Transistoride Baasnihke Mõistmine

Kui olete inseneritudeng või insener, teate tõenäoliselt transistoridest ja nende tähtsusest tänapäevases elektroonikas.

Kuid kas olete kunagi mõelnud selle üle, kui oluline on nende seadmete toimimise seisukohalt põhiline eelarvamus? Baasnihe on transistori enamuskandja kontaktile rakendatav alalispinge.

See on hädavajalik seadme kaudu voolava voolu juhtimiseks.

Ilma õige baasi kallutatuseta ei saa transistor korralikult töötada, mis võib põhjustada kummalist käitumist või isegi rikke.

Selles ajaveebi postituses räägin sellest, mis on baasi bias ja miks see on transistoride tööviisi jaoks nii oluline.

Olenemata sellest, kas olete kogenud insener või alles alustate elektroonikavaldkonnas, peate mõistma põhilist eelarvamust, et hästi hakkama saada.

Nii et sukeldugem ja õppigem koos põhjaliku eelarvamuse põneva maailma kohta.

Transistoride baasnihke ja selle funktsiooni mõistmine

Ametlik määratlus:

Transistori enamuskandja kontaktile (alusele) rakendatav alalispinge.

Baaskallutamise meetod

Bipolaarse ristmikutransistori (BJT) eelpingestamine transistori ahelas on lihtne ja seda on lihtne teha baaspingega.

See meetod tagab, et baasi saadetakse õige baaspinge VBB, mis saadab seejärel õige baasvoolu BJT-le, et see saaks sisse lülituda.

"Fikseeritud baaspingeskeemis" on baasi eelpingestustakisti RB ühendatud aluse ja baasaku VBB vahele.

See tagab, et transistori baasvool jääb VCC antud väärtuste korral samaks.

Nullsignaali baasvoolu saamise meetodid

Vajaliku nullsignaali baasvoolu IB saamiseks on mitu võimalust, näiteks eelpingestamine kollektorilt baasile, eelpingestamine kollektori tagasisidetakistiga või eelpingestamine pingejaguriga.

Kui vaadata selle vooluahela lineaarset piirkonda, näitab see, et alalisvoolul on sellele otsene mõju.

Rakendades baasahelale Kirchhoffi pingeseadust, saame võrrandi, mis näitab seost IB ja VBB vahel.

Kui teate VBB ja RB, saate seda võrrandit kasutada IB välja selgitamiseks.

Nihketakisti eesmärk

Nihketakisti hoiab baasi piisavalt voolu, et BJT transistor ei oleks ülekoormatud ega välja lülitatud.

Nihketakisti hoiab transistori teatud tööpunktis või alalisvoolu nihkes.

Mõnel BJT-l on sisemine eelpingetakisti, et vähendada konstruktsiooni osade arvu, kuid BJT-de sisse- ja väljalülitamiseks on vaja väliseid eeltakistiid.

Bias-takisti sisseehitatud transistor (BRT) on bipolaarne transistor, millel on nii baastakisti kui ka baas-emitteri takisti.

Nende transistori sisseehitatud takistitega vähendavad BRT-d vajalike väliste osade arvu ja hõlbustavad diskreetsete ahelate seadistamist.

Transistori kallutamine

Transistori eelpinge on protsess, mille käigus antakse transistorile alalispinge nii, et emitteri-baasi ristmik on ettepoole ja kollektor-baasi ristmik on tagasi nihutatud.

See hoiab transistori aktiivses piirkonnas, et see saaks töötada võimendina.

Ühendus- ja möödaviigukondensaatorite õige kasutamine aitab peatada mis tahes eelpingestusvoolu sisenemist transistori baasi või sealt välja.

Transistori kallutatus võimaldab sellel töötada nii analoog- kui ka digitaalsel viisil.

Ilma kallutatuseta ei saa BJT-võimendid koormusklemmidele õiget võimsust saata.

Kallutatuse mõju võimendi jõudlusele

Aluse seadistamine mõjutab transistorvõimendi toimimist.

