Ako ste student strojarstva ili inženjer, vjerojatno znate za tranzistore i njihovu važnost u modernoj elektronici.
Ali jeste li ikada zastali i razmislili o tome koliko je važna pristranost baze za rad ovih uređaja? Prednapon baze je izravni napon primijenjen na kontakt većinskog nositelja tranzistora.
Neophodan je za kontrolu protoka struje kroz uređaj.
Bez odgovarajućeg prednaprezanja baze, tranzistor ne može ispravno raditi, što može dovesti do čudnog ponašanja ili čak kvara.
U ovom postu na blogu govorit ću o tome što je prednapon baze i zašto je toliko važan za rad tranzistora.
Bez obzira jeste li iskusni inženjer ili tek počinjete u području elektronike, morate razumjeti pristranost baze da biste bili dobri.
Pa zaronimo i zajedno učimo o fascinantnom svijetu pristranosti baze.
Razumijevanje prednaprezanja baze i njegove funkcije u tranzistorima
Formalna definicija:
Istosmjerni napon koji se primjenjuje na kontakt većinskog nositelja (bazu) tranzistora.
Metoda pristranosti baze
Prednapon bipolarnog spojnog tranzistora (BJT) u tranzistorskom krugu je jednostavan i lak za napraviti s prednaprezanjem baze.
Ova metoda osigurava da se točan bazni napon, VBB, šalje bazi, koja zatim šalje ispravnu baznu struju BJT-u kako bi se mogao uključiti.
U "krugu s fiksnom prednaponom baze", otpornik prednaprezanja baze RB spojen je između baze i bazne baterije VBB.
Ovo osigurava da struja baze tranzistora ostane ista za dane vrijednosti VCC.
Metode za dobivanje struje baze nultog signala
Postoji nekoliko načina da se dobije potrebna struja baze nultog signala IB, kao što je prednapon od kolektora do baze, prednapon s povratnim otpornikom kolektora ili prednapon s razdjelnikom napona.
Kada se pogleda linearna regija ovog kruga, vidi se da DC ima izravan učinak na njega.
Primjenom Kirchhoffovog zakona napona na osnovni krug, možemo dobiti jednadžbu koja pokazuje odnos između IB i VBB.
Ako znate VBB i RB, možete koristiti ovu jednadžbu da biste izračunali IB.
Namjena prednaponskog otpornika
Prednaponski otpornik održava dovoljno struje koja teče u bazu tako da BJT tranzistor nije ni preopterećen niti isključen.
Bias otpornik drži tranzistor na određenoj radnoj točki ili DC offsetu.
Neki BJT-ovi imaju unutarnji prednaponski otpornik kako bi se smanjio broj dijelova u dizajnu, ali vanjski prednaponski otpornici su potrebni za uključivanje i isključivanje BJT-a.
Ugrađeni tranzistor otpornika prednapona (BRT) je bipolarni tranzistor koji ima ugrađen i otpornik baze i otpornik baze-emitera.
S ovim otpornicima ugrađenim u tranzistor, BRT-ovi smanjuju broj potrebnih vanjskih dijelova i olakšavaju postavljanje diskretnih krugova.
Prednapon tranzistora
Prednapon tranzistora je proces davanja tranzistoru istosmjernog napona tako da je spoj emiter-baza usmjeren prema naprijed, a spoj kolektor-baza prema natrag.
Ovo održava tranzistor u njegovom aktivnom području tako da može raditi kao pojačalo.
Korištenje spojnih i premosnih kondenzatora na pravi način pomoći će u zaustavljanju bilo kakvih prednaponskih struja koje ulaze u ili izlaze iz baze tranzistora.
Prednapon tranzistora omogućuje mu da radi i na analogni i na digitalni način.
Bez prednapona, BJT pojačala ne mogu poslati pravu količinu snage na priključke opterećenja.
Utjecaj prednaprezanja na performanse pojačala
Način na koji je baza postavljena utječe na to koliko dobro tranzistorsko pojačalo radi.
"Pristranost klase A" je postupak postavljanja pojačala tako da je radna točka u sredini ravnog dijela karakteristične krivulje tranzistora.
Pojačala klase A imaju prednapon stavljanjem istosmjernog napona preko spoja baza-emiter tranzistora tako da je njihova radna točka bez signala (u mirovanju) na linearnom dijelu ponašanja tranzistora.
