloží předpětí.
Tato metoda poskytuje stabilní předpětí a lze ji použít v obvodech, které vyžadují stabilitu teploty.
- Předpětí děliče napětí: V této metodě je základní napětí nastaveno sítí děliče napětí tvořenou dvěma odpory.
Pokročilé techniky pro základní zkreslení
Báze předpětí je důležitý způsob, jak přimět bipolární tranzistory, aby pracovaly v jejich lineární oblasti, což je potřeba pro zesílení.
Obvody základního předpětí jsou však citlivé na změny teplot a parametrů tranzistorů, které mohou způsobit změny kolektorového proudu, které je těžké předvídat.
Aby bylo základní zkreslení lepší, lidé přišli s jinými způsoby, jak jej učinit stabilnějším a předvídatelnějším.
V tomto článku budeme hovořit o pokročilých technikách základního zkreslení, jako je zkreslení zpětné vazby emitoru, zkreslení emitoru, zkreslení děliče napětí a zkreslení společné báze pro směšování a násobení signálů.
Zkreslení zpětné vazby emitoru
Emitor-feedback bias je způsob, jak nastavit tranzistor, který využívá jak zpětnou vazbu emitoru, tak zpětnou vazbu báze-kolektor k udržení stabilního kolektorového proudu.
Při této metodě je k obvodu báze-předpětí přidán emitorový odpor.
Díky tomu je předpětí báze předvídatelnější vytvořením záporné zpětné vazby, která ruší jakoukoli změnu kolektorového proudu způsobenou změnou napětí báze.
Předpětí zpětné vazby emitoru je lepší než předpětí báze, protože činí předpětí báze stabilnější a méně citlivé na změny teploty a parametrů tranzistoru.
Tato metoda to dělá pomocí negativní zpětné vazby z emitorového odporu, díky čemuž jsou tyto změny méně patrné.
Předpojatost emitenta
Předpětí emitoru je velmi stabilní i při změně teploty a využívá kladné i záporné napájecí napětí.
U tranzistoru BJT se společným emitorem je emitor spojen se zemí, takže vstupní napětí je měřeno na bázi vůči zemi (emitor) a výstupní napětí je měřeno na kolektoru vzhledem k zemi (kolektor) ( emitor).
Předpětí emitoru může učinit Q-bod aktivní oblasti zesilovače stabilnější tím, že zajistí, že báze tranzistoru je vždy správně nastavena.
Je to lepší než základní předpětí, protože udržuje předpětí stabilní.
Předpětí děliče napětí
Obvod základního předpětí je méně stabilní než obvod předpětí děliče napětí.
Základní napětí, které nesouvisí s napětím kolektoru, je v tomto obvodu nastaveno sítí děliče napětí.
Díky tomu mají změny kolektorového napětí a parametrů tranzistoru menší vliv na bod předpětí.
Výstupní impedance děliče napětí je většinou mnohem vyšší než u obvodu základního předpětí.
Díky tomu je dělič napětí stabilnější.
Base Bias
Obvody základního předpětí se vyrábějí snadněji a mají méně částí než obvody předpětí s děličem napětí, ale jsou méně stabilní.
Základní předpětí je přímo spojeno s napětím kolektoru.
Pokud se změní kolektorové napětí nebo parametry tranzistoru, změní se i základní předpětí, čímž se obvod stane nestabilním.
Společná základní odchylka pro směšování a násobení signálů
Pro smíchání a násobení signálů ve společném základním obvodu je nelineárnímu prvku, jako je dioda, nebo aktivnímu zařízení, jako je tranzistor nebo FET, dána správná míra předpětí.
K tomu dochází, když jsou dva signály posílány přes nelineární prvek.
Na součtových a rozdílových frekvencích původních signálů se vytvoří dva nové signály na nových frekvencích.
Použití konfigurace emitor-bias s obtokovým kondenzátorem je jedním ze způsobů, jak nastavit společný základní obvod pro směšování a násobení.
Konfigurace předpětí rozdělovače napětí s obtokovým kondenzátorem je další způsob, jak toho dosáhnout.
Stručně řečeno, základní zkreslení bylo díky použití nových technik stabilnější a předvídatelnější.
I když se změní teplota a parametry tranzistoru, předpětí zpětné vazby emitoru a předpětí emitoru udržují předpětí velmi stabilní.
Předpětí základny je méně stabilní než předpětí děliče napětí a předpětí základny se používá ke smíchání a násobení signálů.
