Forståelse Af Base Bias I Transistorer

Hvis du er ingeniørstuderende eller ingeniør, kender du sikkert til transistorer, og hvor vigtige de er i moderne elektronik.

Men har du nogensinde stoppet op for at tænke over, hvor vigtig base bias er for, hvor godt disse enheder fungerer? Basisforspænding er den jævnspænding, der påføres hovedbærebølgekontakten på en transistor.

Det er vigtigt for at kontrollere strømmen af ​​strøm gennem enheden.

Uden den rigtige baseforspænding kan en transistor ikke fungere rigtigt, hvilket kan føre til mærkelig adfærd eller endda fejl.

I dette blogindlæg vil jeg tale om, hvad base bias er, og hvorfor det er så vigtigt for den måde, transistorer fungerer på.

Uanset om du er en erfaren ingeniør eller lige er begyndt inden for elektronik, skal du forstå base bias for at klare dig godt.

Så lad os dykke ned og lære sammen om den fascinerende verden af ​​base bias.

Forståelse af basebias og dens funktion i transistorer

Formel definition:

Den jævnspænding, der påføres hovedbærebølgekontakten (basen) af en transistor.

Base Bias Metode

Forspænding af en bipolær forbindelsestransistor (BJT) i et transistorkredsløb er simpelt og nemt at gøre med basisforspænding.

Denne metode sørger for, at den korrekte basisspænding, VBB, sendes til basen, som så sender den korrekte basisstrøm til BJT'en, så den kan tænde.

I et "fast base forspændingskredsløb" er en basis forspændingsmodstand RB forbundet mellem basen og et basisbatteri VBB.

Dette sikrer, at transistorens basisstrøm forbliver den samme for givne værdier af VCC.

Metoder til at opnå nulsignalbasisstrøm

Der er flere måder at få den nul-signal basestrøm IB, som er nødvendig, såsom forspænding fra kollektor til base, forspænding med en kollektorfeedback-modstand eller forspænding med en spændingsdeler.

Når man ser på dette kredsløbs lineære område, viser det, at DC har en direkte effekt på det.

Ved at anvende Kirchhoffs spændingslov på basiskredsløbet kan vi få en ligning, der viser sammenhængen mellem IB og VBB.

Hvis du kender VBB og RB, kan du bruge denne ligning til at finde ud af IB.

Formål med Bias Resistor

En forspændingsmodstand holder nok strøm ind i basen, så BJT-transistoren hverken er overbelastet eller slukket.

Forspændingsmodstanden holder transistoren på et bestemt driftspunkt eller DC offset.

Nogle BJT'er har en intern forspændingsmodstand for at skære ned på antallet af dele i et design, men eksterne forspændingsmodstande er nødvendige for at tænde og slukke for BJT'er.

En bias resistor indbygget transistor (BRT) er en bipolær transistor, der har både en basismodstand og en base-emittermodstand indbygget.

Med disse modstande indbygget i transistoren reducerer BRT'er antallet af nødvendige eksterne dele og gør det lettere at opsætte diskrete kredsløb.

Transistor forspænding

Transistorforspænding er processen med at give transistoren en jævnspænding, således at emitter-base-forbindelsen er fremadrettet, og kollektor-base-forbindelsen er bagudrettet.

Dette holder transistoren i sit aktive område, så den kan fungere som en forstærker.

Brug af koblings- og bypass-kondensatorer på den rigtige måde vil hjælpe med at forhindre forspændingsstrømme i at gå ind eller ud af transistorens base.

Forspændingen af ​​en transistor lader den arbejde på både analog og digital måde.

Uden biasing kan BJT-forstærkere ikke sende den rigtige mængde strøm til belastningsterminalerne.

Indvirkning af biasing på forstærkerens ydeevne

Hvordan basen er sat op, påvirker hvor godt en transistorforstærker fungerer.

"Klasse A bias" er processen med at opsætte en forstærker, så driftspunktet er i midten af ​​den lige del af transistorens karakteristiske kurve.

Klasse A-forstærkere er forspændt ved at sætte en jævnspænding over transistorens base-emitter-forbindelse, således at deres ikke-signal (hvilende) driftspunkt er på en lineær del af transistorens opførsel.

Den bedste værdi for forspændingen af ​​en transistor er to gange den maksimale AC-udgangsspænding.

Hvis du ændrer forspændingen på en transistor, vil Q-punktet også bevæge sig.