Najbolja vrijednost za prednapon tranzistora je dva puta veći od vršnog AC izlaznog napona.
Ako promijenite prednapon tranzistora, Q-točka će se također pomaknuti.
Revolucionizirajte svoju elektroniku: iskoristite snagu pristranosti baze
Još uvijek je teško razumjeti? Da malo promijenim gledište:
Muka vam je što vam se tranzistori stalno kvare jer se čudno ponašaju i ne rade kako treba? Pogledajte samo koliko je nevjerojatna moć pristranosti baze.
Da, stavljanje izravnog napona na kontakt većinskog nositelja vašeg tranzistora može napraviti razliku između glatkog, pouzdanog rada i vatrenog taljenja.
Pa zašto ne zaboravite na oprez i uskočite u divlji svijet pristranosti?
U redu, to je bila samo šala napravljena da izgleda kao TV reklama.
Sada se vratimo na objašnjenje.
Čimbenici koji utječu na pristranost baze
Učinci temperature na pristranost baze
Temperatura mijenja napon baza-emiter (VBE) i reverznu struju zasićenja kolektor-baza.
Ovo mijenja Q-točku osnovnog prednaponskog kruga (ICBO).
Kako temperatura raste, VBE opada brzinom od 2,5 mV/, dok ICBO raste.
Zbog toga struja baze IB raste, što tjera IC na promjenu, što pomiče Q-točku kruga.
Da ne bi došlo do toplinskog bježanja, moraju se poduzeti koraci kako bi se osiguralo da je prednapon stabilan u odnosu na širenje hFE.
Promjene u VBE manje utječu na prednapon baze i na prednapon kolektor-baza nego na prednapon razdjelnika napona.
To čini prednapon baze i prednapon kolektor-baza boljim izborom za sklopove koji moraju biti stabilni na različitim temperaturama.
Kada je Q-točka bipolarnog tranzistora blizu sredine njegovog radnog raspona, na nju manje utječu promjene temperature.
Izračunavanje napona otpornika baze
Ohmov zakon i Kirchhoffov zakon napona koriste se za određivanje napona otpornika baze u krugu s fiksnom prednaponom baze.
Najlakši način za prednapon tranzistora je s prednaponskim krugom fiksne baze.
U ovom krugu, prednapon baze ostaje isti dok tranzistor radi.
Da biste postavili ovaj krug, spojite otpornik prednaprezanja baze između baze i bazne baterije VBB ili drugog izvora konstantnog napona.
Ako imamo tranzistor =100 i želimo dobiti struju emitera od 1 mA, možemo upotrijebiti Ohmov zakon i Kirchhoffov zakon o naponu da odredimo koliki mora biti otpornik prednaprezanja baze.
Prvo, moramo saznati što je VBB.
Možemo napisati: VCC = IB * RB + VBE koristeći Kirchhoffov naponski zakon.
Budući da je IB otprilike jednak IE/, gdje je IE struja emitera, DC pojačanje tranzistora, a VBE je oko 0,7 V za silicijske tranzistore, možemo napisati: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0,7 V)/(IE/) je ono što dobijete kada riješite RB.
Također možete koristiti online kalkulatore, kao što je Transistor Biasing Calculator by Omni Calculator.
Ovaj kalkulator radi samo s bipolarnim spojnim tranzistorima (BJT) i nudi različite načine za postavljanje biasa, kao što je biasing fiksne baze, biasing povratne sprege kolektora, biasing povratne veze emitera i biasing razdjelnika napona.
Da biste koristili ovaj kalkulator za metodu prednaprezanja fiksne baze, možete unijeti poznate vrijednosti poput napona napajanja (VCC), željene struje kolektora (IC), istosmjernog pojačanja () i napona 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 osiguranje pristranosti za tranzistor
Postoji mnogo različitih načina da se tranzistoru da prednapon.
Među njima su:
- Base Bias ili "Fixed Current Bias" nije baš dobra metoda jer prednaponi i struje ne ostaju isti dok tranzistor radi.
- Prednapon baze s povratnom spregom emitera: Ova metoda održava istosmjernu radnu točku stabilnom čak i ako se otpor mijenja s promjenom temperature.