Spojení základna-kolektor a pokles napětí mezi základnou a emitorem
V bipolárním tranzistoru je přechod mezi bází a kolektorem vždy obrácený.
To znamená, že na přechod může být aplikováno vysoké zpětné předpětí dříve, než se zlomí.
Zpětné předpětí působí jako dopředné předpětí pro menšinové nosiče v základně a urychluje je přes spojení základna-kolektor do oblasti kolektoru.
Když jsou oba spoje emitor-báze a kolektor-báze předpětí, proud teče z emitoru do kolektoru.
To umožňuje tranzistoru dělat svou práci.
V tomto stavu, který se nazývá saturace, jsou oba přechody posunuty dopředu a napětí mezi bází a emitorem je alespoň 0,7 V pro křemíkové tranzistory nebo 0,3 V pro germaniové tranzistory.
Přizpůsobení spojení základna-emitor
Pokles dopředného předpětí na přechodu báze-emitor ovlivňuje fungování tranzistoru snížením bariéry na přechodu báze-emitor.
To umožňuje, aby se ke kolektoru dostalo více nosičů a zvýšil tok proudu z emitoru do kolektoru a přes vnější obvod.
Aby tranzistor fungoval jako zesilovač, musí být každý jeho přechod změněn napětím, které přichází z vnějšku tranzistoru.
První PN přechod, který je mezi emitorem a bází, je vychýlen v propustném směru.
Druhý PN přechod, který je mezi základnou a kolektorem, je předpjatý v opačném směru.
Pro zapnutí tranzistoru musí být pokles napětí v propustném směru od báze k emitoru (VBE) větší než nula, obvykle kolem 0,6V.
Aby tranzistor fungoval, musí být dioda báze-emitor předpjatá dopředu.
Když je VBE vyšší než 0,6 V, tranzistory pracují v aktivním režimu a zesilují signály.
Když je VBE menší než 0,6 V, na druhé straně jsou tranzistory ve stavu zvaném „cutoff mode“, ve kterém jimi neprotéká žádný proud.
Aby byl tranzistor v reverzním aktivním režimu, musí být napětí na emitoru vyšší než napětí na bázi, které musí být vyšší než napětí na kolektoru.
Základní techniky ovlivnění
Ke stabilizaci kolektorového proudu a usnadnění předpovědi lze použít různé metody základního předpětí, jako je předpětí zpětné vazby emitoru a předpětí děliče napětí.
Kolektorový proud je udržován stabilní s předpětím zpětné vazby emitoru pomocí zpětné vazby emitoru i báze-kolektor.
Když je k obvodu báze-bias přidán emitorový odpor, vliv změn teploty a parametrů tranzistoru se zmenší.
Díky tomu je zkreslení zpětné vazby emitoru stabilnější než samotné zkreslení základny.
Předpětí děliče napětí používá síť děliče napětí k nastavení základního napětí, které je nezávislé na napětí kolektoru a poskytuje vysokou stabilitu předpětí.
Toto nastavení je stabilnější než základní nastavení, protože nepoužívá druhý zdroj napájení, což může způsobit problémy.
Proudové zesílení e tranzistoru se rovná kolektorovému proudu dělenému proudem báze.
To znamená, že malé množství proudu báze může řídit mnohem větší kolektorový proud, což je základ toho, jak tranzistor funguje.
Aby kolektorový proud tekl, musí být všechny tři části tranzistoru předpětí.
To znamená, že pro vedení musí být do základny zaveden proud.
Kolektorový proud tranzistoru se zvýší, když se zvýší předpětí.
Omezení napětí základního kolektoru
Jak vysoké může být napětí báze-kolektor, než přestane fungovat předpětí emitoru, závisí na použitém tranzistoru a jeho specifikacích.
Většinu času výrobce uvádí maximální jmenovité napětí základního kolektoru (Vbc) pro tranzistor.
Toto hodnocení může být kdekoli od několika voltů do několika stovek voltů.
Když napětí mezi bází a kolektorem překročí maximální jmenovitou hodnotu, tranzistor se může porouchat a případně se definitivně poškodit.
Ale předpětí emitoru může stále fungovat v bezpečném provozním rozsahu tranzistoru, i když je napětí báze-kolektor vyšší než maximální jmenovité hodnoty.
Výpočty a analýza základního zkreslení
Výpočet zátěžového odporu v Base Bising
V obvodu předpětí základního rezistoru BJT lze odpor zátěže vypočítat pomocí vzorce RL = (V CC - V BE) / IE, kde V CC je napětí z napájecího zdroje, V BE je napětí na základně-emitoru a IE je emitorový proud.