Revolutionér din elektronik: Udnyt kraften i basebias

Stadig svært at forstå? Lad mig ændre synspunktet lidt:

Er du træt af, at dine transistorer går i stykker hele tiden, fordi de opfører sig mærkeligt og ikke fungerer rigtigt? Bare se på, hvor fantastisk kraften ved base bias er.

Ja, at sætte en jævnspænding på hovedbærerkontakten på din transistor kan gøre forskellen mellem jævn, pålidelig drift og en brændende nedsmeltning.

Så hvorfor ikke give slip på forsigtigheden og hoppe ind i den vilde verden af ​​base bias?

Okay, det var bare en joke lavet til at ligne en tv-reklame.

Lad os nu gå tilbage til forklaringen.

Faktorer, der påvirker basebias

Temperatureffekter på basebias

Temperaturen ændrer base-emitter-spændingen (VBE) og kollektor-basen omvendt, mætningsstrøm.

Dette ændrer Q-punktet for et base bias circuit (ICBO).

Når temperaturen stiger, falder VBE med en hastighed på 2,5 mV/, mens ICBO stiger.

Dette får basisstrømmen IB til at gå op, hvilket tvinger IC til at ændre sig, hvilket flytter kredsløbets Q-punkt.

For at forhindre termisk løbe fra at ske, skal der tages skridt til at sikre, at skævheden er stabil mod hFE-spredning.

Base bias og kollektor-til-base bias er mindre påvirket af ændringer i VBE end spændingsdeler bias.

Dette gør base bias og kollektor-til-base bias bedre valg for kredsløb, der skal være stabile ved forskellige temperaturer.

Når Q-punktet for en bipolær transistor er tæt på midten af ​​dens driftsområde, påvirkes den mindre af ændringer i temperaturen.

Beregning af basismodstandsspænding

Ohms lov og Kirchhoffs spændingslov bruges til at finde ud af, hvad spændingen af ​​basismodstanden er i et kredsløb med en fast base forspænding.

Den nemmeste måde at forspænde en transistor på er med et fast forspændingskredsløb.

I dette kredsløb forbliver basisforspændingen den samme, mens transistoren arbejder.

For at opsætte dette kredsløb forbinder du en base-bias modstand mellem basen og et basisbatteri VBB eller en anden kilde til konstant spænding.

Hvis vi har en =100 transistor og ønsker at få en emitterstrøm på 1mA, kan vi bruge Ohms lov og Kirchhoffs spændingslov til at finde ud af hvor stor base-bias modstanden skal være.

Først skal vi finde ud af, hvad VBB er.

Vi kan skrive: VCC = IB * RB + VBE vha. Kirchhoffs spændingslov.

Da IB er nogenlunde lig med IE/, hvor IE er emitterstrømmen, er DC-forstærkningen af ​​transistoren, og VBE er omkring 0,7V for siliciumtransistorer, kan vi skrive: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.

RB = (VCC - VBB - 0,7V)/(IE/) er, hvad du får, når du løser for RB.

Du kan også bruge online-beregnere, såsom Transistor Biasing Calculator fra Omni Calculator.

Denne lommeregner fungerer kun med bipolære junction transistorer (BJT), og den tilbyder forskellige måder at indstille bias på, såsom fast base bias forspænding, kollektor feedback forspænding, emitter feedback forspænding og spændingsdeler forspænding.

For at bruge denne lommeregner til den faste basisforspændingsmetode kan du indsætte kendte værdier som forsyningsspændingen (VCC), den ønskede kollektorstrøm (IC), DC-forstærkningen () og mætningsspændingen (VCEsat).

Lommeregneren giver dig resultater som emitterstrøm (IE), kollektormodstand (RC), emittermodstand (RE) og basismodstand (RB).

Metoder til at tilvejebringe bias for en transistor

Der er mange forskellige måder at give en transistor en bias.

Blandt dem er:

• Base Bias eller "Fixed Current Bias" er ikke en særlig god metode, fordi bias spændinger og strømme ikke forbliver de samme, mens transistoren arbejder.
• Base Bias med Emitter Feedback: Denne metode holder DC-driftspunktet stabilt, selvom modstanden ændrer sig, når temperaturen ændres.
• Base Bias med Collector Feedback: Denne metodes navn kommer fra det faktum, at da RB er baseret på collector, er der en negativ feedback effekt, der gør den mere stabil end base bias alene.
• Collector-to-Base Bias: I denne metode sættes en biasspænding mellem transistorens kollektor og base.