- Base bias s kolektorskom povratnom spregom: Naziv ove metode dolazi od činjenice da budući da se RB temelji na kolektoru, postoji negativan povratni učinak koji je čini stabilnijom od same baze.
- Prednapon kolektor-baza: U ovoj metodi, prednapon se stavlja između kolektora i baze tranzistora.
Ova metoda daje stabilan prednapon i može se koristiti u krugovima kojima je potrebna stabilnost temperature.
- Prednapon djelitelja napona: U ovoj metodi, osnovni napon se postavlja mrežom djelitelja napona koja se sastoji od dva otpornika.
Napredne tehnike za pristranost baze
Prednapon baze je važan način da bipolarni tranzistori rade u svom linearnom području, što je potrebno za pojačanje.
Ali krugovi prednaprezanja baze osjetljivi su na promjene temperature i parametara tranzistora, što može uzrokovati promjene u struji kolektora koje je teško predvidjeti.
Kako bi poboljšali pristranost baze, ljudi su smislili druge načine da je učine stabilnijom i predvidljivijom.
U ovom ćemo članku govoriti o naprednim tehnikama za pristranost baze, kao što je pristranost emiter-povratna veza, pristranost emitera, pristranost razdjelnika napona i pristranost zajedničke baze za miješanje i množenje signala.
Odašiljač-povratna veza
Emiter-povratna sprega je način postavljanja tranzistora koji koristi i emitersku povratnu vezu i povratnu vezu baza-kolektor kako bi struja kolektora bila stabilna.
U ovoj metodi, otpornik emitera dodaje se krugu prednapona baze.
To čini prednapon baze predvidljivijim stvaranjem negativne povratne sprege, koja poništava svaku promjenu struje kolektora uzrokovanu promjenom napona baze.
Prednapon povratne veze emitera je bolji od prednaprezanja baze jer čini prednapon baze stabilnijim i manje osjetljivim na promjene temperature i parametara tranzistora.
Ovom metodom to se postiže korištenjem negativne povratne sprege s otpornika emitera, što ove promjene čini manje primjetljivima.
Pristranost emitera
Prednapon emitera je vrlo stabilan čak i kada se temperatura mijenja, 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) ( odašiljač).
Prednapon emitera može Q-točku aktivnog područja pojačala učiniti stabilnijim osiguravanjem da je baza tranzistora uvijek ispravno prednapredna.
To je bolje od osnovnog pomicanja jer održava pomicanje stabilnim.
Bias razdjelnika napona
Krug prednapona baze je manje stabilan od kruga prednapona razdjelnika napona.
Osnovni napon, koji nije povezan s naponom kolektora, postavlja se mrežom razdjelnika napona u ovom krugu.
To čini tako da promjene u naponu kolektora i parametrima tranzistora imaju manji učinak na točku prednaprezanja.
Većinu vremena, izlazna impedancija razdjelnika napona mnogo je veća od izlazne impedancije prednaponskog kruga.
To čini razdjelnik napona stabilnijim.
Pristranost baze
Krugove prednapona baze lakše je izraditi i imaju manje dijelova od krugova prednapona razdjelnika napona, ali su manje stabilni.
Prednapon baze izravno je povezan s naponom kolektora.
Ako se napon kolektora ili parametri tranzistora promijene, prednapon baze će se također promijeniti, čineći krug nestabilnim.
Prednapon zajedničke baze za miješanje i množenje signala
Za miješanje i množenje signala u krugu zajedničke baze, nelinearnom elementu poput diode ili aktivnom uređaju poput tranzistora ili FET-a daje se prava količina prednaprezanja.
To se događa kada se dva signala šalju kroz nelinearni element.
Na zbroju i razlici frekvencija izvornih signala, dva nova signala se stvaraju na novim frekvencijama.
Korištenje konfiguracije emiter-bias s premosnim kondenzatorom jedan je od načina za postavljanje zajedničkog osnovnog kruga za miješanje i množenje.
Konfiguracija prednapona razdjelnika napona s premosnim kondenzatorom još je jedan način za to.
Ukratko, pristranost baze postala je stabilnija i predvidljivija upotrebom novih tehnika.
Čak i kada se temperatura i parametri tranzistora mijenjaju, prednapon povratne veze emitera i prednapon emitera održavaju prednapon vrlo stabilnim.
Prednapon baze manje je stabilan od prednapona razdjelnika napona, a prednapon baze se koristi za miješanje i množenje signala.