"Class A bias" on võimendi seadistamise protsess nii, et tööpunkt on transistori tunnuskõvera sirge osa keskel.

A-klassi võimendid on kallutatud, asetades transistori baas-emitteri ristmikule alalispinge, nii et nende signaalita (rahu) tööpunkt on transistori käitumise lineaarses osas.

Transistori eelpinge parim väärtus on kahekordne vahelduvvoolu väljundpinge tipp.

Kui muuta transistori eelpinget, liigub ka Q-punkt.

Muutke oma elektroonikas revolutsiooni: kasutage baasi kallutatuse jõudu

Ikka raske mõista? Lubage mul veidi vaatenurka muuta:

Kas olete tüdinenud sellest, et teie transistorid purunevad kogu aeg, kuna need käituvad imelikult ja ei tööta õigesti? Vaadake lihtsalt, kui hämmastav on baaskallutatuse jõud.

Jah, otsepinge panemine transistori enamuskandja kontaktile võib muuta sujuva, usaldusväärse töö ja tulise sulamise vahel.

Miks siis mitte loobuda ettevaatlikkusest ja hüpata metsikusse alusetute maailma?

Olgu, see oli lihtsalt telereklaami moodi nali.

Nüüd pöördume tagasi selgituse juurde.

Baasi kallutatust mõjutavad tegurid

Temperatuuri mõju baasnihkele

Temperatuur muudab baas-emitteri pinget (VBE) ja kollektori baasi vastupidist küllastusvoolu.

See muudab baaspingeskeemi (ICBO) Q-punkti.

Temperatuuri tõustes langeb VBE kiirusega 2,5 mV/, samas kui ICBO tõuseb.

See paneb baasvoolu IB tõusma, mis sunnib IC muutuma, mis nihutab ahela Q-punkti.

Termilise põgenemise vältimiseks tuleb võtta meetmeid tagamaks, et kallutatus on hFE leviku suhtes stabiilne.

Aluse nihe ja kollektori vaheline nihe on VBE muutustest vähem mõjutatud kui pingejaguri nihe.

See muudab aluse eelpinge ja kollektori-aluse eelpinge paremateks valikuteks ahelate jaoks, mis peavad olema erinevatel temperatuuridel stabiilsed.

Kui bipolaarse transistori Q-punkt on selle töövahemiku keskpaiga lähedal, mõjutavad temperatuuri muutused seda vähem.

Baastakisti pinge arvutamine

Ohmi seadust ja Kirchhoffi pingeseadust kasutatakse selleks, et välja selgitada, milline on baastakisti pinge ahelas, millel on fikseeritud baaspinge.

Lihtsaim viis transistori eelpingestamiseks on fikseeritud aluse eelpingeskeemi abil.

Selles vooluringis jääb baasi bias transistori töötamise ajal samaks.

Selle vooluahela seadistamiseks ühendate baasi eelpingestusega takisti aluse ja baasaku VBB või muu konstantse pinge allika vahele.

Kui meil on =100 transistor ja tahame saada emitteri vooluks 1mA, saame kasutada Ohmi seadust ja Kirchhoffi pingeseadust, et välja selgitada, kui suur peab olema baasnihke takisti.

Esiteks peame välja selgitama, mis on VBB.

Võime kirjutada: VCC = IB * RB + VBE, kasutades Kirchhoffi pingeseadust.

Kuna IB on ligikaudu võrdne IE/-ga, kus IE on emitteri vool, on transistori alalisvoolu võimendus ja VBE on ränitransistoride puhul umbes 0,7 V, võime kirjutada: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.

RB = (VCC - VBB - 0,7 V)/(IE/) on see, mida saate, kui lahendate RB jaoks.

Võite kasutada ka veebikalkulaatoreid, näiteks Omni kalkulaatori transistori kallutamise kalkulaatorit.