Tento vzorec pomáhá zjistit, kolik předpětí je potřeba pro určité množství emitorového proudu.
Konfigurace předpětí děliče napětí
Pomocí Theveninova teorému můžete najít konfiguraci zkreslení pro dělič napětí.
Při této metodě jsou dva odpory zapojeny do série mezi zdrojem energie a zemí a jeden odpor je připojen k bázi tranzistoru.
V tomto uspořádání je zatěžovací odpor obvykle další částí obvodu nebo zdrojem proudu.
Odpory předpětí lze vypočítat pomocí vzorce R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, kde R1 je odpor mezi základnou a děličem napětí, R2 je druhý odpor v děliči napětí a V BE je napětí na přechodu báze-emitor (obvykle kolem 0,6-0,7V pro křemíkový tranzistor).
Konfigurace zkreslení zpětné vazby kolektoru
V konfiguraci předpětí kolektorové zpětné vazby je emitorový proud nastaven vložením odporu mezi kolektor a bázi tranzistoru.
Tímto způsobem poskytuje zpětnou vazbu a udržuje bod zkreslení stabilní.
Ohmův zákon lze použít k určení odporu zátěže a úbytek napětí na kolektorovém rezistoru lze použít k určení napětí kolektoru.
Mějte na paměti, že existují i jiné způsoby zkreslení obvodu BJT a metoda, kterou zvolíte, bude záviset na tom, co obvod potřebuje.
Kolektor Feedback Bias Circuit
Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud nejste obeznámeni s mluveným jazykem, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.
Případy užití
| Použito v: | Popis: |
|---|---|
| Zesilovače: | V obvodech zesilovače se předpětí báze používá k nastavení bodu Q, což je úroveň, na které tranzistor pracuje. Změnou předpětí mohou inženýři ovládat zesilovací faktor a zajistit, aby vycházející signál zůstal v požadovaném rozsahu. |
| Zapínání a vypínání: | Ve spínacích obvodech, kde se tranzistory používají k zapínání a vypínání elektrických signálů, je také velmi důležité předpětí báze. V tomto případě předpětí řídí prahové napětí potřebné k sepnutí tranzistoru. To umožňuje obvodu přepínat mezi zapnutím a vypnutím. |
| Zdroje energie: | V napájecích obvodech se předpětí báze používá, aby se zajistilo, že výstupní napětí zůstane stabilní a ve správném rozsahu. Nastavením předpětí na určitou úroveň mohou inženýři řídit, kolik proudu protéká zařízením, a zabránit tomu, aby se napětí zvyšovalo a snižovalo. |
| Oscilátory: | V oscilátorových obvodech se základní předpětí používá k udržení frekvence zařízení na správné úrovni. Inženýři se mohou ujistit, že oscilátor vytváří stálý tvar vlny změnou předpětí. |
| Senzorové obvody: | V obvodech senzorů, kde se tranzistory používají k detekci změn napětí nebo proudu, lze také použít předpětí báze. Inženýři mohou řídit, jak citlivý a přesný je snímač nastavením předpětí na určitou úroveň. To umožňuje senzoru zachytit i malé změny ve vstupním signálu. |
Závěr
Nakonec je předpětí báze důležitou součástí fungování tranzistoru, kterou nelze ignorovat.
Správné předpětí základny je důležité pro spolehlivý výkon, protože řídí tok proudu a udržuje zařízení stabilní.
Je ale také důležité přemýšlet o tom, co pro elektroniku obecně znamená základní předpětí.
Jak se náš svět stává stále více závislým na technologiích, musíme pečlivě přemýšlet o tom, jak tato zařízení navrhujeme a používáme, abychom jejich dopady na životní prostředí a naše komunity omezili na minimum.
Využitím myšlenek základního zkreslení v našich konstrukčních a výrobních procesech můžeme vyrábět elektroniku, která je nejen užitečná, ale také šetrná k životnímu prostředí a dobrá pro společnost.
Jako inženýři a technologové je naším úkolem přemýšlet o tom, jak naše práce ovlivňuje každého, a základní zaujatost je jen jedna malá část toho.
Pojďme tedy dál posouvat hranice toho, co je možné, a přitom mít na paměti celkový obraz.
Odkazy a odkazy
Předpětí tranzistoru a výstupní předpětí:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Předpětí bipolárního tranzistoru:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Solid State Devices Přednáška 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Sdílet na…