Spoj baza-kolektor i pad napona baza-emiter
U tranzistoru s bipolarnim spojem, spoj između baze i kolektora uvijek je obrnuto prednapon.
To znači da se na spoj može primijeniti visoki prednapon prije nego što pukne.
Obrnuti prednapon djeluje kao prednapon za manjinske nosioce u bazi, ubrzavajući ih kroz spoj baze i kolektora u područje kolektora.
Kada su spojevi emiter-baza i kolektor-baza usmjereni prema naprijed, struja teče od emitera prema kolektoru.
To omogućuje tranzistoru da radi svoj posao.
U ovom stanju, koje se naziva zasićenje, oba su spoja nagnuta prema naprijed, a napon između baze i emitera je najmanje 0,7 V za silicijske tranzistore ili 0,3 V za germanijeve tranzistore.
Prednapon spoja baza-emiter
Pad prednapona na spoju baza-emiter utječe na rad tranzistora snižavanjem barijere na spoju emiter-baza.
To omogućuje većem broju nosača da dođu do kolektora i povećava protok struje od emitera do kolektora i kroz vanjski krug.
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, nagnut je u smjeru prema naprijed.
Drugi PN spoj, koji se nalazi između baze i kolektora, nagnut je u suprotnom smjeru.
Da bi se uključio tranzistor, pad napona od baze do emitera (VBE) mora biti veći od nule, obično oko 0,6 V.
Da bi tranzistor radio, dioda baza-emiter mora biti nagnuta prema naprijed.
Kada je VBE veći od 0,6 V, tranzistori rade u aktivnom načinu rada i pojačavaju signale.
Kada je VBE manji od 0,6 V, s druge strane, tranzistori su u stanju koje se naziva "režim rada", u kojem kroz njih ne teče struja.
Da bi tranzistor bio u reverznom aktivnom načinu rada, napon na emiteru mora biti veći od napona na bazi, koji mora biti veći od napona na kolektoru.
Tehnike pomicanja baze
Za stabilizaciju struje kolektora i lakše predviđanje mogu se koristiti različite metode prednaprezanja baze, poput pristranosti emiter-povratna veza i pristranosti razdjelnika napona.
Struja kolektora održava se stabilnom uz pomoć povratne veze emiter-kolektor korištenjem povratne veze emiter i baza-kolektor.
Kada se otpornik emitera doda krugu prednapona baze, učinak promjena temperature i parametara tranzistora se smanjuje.
To čini odašiljačko-povratnu pristranost stabilnijom od same prednaprezanja baze.
Prednapon djelitelja napona koristi mrežu djelitelja napona za postavljanje osnovnog napona, koji je neovisan o naponu kolektora i daje visoku stabilnost prednapona.
Ova postavka je stabilnija od prednapona baze jer ne koristi drugo napajanje, što može uzrokovati probleme.
Strujno pojačanje, e, tranzistora jednako je kolektorskoj struji podijeljenoj sa strujom baze.
To znači da mala količina struje baze može kontrolirati mnogo veću struju kolektora, što je osnova rada tranzistora.
Da bi struja kolektora tekla, sva tri dijela tranzistora moraju biti prednapredna.
To znači da se struja mora dovesti u bazu da bi došlo do vodljivosti.
Struja kolektora tranzistora raste kada raste prednapon prednapona.
Ograničenja napona baza-kolektor
Koliko visok napon baza-kolektor može ići prije nego što prednapon emitera prestane raditi ovisi o tranzistoru koji se koristi i njegovim specifikacijama.
Većinu vremena proizvođač će navesti maksimalni napon baza-kolektor (Vbc) za tranzistor.
Ova vrijednost može biti od nekoliko volti do nekoliko stotina volti.
Kada napon između baze i kolektora prijeđe maksimalnu vrijednost, tranzistor se može pokvariti i možda zauvijek oštetiti.
Ali prednapon emitera još uvijek može raditi unutar sigurnog radnog raspona tranzistora čak i ako je napon baza-kolektor veći od maksimalne vrijednosti.
Izračuni i analiza pristranosti baze
Izračunavanje otpora opterećenja u pomicanju baze
U prednaponskom krugu otpornika baze BJT, otpor opterećenja može se izračunati pomoću formule RL = (V CC - V BE) / IE, gdje je V CC napon iz izvora napajanja, V BE je napon na bazi-emiteru spoj, a IE je emiterska struja.