See kalkulaator töötab ainult bipolaarsete ristmiktransistoridega (BJT) ja pakub erinevaid viise nihke määramiseks, nagu fikseeritud baasi eelpingestus, kollektori tagasiside eelpinge, emitteri tagasiside eelpinge ja pingejaguri eelpinge.

Selle kalkulaatori kasutamiseks fikseeritud aluse eelpinge meetodi jaoks saate sisestada teadaolevad väärtused, nagu toitepinge (VCC), soovitud kollektori vool (IC), alalisvoolu võimendus () ja küllastuspinge (VCEsat).

Kalkulaator annab teile selliseid tulemusi nagu emitteri vool (IE), kollektori takistus (RC), emitteri takistus (RE) ja baastakistus (RB).

Transistori eelpinge tagamise meetodid

Transistori eelpinge andmiseks on palju erinevaid viise.

Nende hulgas on:

• Base Bias või "Fixed Current Bias" ei ole väga hea meetod, kuna eelpinged ja voolud ei jää transistori töötamise ajal samaks.
• Base Bias koos emitteri tagasisidega: see meetod hoiab alalisvoolu tööpunkti stabiilsena isegi siis, kui takistus muutub temperatuuri muutudes.
• Baasi kallutatus koos kollektori tagasisidega: selle meetodi nimi tuleneb asjaolust, et kuna RB põhineb kollektoril, on sellel negatiivne tagasisideefekt, mis muudab selle stabiilsemaks kui ainult baasnihke.
• Kollektor-alus eelpinge: selle meetodi puhul asetatakse transistori kollektori ja aluse vahele eelpinge.

See meetod annab stabiilse eelpinge ja seda saab kasutada ahelates, mis vajavad temperatuuri stabiilsust.

• Pingejaguri eelpinge: selle meetodi puhul seatakse baaspinge kahest takistist koosneva pingejaguri võrguga.

Täiustatud tehnikad baaskallutamiseks

Baasi eelpinge on oluline viis saada bipolaarsed transistorid tööle oma lineaarses piirkonnas, mida on vaja võimendamiseks.

Kuid baaspingestused on tundlikud temperatuuri ja transistori parameetrite muutuste suhtes, mis võivad põhjustada kollektorivoolu muutusi, mida on raske ennustada.

Aluse kallutatuse paremaks muutmiseks on inimesed välja pakkunud muid viise, kuidas muuta see stabiilsemaks ja prognoositavamaks.

Selles artiklis räägime põhitehnikatest, nagu emitter-tagasiside kallutatus, emitteri kallutatus, pingejaguri kallutatus ja signaalide segamise ja korrutamise tavapärane baasnihe.

Emitter-Feedback Bias

Emitter-tagasiside bias on viis transistori seadistamiseks, mis kasutab nii emitteri tagasisidet kui ka baaskollektori tagasisidet, et hoida kollektori voolu stabiilsena.

Selle meetodi puhul lisatakse aluse eelpingeskeemile emitteri takisti.

See muudab baaspinge prognoositavamaks, luues negatiivse tagasiside, mis tühistab kõik baaspinge muutusest põhjustatud muutused kollektori voolus.

Emitter-tagasiside bias on parem kui baaspinge, kuna muudab baasi bias stabiilsemaks ja vähem tundlikuks temperatuuri ja transistori parameetrite muutuste suhtes.

See meetod teeb seda, kasutades emitteri takisti negatiivset tagasisidet, mis muudab need muutused vähem märgatavaks.

Emitter Bias

Emitter bias on väga stabiilne isegi siis, kui temperatuur muutub ja see kasutab nii positiivset kui ka negatiivset toitepinget.

Tavalises emitteris BJT transistoris on emitter ühendatud maandusega, nii et sisendpinget mõõdetakse aluses maanduse (emitteri) suhtes ja väljundpinget mõõdetakse kollektoris maapinna (kollektori) suhtes ( emitter).

Emitter eelpingestus võib muuta võimendi aktiivse piirkonna Q-punkti stabiilsemaks, tagades, et transistori alus on alati õigesti eelpingestatud.