Denne metode giver en stabil forspænding og kan bruges i kredsløb, der har behov for stabilitet i temperatur.

• Spændingsdeler Bias: I denne metode indstilles basisspændingen med et spændingsdelernetværk lavet af to modstande.

Avancerede teknikker til basebias

Base bias er en vigtig måde at få bipolære transistorer til at arbejde i deres lineære område, hvilket er nødvendigt for forstærkning.

Men basisforspændingskredsløb er følsomme over for ændringer i temperatur og transistorparametre, hvilket kan forårsage ændringer i kollektorstrømmen, som er svære at forudsige.

For at gøre base bias bedre, har folk fundet på andre måder at gøre det mere stabilt og forudsigeligt.

I denne artikel vil vi tale om avancerede teknikker til base-bias, såsom emitter-feedback-bias, emitter-bias, spændingsdeler-bias og common base bias til blanding og multiplikation af signaler.

Emitter-feedback bias

Emitter-feedback bias er en måde at opsætte en transistor på, der bruger både emitterfeedback og base-collector-feedback for at holde kollektorstrømmen stabil.

I denne metode tilføjes en emittermodstand til base-bias-kredsløbet.

Dette gør base-bias mere forudsigelig ved at skabe negativ feedback, som udelukker enhver ændring i kollektorstrøm forårsaget af en ændring i basisspænding.

Emitter-feedback bias er bedre end base bias, fordi det gør base bias mere stabil og mindre følsom over for ændringer i temperatur og transistorens parametre.

Denne metode gør dette ved at bruge negativ feedback fra emittermodstanden, hvilket gør disse ændringer mindre mærkbare.

Emitter Bias

Emitter bias er meget stabil, selv når temperaturen ændrer sig, og den bruger både en positiv og en negativ forsyningsspænding.

I en fælles emitter BJT transistor er emitteren forbundet til jord, så indgangsspændingen måles ved basen i forhold til jord (emitteren), og udgangsspændingen måles ved kollektoren i forhold til jord (kollektoren) ( emitter).

Emitter-forspænding kan gøre Q-punktet for en forstærkers aktive område mere stabilt ved at sikre, at basen af ​​transistoren altid er forspændt korrekt.

Det er bedre end base biasing, fordi det holder bias stabil.

Spændingsdeler Bias

Basisforspændingskredsløbet er mindre stabilt end spændingsdelerens forspændingskredsløb.

Basisspændingen, som ikke er relateret til kollektorspændingen, indstilles af et spændingsdelernetværk i dette kredsløb.

Dette gør det således, at ændringer i kollektorspændingen og transistorens parametre har mindre indflydelse på forspændingspunktet.

Det meste af tiden er udgangsimpedansen for en spændingsdeler meget højere end for et basisforspændingskredsløb.

Dette gør spændingsdeleren mere stabil.

Base Bias

Base bias kredsløb er lettere at lave og har færre dele end spændingsdeler bias kredsløb, men de er mindre stabile.

Basisforspændingen er direkte forbundet med kollektorspændingen.

Hvis kollektorspændingen eller transistorens parametre ændres, vil basisforspændingen også ændre sig, hvilket gør kredsløbet ustabilt.

Common Base Bias for signalblanding og multiplikation

For at blande og multiplicere signaler i et fælles basiskredsløb får et ikke-lineært element som en diode eller en aktiv enhed som en transistor eller FET den rigtige mængde bias.

Dette sker, når to signaler sendes gennem et ikke-lineært element.

Ved sum- og differensfrekvenserne af de originale signaler laves to nye signaler på nye frekvenser.

Brug af en emitter-bias-konfiguration med en bypass-kondensator er en måde at opsætte et fælles basiskredsløb til blanding og multiplikation.

En spændingsdeler bias-konfiguration med en bypass-kondensator er en anden måde at gøre det på.

Kort sagt, base bias er blevet gjort mere stabil og forudsigelig gennem brug af nye teknikker.

Selv når temperatur- og transistorparametre ændres, holder emitter-feedback-bias og emitter-bias bias meget stabil.

Base bias er mindre stabil end spændingsdeler bias, og base bias bruges til at blande og multiplicere signaler.

Base-Collector Junction og Base-Emitter Spændingsfald

I en bipolær overgangstransistor er krydset mellem basen og kollektoren altid omvendt forspændt.