Ova formula pomaže u određivanju koliko je prednaponskih otpornika potrebno za određenu količinu struje emitera.
Konfiguracija prednapona razdjelnika napona
Koristeći Theveninov teorem, možete pronaći konfiguraciju prednapona za razdjelnik napona.
U ovoj metodi, dva otpornika su spojena u seriju između izvora napajanja i mase, a jedan otpornik je spojen na bazu tranzistora.
U ovoj postavci, otpor opterećenja obično je sljedeći dio kruga ili izvor struje.
Otpornici prednaprezanja mogu se izračunati pomoću formule R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, gdje je R1 otpornik između baze i razdjelnika napona, R2 je drugi otpornik u razdjelniku napona, a V BE je napon na spoju baza-emiter (obično oko 0,6-0,7 V za silicijski tranzistor).
Konfiguracija pristranosti povratne informacije kolektora
U konfiguraciji prednapona povratne sprege kolektora, struja emitera postavlja se postavljanjem otpornika između kolektora i baze tranzistora.
Ovaj način daje povratnu informaciju i održava točku 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 drugi načini za pristranost BJT sklopa, a metoda koju odaberete ovisit će o tome što je krugu potrebno.
Krug pristranosti povratne veze kolektora
Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s govornim jezikom. Možda ćete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Slučajevi upotrebe
| Korišteno u: | Opis: |
|---|---|
| Pojačala: | U krugovima pojačala, prednapon baze se koristi za postavljanje Q-točke, što je razina na kojoj tranzistor radi. Promjenom prednapona, inženjeri mogu kontrolirati faktor pojačanja i osigurati da izlazni signal ostane u željenom rasponu. |
| Uključivanje i isključivanje: | U sklopnim krugovima, gdje se tranzistori koriste za uključivanje i isključivanje električnih signala, prednapon baze također je vrlo važan. U ovom slučaju, prednapon kontrolira napon praga potreban za uključivanje tranzistora. To omogućuje da se strujni krug prebaci između uključenosti i isključenosti. |
| Izvori snage: | U krugovima napajanja, prednapon baze se koristi kako bi se osiguralo da izlazni napon ostane stabilan iu pravom rasponu. Postavljanjem prednapona na određenu razinu, inženjeri mogu kontrolirati koliko struje teče kroz uređaj i spriječiti da napon raste i pada. |
| Oscilatori: | U oscilatorskim krugovima, prednapon baze se koristi za održavanje frekvencije uređaja na pravoj razini. Inženjeri mogu osigurati da oscilator stvara stalan valni oblik promjenom prednapona. |
| Krugovi senzora: | U krugovima senzora, gdje se tranzistori koriste za otkrivanje promjena u naponu ili struji, također se može koristiti prednapon baze. Inženjeri mogu kontrolirati koliko je senzor osjetljiv i točan postavljanjem prednapona na određenu razinu. To omogućuje senzoru da uhvati čak i male promjene u ulaznom signalu. |
Zaključak
Na kraju, prednapon baze važan je dio rada tranzistora koji se ne može zanemariti.
Ispravno pomicanje baze važno je za pouzdan rad jer kontrolira protok struje i održava uređaj stabilnim.
Ali također je važno razmisliti o tome što pomicanje baze znači za elektroniku općenito.
Kako naš svijet postaje sve više i više ovisan o tehnologiji, moramo pažljivo razmisliti o tome kako dizajniramo i koristimo ove uređaje kako bismo njihov učinak na okoliš i naše zajednice sveli na minimum.
Koristeći ideje o osnovnoj pristranosti u našem dizajnu i proizvodnim procesima, možemo napraviti elektroniku koja nije samo korisna, već je i ekološki prihvatljiva i dobra za društvo.
Kao inženjera i tehnologa, naš je posao razmišljati o tome kako naš rad utječe na sve, a osnovna pristranost samo je jedan mali dio toga.
Stoga nastavimo pomicati granice onoga što je moguće, imajući na umu širu sliku.
Linkovi i reference
Prednapon tranzistora i izlazni prednapon:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Prednapon bipolarnog tranzistora:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Solid State uređaji, predavanje 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Dijeli…