See on parem kui baaskallutamine, kuna see hoiab kallutatuse stabiilsena.

Pingejaguri eelpinge

Aluspingeahel on vähem stabiilne kui pingejaguri eelpingesitusahel.

Baaspinge, mis ei ole seotud kollektori pingega, seatakse selles vooluringis pingejagamisvõrguga.

See muudab selle nii, et muutused kollektori pinges ja transistori parameetrites mõjutavad eelpingepunkti vähem.

Enamasti on pingejaguri väljundtakistus palju suurem kui baaspingeskeemil.

See muudab pingejaoturi stabiilsemaks.

Base Bias

Põhipingeskeemi on lihtsam valmistada ja neil on vähem osi kui pingejaguri eelpingeskeemidel, kuid need on vähem stabiilsed.

Baasi eelpinge on otseselt seotud kollektori pingega.

Kui kollektori pinge või transistori parameetrid muutuvad, muutub ka baaspinge, muutes vooluringi ebastabiilseks.

Signaalide segamise ja korrutamise ühine baaskallutatus

Signaalide segamiseks ja korrutamiseks ühises baasahelas antakse mittelineaarsele elemendile, nagu diood, või aktiivsele seadmele, nagu transistor või FET, õige nihe.

See juhtub siis, kui mittelineaarse elemendi kaudu saadetakse kaks signaali.

Algsete signaalide summa- ja vahesagedustel tehakse kaks uut signaali uutel sagedustel.

Emitteri eelpinge konfiguratsiooni kasutamine möödaviigukondensaatoriga on üks viis segamise ja korrutamise ühise baasahela seadistamiseks.

Pingejaguri eelpingekonfiguratsioon möödaviigukondensaatoriga on veel üks viis seda teha.

Lühidalt öeldes on uute tehnikate kasutamisega muudetud baaskallutatust stabiilsemaks ja prognoositavamaks.

Isegi siis, kui temperatuur ja transistori parameetrid muutuvad, hoiavad emitteri-tagasiside nihked ja emitteri nihked nihke väga stabiilsena.

Baasnihe on vähem stabiilne kui pingejaguri eelpinge ning signaalide segamiseks ja korrutamiseks kasutatakse baasnihket.

Põhi-kollektori ühendus ja baas-emitteri pingelangus

Bipolaarses transistoris on aluse ja kollektori vaheline ristmik alati vastupidine.

See tähendab, et ristmikule saab enne selle purunemist rakendada kõrge vastupidise eelpinge.

Vastupidine eelpinge toimib baasi vähemuskandjate jaoks ettepoole nihkena, kiirendades neid läbi baaskollektori ristmiku ja kollektori piirkonda.

Kui nii emitter-baas kui ka kollektor-baas ristmikud on ettepoole kallutatud, voolab vool emitterist kollektorisse.

See võimaldab transistoril oma tööd teha.

Selles olekus, mida nimetatakse küllastuseks, on mõlemad ristmikud kallutatud ettepoole ning aluse ja emitteri vaheline pinge on ränitransistoride puhul vähemalt 0,7 V või germaaniumtransistoride puhul 0,3 V.

Baas-emitter ristmiku kallutamine

Eelpinge langus baas-emitteri ristmikul mõjutab transistori tööd, alandades emitteri-baasi ristmiku barjääri.

See võimaldab rohkematel kandjatel jõuda kollektorisse ja suurendab voolu voolu emitterist kollektorisse ja läbi välise vooluahela.

Et transistor töötaks võimendina, peab iga selle ristmikku muutma pingega, mis tuleb väljastpoolt transistori.

Esimene PN-ristmik, mis asub emitteri ja aluse vahel, on kallutatud edasisuunas.

Teine PN-ristmik, mis asub aluse ja kollektori vahel, on kallutatud vastupidises suunas.

Transistori sisselülitamiseks peab päripinge langus baasilt emitterile (VBE) olema suurem kui null, tavaliselt umbes 0,6 V.