Det betyder, at en høj omvendt forspænding kan påføres krydset, før det bryder.

Den omvendte forspænding fungerer som en fremadgående forspænding for minoritetsbærere i basen, og fremskynder dem gennem base-kollektorforbindelsen og ind i kollektorområdet.

Når både emitter-base- og kollektor-base-forbindelserne er fremadrettede, løber der strøm fra emitteren til kollektoren.

Dette lader transistoren gøre sit arbejde.

I denne tilstand, kaldet mætning, er begge junctions forspændt fremad, og spændingen mellem basen og emitteren er mindst 0,7V for siliciumtransistorer eller 0,3V for germaniumtransistorer.

Base-Emitter Junction Biasing

Forlæns bias spændingsfaldet over base-emitter-forbindelsen påvirker, hvordan en transistor fungerer ved at sænke barrieren ved emitter-base-forbindelsen.

Dette lader flere bærere komme til solfangeren og øger strømmen af ​​strøm fra emitteren til solfangeren og gennem det eksterne kredsløb.

For at en transistor skal fungere som en forstærker, skal hver af dens junctions ændres af en spænding, der kommer udefra transistoren.

Det første PN-kryds, som er mellem emitteren og basen, er forspændt i fremadgående retning.

Den anden PN-forbindelse, som er mellem basen og kollektoren, er forspændt i den modsatte retning.

For at tænde en transistor skal fremadspændingsfaldet fra base til emitter (VBE) være større end nul, normalt omkring 0,6V.

For at en transistor skal fungere, skal base-emitterdioden være forspændt fremad.

Når VBE er højere end 0,6V, arbejder transistorer i aktiv tilstand og forstærker signaler.

Når VBE er mindre end 0,6V, på den anden side, er transistorer i en tilstand kaldet "cutoff mode", hvor der ikke løber nogen strøm gennem dem.

For at en transistor skal være i omvendt aktiv tilstand, skal spændingen ved emitteren være højere end spændingen ved basen, som skal være højere end spændingen ved kollektoren.

Base biasing-teknikker

Forskellige basisforspændingsmetoder, såsom emitter-feedback-bias og spændingsdeler-bias, kan bruges til at stabilisere kollektorstrømmen og gøre det lettere at forudsige.

Kollektorstrømmen holdes konstant med emitter-feedback-bias ved at bruge både emitter- og base-kollektorfeedback.

Når en emittermodstand tilføjes til basisforspændingskredsløbet, mindskes effekten af ​​ændringer i temperatur og transistorens parametre.

Dette gør emitter-feedback bias mere stabil end base bias alene.

Voltage-divider bias bruger et spændingsdeler-netværk til at indstille basisspændingen, som er uafhængig af kollektorspændingen og giver høj bias-stabilitet.

Denne opsætning er mere stabil end baseforspænding, fordi den ikke bruger en anden strømforsyning, hvilket kan forårsage problemer.

Strømforstærkningen, e, af en transistor er lig med kollektorstrømmen divideret med basisstrømmen.

Det betyder, at en lille mængde basisstrøm kan styre en meget større kollektorstrøm, hvilket er grundlaget for, hvordan en transistor fungerer.

For at en kollektorstrøm kan flyde, skal alle tre dele af transistoren være fremadrettet.

Det betyder, at der skal drives en strøm ind i basen for at ledning kan finde sted.

Kollektorstrømmen af ​​en transistor stiger, når fremad-forspændingen stiger.

Base-Collector Spændingsbegrænsninger

Hvor høj basis-kollektorspændingen kan gå, før emitterforspændingen holder op med at virke, afhænger af den anvendte transistor og dens specifikationer.

Det meste af tiden vil producenten angive den maksimale base-collector spænding (Vbc) rating for en transistor.

Denne vurdering kan være alt fra et par volt til flere hundrede volt.

Når spændingen mellem basen og kollektoren går over den maksimale værdi, kan transistoren bryde sammen og muligvis blive beskadiget for altid.

Men emitterforspændingen kan stadig fungere inden for transistorens sikre driftsområde, selvom base-kollektorspændingen er højere end den maksimale nominelle.

Beregninger og analyse af basebias

Beregning af belastningsmodstand i baseforspænding

I et BJT-basemodstandsforspændingskredsløb kan belastningsmodstanden beregnes ved hjælp af formlen RL = (V CC - V BE) / IE, hvor V CC er spændingen fra strømforsyningen, VBE er spændingen over base-emitteren junction, og IE er emitterstrømmen.