Et transistor töötaks, peab baas-emitteri diood olema kallutatud ettepoole.

Kui VBE on suurem kui 0,6 V, töötavad transistorid aktiivses režiimis ja võimendavad signaale.

Teisest küljest, kui VBE on alla 0,6 V, on transistorid olekus, mida nimetatakse "katkestusrežiimiks", kus neid ei läbi vool.

Et transistor oleks vastupidises aktiivrežiimis, peab pinge emitteris olema kõrgem kui aluse pinge, mis peab olema kõrgem kui kollektori pinge.

Baaskallutamise tehnikad

Kollektori voolu stabiliseerimiseks ja prognoosimise hõlbustamiseks saab kasutada erinevaid baaspingestamise meetodeid, nagu emitter-tagasiside bias ja pingejaguri eelpinge.

Kollektori voolu hoitakse stabiilsena emitteri-tagasiside nihkega, kasutades nii emitteri kui ka baaskollektori tagasisidet.

Emitteri takisti lisamisel baasipingeahelasse väheneb temperatuurimuutuste mõju ja transistori parameetrid.

See muudab emitteri-tagasiside nihke stabiilsemaks kui ainult baasnihe.

Pingejaguri eelpinge kasutab baaspinge seadistamiseks pingejaguri võrku, mis ei sõltu kollektori pingest ja annab kõrge nihke stabiilsuse.

See seadistus on stabiilsem kui baaskallutamine, kuna see ei kasuta teist toiteallikat, mis võib probleeme põhjustada.

Transistori vooluvõimendus e võrdub kollektori vooluga, mis on jagatud baasvooluga.

See tähendab, et väikese baasvooluga saab juhtida palju suuremat kollektorivoolu, mis on transistori toimimise aluseks.

Kollektorivoolu voolamiseks peavad kõik kolm transistori osa olema eelpingestatud.

See tähendab, et juhtivuse toimumiseks tuleb alusesse juhtida vool.

Transistori kollektori vool tõuseb, kui päripinge tõuseb.

Baaskollektori pinge piirangud

Kui kõrgeks võib baaskollektori pinge tõusta enne, kui emitteri eelpinge enam ei tööta, sõltub kasutatavast transistorist ja selle spetsifikatsioonidest.

Enamasti loetleb tootja transistori maksimaalse baaskollektori pinge (Vbc).

See reiting võib olla mõnest voltist mitmesaja voltini.

Kui aluse ja kollektori vaheline pinge ületab maksimaalse nimiväärtuse, võib transistor laguneda ja lõplikult kahjustada saada.

Kuid emitteri eelpinge võib siiski töötada transistori ohutus tööpiirkonnas, isegi kui baaskollektori pinge on kõrgem kui maksimaalne nimi.

Aluse kallutamise arvutused ja analüüs

Koormustakistuse arvutamine baasi nihkes

BJT baastakisti eelpingeskeemis saab koormustakistuse arvutada valemiga RL = (V CC - V BE) / IE, kus V CC on toiteallika pinge, V BE on baasemitteri pinge. Ristmik ja IE on emitteri vool.

See valem aitab välja selgitada, kui palju eeltakistiid on vaja teatud koguse emitteri voolu jaoks.

Pingejaguri kallutatuse konfiguratsioon

Thevenini teoreemi abil saate leida pingejaguri eelarvamuse konfiguratsiooni.

Selle meetodi puhul ühendatakse kaks takistit järjestikku toiteallika ja maanduse vahel ning üks takisti on ühendatud transistori alusega.

Selles seadistuses on koormustakistus tavaliselt vooluahela järgmine osa või vooluallikas.

Nihketakistid saab arvutada valemiga R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, kus R1 on aluse ja pingejaguri vaheline takisti, R2 on pingejaguri teine ​​takisti ja V BE on baas-emitteri ristmiku pinge (tavaliselt umbes 0,6-0,7 V ränitransistori puhul).

Koguja tagasiside kallutatuse konfiguratsioon

Kollektori tagasiside eelpingestuse konfiguratsioonis seatakse emitteri vool, asetades takisti kollektori ja transistori aluse vahele.

See annab tagasisidet ja hoiab nihkepunkti stabiilsena.

Ohmi seadust saab kasutada koormustakistuse väljaselgitamiseks ja kollektori takisti pingelangust saab kasutada kollektori pinge väljaselgitamiseks.

Pidage meeles, et BJT-ahela eelpingestamiseks on ka teisi viise ja teie valitud meetod sõltub sellest, mida vooluring vajab.

Koguja tagasiside kallutatuse skeem

Nõuanne. Lülitage subtiitrite nupp sisse, kui seda vajate. Valige seadete nupust "automaattõlge", kui te ei ole kõnekeelega tuttav. Võimalik, et peate esmalt klõpsama video keelel, enne kui teie lemmikkeel muutub tõlkimiseks kättesaadavaks.

Kasutusjuhtumid

Kasutatakse:	Kirjeldus:
Võimendid:	Võimendi ahelates kasutatakse baasi biast, et määrata Q-punkt, mis on transistor töötamise tase. Eelpinge muutmisega saavad insenerid juhtida võimendustegurit ja veenduda, et väljuv signaal jääb soovitud vahemikku.
Sisse- ja väljalülitamine:	Lülitusahelates, kus transistoreid kasutatakse elektriliste signaalide sisse- ja väljalülitamiseks, on ka baasi bias väga oluline. Sel juhul juhib eelpinge transistori sisselülitamiseks vajalikku lävipinget. See võimaldab vooluringil lülituda sisse- ja väljalülitamise vahel.
Jõuallikad:	Toiteahelates kasutatakse baaspinget tagamaks, et väljundpinge püsib stabiilsena ja õiges vahemikus. Seades eelpinge teatud tasemele, saavad insenerid kontrollida, kui palju voolu läbi seadme liigub, ja peatada pinge tõusmise ja languse.
Ostsillaatorid:	Ostsillaatori ahelates kasutatakse seadme sageduse õigel tasemel hoidmiseks baaspinget. Insenerid saavad eelpinge muutmisega tagada, et ostsillaator loob püsiva lainekuju.
Andurite ahelad:	Anduriahelates, kus pinge või voolu muutuste tuvastamiseks kasutatakse transistore, saab kasutada ka baasi biast. Insenerid saavad kontrollida, kui tundlik ja täpne andur on, seadistades eelpinge teatud tasemele. See võimaldab anduril märgata isegi väikseid muutusi sisendsignaalis.

Järeldus

Lõppkokkuvõttes on baasi nihe transistori toimimise oluline osa, mida ei saa ignoreerida.

Õige aluse eelpinge on usaldusväärse jõudluse jaoks oluline, kuna see kontrollib voolu voolu ja hoiab seadme stabiilsena.

Kuid oluline on mõelda ka sellele, mida baaskallutamine elektroonika jaoks üldiselt tähendab.

Kuna meie maailm muutub üha enam sõltuvaks tehnoloogiast, peame hoolikalt läbi mõtlema, kuidas me neid seadmeid kavandame ja kasutame, et hoida nende mõju keskkonnale ja meie kogukondadele miinimumini.

Kasutades oma disaini- ja tootmisprotsessides aluse kallutatuse ideid, saame teha elektroonikat, mis pole mitte ainult kasulik, vaid ka keskkonnasõbralik ja ühiskonnale kasulik.

Inseneride ja tehnoloogidena on meie ülesanne mõelda sellele, kuidas meie töö kõiki mõjutab, ja põhinevad eelarvamused on vaid üks väike osa sellest.

Nii et nihutagem jätkuvalt võimaliku piire, pidades samas silmas suurt pilti.

Lingid ja viited

Transistori eelpinge ja väljundpinge pinged:

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

Bipolaarse transistori eelpingestus:

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

Tahkisseadmed 18. Loeng:

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