Denne formel hjælper med at finde ud af, hvor mange forspændingsmodstande der er nødvendige for en vis mængde emitterstrøm.

Konfiguration af spændingsdeler Bias

Ved hjælp af Thevenins sætning kan du finde bias-konfigurationen for en spændingsdeler.

I denne metode er to modstande forbundet i serie mellem en strømkilde og jord, og en modstand er forbundet til bunden af ​​transistoren.

I denne opsætning er belastningsmodstanden normalt den næste del af kredsløbet eller en strømkilde.

Forspændingsmodstandene kan beregnes ved hjælp af formlen R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, hvor R1 er modstanden mellem basen og spændingsdeleren, R2 er den anden modstand i spændingsdeleren, og V BE er spændingen over base-emitter-forbindelsen (normalt omkring 0,6-0,7V for en siliciumtransistor).

Samlerfeedback Bias-konfiguration

I kollektorfeedback-forspændingskonfigurationen indstilles en emitterstrøm ved at sætte en modstand mellem kollektoren og bunden af ​​en transistor.

Denne måde giver feedback og holder bias-punktet stabilt.

Ohms lov kan bruges til at finde ud af belastningsmodstanden, og spændingsfaldet over kollektormodstanden kan bruges til at finde ud af kollektorspændingen.

Husk på, at der er andre måder at forspænde et BJT-kredsløb på, og den metode, du vælger, afhænger af, hvad kredsløbet har brug for.

Collector Feedback Bias Circuit

Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det talte sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget i videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.

Brug cases

Brugt i:	Beskrivelse:
Forstærkere:	I forstærkerkredsløb bruges base bias til at indstille Q-punktet, som er det niveau, som transistoren arbejder på. Ved at ændre bias-spændingen kan ingeniører kontrollere forstærkningsfaktoren og sikre, at signalet, der kommer ud, forbliver i det område, de ønsker.
Tænd og sluk:	I koblingskredsløb, hvor transistorer bruges til at tænde og slukke for elektriske signaler, er base bias også meget vigtig. I dette tilfælde styrer forspændingen den tærskelspænding, der er nødvendig for at tænde transistoren. Dette lader kredsløbet skifte mellem at være tændt og slukket.
Kilder til magt:	I strømforsyningskredsløb bruges base bias til at sikre, at udgangsspændingen forbliver stabil og i det rigtige område. Ved at indstille forspændingen til et bestemt niveau kan ingeniører kontrollere, hvor meget strøm der løber gennem enheden og stoppe spændingen i at gå op og ned.
Oscillatorer:	I oscillatorkredsløb bruges base bias til at holde enhedens frekvens på det rigtige niveau. Ingeniører kan sikre sig, at oscillatoren laver en stabil bølgeform ved at ændre forspændingen.
Sensorkredsløb:	I sensorkredsløb, hvor transistorer bruges til at detektere ændringer i spænding eller strøm, kan basisforspænding også bruges. Ingeniører kan kontrollere, hvor følsom og nøjagtig sensoren er ved at indstille forspændingen til et bestemt niveau. Dette lader sensoren opfange selv små ændringer i indgangssignalet.

Konklusion

I sidste ende er base bias en vigtig del af, hvordan en transistor fungerer, som ikke kan ignoreres.

Korrekt baseforspænding er vigtig for pålidelig ydeevne, fordi den styrer strømstrømmen og holder enheden stabil.

Men det er også vigtigt at tænke over, hvad base biasing betyder for elektronik generelt.

Efterhånden som vores verden bliver mere og mere afhængig af teknologi, er vi nødt til at tænke grundigt over, hvordan vi designer og bruger disse enheder for at holde deres indvirkning på miljøet og vores samfund på et minimum.

Ved at bruge ideerne om base bias i vores design- og produktionsprocesser kan vi lave elektronik, der ikke kun er nyttigt, men også miljøvenligt og godt for samfundet.

Som ingeniører og teknologer er det vores opgave at tænke over, hvordan vores arbejde påvirker alle, og base bias er kun en lille del af det.

Så lad os blive ved med at skubbe grænserne for, hvad der er muligt, mens vi holder det store billede i tankerne.

Links og referencer

Transistorforspænding og udgangsforspænding:

https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages

Bipolær transistor forspænding:

https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing

Solid State Devices Forelæsning 18:

https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf