Ak ste študent inžinierstva alebo inžinier, pravdepodobne viete o tranzistoroch a o tom, aké dôležité sú v modernej elektronike.
Ale zamysleli ste sa niekedy nad tým, aké dôležité je základné skreslenie pre to, ako dobre tieto zariadenia fungujú? Predpätie bázy je priame napätie aplikované na kontakt majoritnej nosnej tranzistora.
Je to nevyhnutné na riadenie toku prúdu cez zariadenie.
Bez správneho predpätia bázy nemôže tranzistor fungovať správne, čo môže viesť k zvláštnemu správaniu alebo dokonca zlyhaniu.
V tomto blogovom príspevku budem hovoriť o tom, čo je základná odchýlka a prečo je taká dôležitá pre spôsob fungovania tranzistorov.
Či už ste skúsený inžinier alebo len začínate v oblasti elektroniky, musíte pochopiť základnú zaujatosť, aby ste to urobili dobre.
Poďme sa teda ponoriť a dozvedieť sa spolu o fascinujúcom svete základnej zaujatosti.
Pochopenie predpätia bázy a jej funkcie v tranzistoroch
Formálna definícia:
Priame napätie, ktoré sa aplikuje na kontakt majoritnej nosnej (bázu) tranzistora.
Metóda Base Bias
Predpätie bipolárneho prechodového tranzistora (BJT) v tranzistorovom obvode je jednoduché a ľahko vykonateľné s predpätím bázy.
Táto metóda zaisťuje, že správne základné napätie, VBB, je odoslané do základne, ktorá potom pošle správny základný prúd do BJT, aby sa mohol zapnúť.
V "obvode s pevnou základňou predpätia" je základný predpäťový odpor RB zapojený medzi základňu a základnú batériu VBB.
Tým sa zabezpečí, že prúd bázy tranzistora zostane rovnaký pre dané hodnoty VCC.
Metódy na získanie základného prúdu nulového signálu
Existuje niekoľko spôsobov, ako získať potrebný základný prúd IB s nulovým signálom, ako je predpätie z kolektora na základňu, predpätie pomocou kolektorového spätnoväzbového odporu alebo predpätie pomocou rozdeľovača napätia.
Keď sa pozrieme na lineárnu oblasť tohto obvodu, ukazuje sa, že DC má na ňu priamy vplyv.
Aplikovaním Kirchhoffovho napäťového zákona na základný obvod môžeme získať rovnicu, ktorá ukazuje vzťah medzi IB a VBB.
Ak poznáte VBB a RB, môžete použiť túto rovnicu na určenie IB.
Účel predpätia rezistora
Predpätý rezistor udržuje dostatočný prúd prúdiaci do základne, takže tranzistor BJT nie je preťažený ani vypnutý.
Predpätý rezistor udržuje tranzistor na určitom pracovnom bode alebo DC offsetu.
Niektoré BJT majú vnútorný predpätý rezistor na zníženie počtu častí v dizajne, ale na zapnutie a vypnutie sú potrebné externé predpätia.
Zabudovaný tranzistor s predpätím rezistorom (BRT) je bipolárny tranzistor, ktorý má zabudovaný základný odpor aj odpor základne-emitor.
S týmito odpormi zabudovanými do tranzistora znižujú BRT počet potrebných externých častí a uľahčujú nastavenie diskrétnych obvodov.
Predpätie tranzistora
Predpätie tranzistora je proces dodávania tranzistoru jednosmerným napätím tak, že spojenie emitor-báza je predpäté dopredu a spojenie kolektor-báza je spätne predpäté.
To udržuje tranzistor vo svojej aktívnej oblasti, takže môže pracovať ako zosilňovač.
Správnym použitím spojovacích a obtokových kondenzátorov pomôže zabrániť tomu, aby akékoľvek predpäťové prúdy smerovali do alebo z bázy tranzistora.
Predpätie tranzistora mu umožňuje pracovať analógovým aj digitálnym spôsobom.
Bez ovplyvnenia nemôžu zosilňovače BJT posielať správne množstvo energie do záťažových terminálov.
Vplyv ovplyvnenia na výkon zosilňovača
Spôsob nastavenia základne ovplyvňuje, ako dobre funguje tranzistorový zosilňovač.
"Predpätie triedy A" je proces nastavenia zosilňovača tak, aby pracovný bod bol v strede priamej časti charakteristickej krivky tranzistora.
Zosilňovače triedy A sú ovplyvnené umiestnením jednosmerného napätia cez prechod báza-emitor tranzistora tak, že ich prevádzkový bod bez signálu (kľudový) je na lineárnej časti správania tranzistora.
Najlepšia hodnota pre predpätie tranzistora je dvojnásobok špičkového výstupného striedavého napätia.
Ak zmeníte predpätie tranzistora, pohne sa aj bod Q.
Urobte revolúciu vo svojej elektronike: Využite silu základného predpätia
Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:
Už vás nebaví, že sa vám neustále lámu tranzistory, pretože sa správajú čudne a nefungujú správne? Len sa pozrite, aká úžasná je sila základnej zaujatosti.
Áno, privedenie priameho napätia na kontakt väčšinového nosiča vášho tranzistora môže znamenať rozdiel medzi hladkou a spoľahlivou prevádzkou a ohnivým roztavením.
Prečo teda nepoľaviť z opatrnosti a neskočiť do divokého sveta základných zaujatostí?
Dobre, to bol len vtip, ktorý vyzeral ako televízna reklama.
Teraz sa vráťme k vysvetleniu.
Faktory ovplyvňujúce skreslenie základne
Vplyv teploty na základnú odchýlku
Teplota mení napätie báza-emitor (VBE) a reverzný, saturačný prúd kolektor-báza.
Tým sa zmení bod Q základného obvodu predpätia (ICBO).
Keď teplota stúpa, VBE klesá rýchlosťou 2,5 mV/, zatiaľ čo ICBO stúpa.
To spôsobí, že základný prúd IB stúpa, čo núti IC zmeniť sa, čo posúva Q-bod obvodu.
Aby sa zabránilo tepelnému úniku, musia sa podniknúť kroky, aby sa zabezpečilo, že odchýlka je stabilná voči šíreniu hFE.
Predpätie medzi základňou a predpätie medzi kolektorom a základňou je menej ovplyvnené zmenami VBE ako odchýlka deliča napätia.
Vďaka tomu je predpätie medzi základňou a predpätie medzi kolektormi a základňou lepšími voľbami pre obvody, ktoré musia byť stabilné pri rôznych teplotách.
Keď je bod Q bipolárneho tranzistora blízko stredu jeho prevádzkového rozsahu, je menej ovplyvnený zmenami teploty.
Výpočet napätia základného rezistora
Ohmov zákon a Kirchhoffov napäťový zákon sa používajú na zistenie, aké je napätie základného odporu v obvode s pevným predpätím bázy.
Najjednoduchší spôsob predpätia tranzistora je s predpätím s pevnou bázou.
V tomto obvode zostáva základné predpätie rovnaké, kým tranzistor pracuje.
Ak chcete nastaviť tento obvod, pripojíte predpätie medzi základňu a základnú batériu VBB alebo iný zdroj konštantného napätia.
Ak máme tranzistor = 100 a chceme získať emitorový prúd 1 mA, môžeme použiť Ohmov zákon a Kirchhoffov zákon o napätí, aby sme zistili, aký veľký musí byť odpor bázy.
Najprv musíme zistiť, čo je VBB.
Môžeme napísať: VCC = IB * RB + VBE pomocou Kirchhoffovho napäťového zákona.
Pretože IB sa približne rovná IE/, kde IE je prúd emitora, je jednosmerný zisk tranzistora a VBE je približne 0,7 V pre kremíkové tranzistory, môžeme napísať: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0,7V)/(IE/) je to, čo získate, keď vyriešite RB.
Môžete tiež použiť online kalkulačky, ako je napríklad kalkulačka tranzistorového ovplyvnenia od spoločnosti Omni Calculator.
Táto kalkulačka pracuje iba s bipolárnymi tranzistormi (BJT) a ponúka rôzne spôsoby nastavenia predpätia, ako je predpätie s pevnou bázou, predpätie kolektorovej spätnej väzby, predpätie emitorovej spätnej väzby a predpätie deliča napätia.
Ak chcete použiť túto kalkulačku pre metódu predpätia s pevnou základňou, môžete zadať známe hodnoty, ako je napájacie napätie (VCC), požadovaný kolektorový prúd (IC), zisk jednosmerného prúdu () a saturačné napätie (VCEsat).
Kalkulačka vám poskytne výsledky ako prúd emitora (IE), odpor kolektora (RC), odpor emitora (RE) a odpor základne (RB).
Metódy na zabezpečenie predpätia pre tranzistor
Existuje mnoho rôznych spôsobov, ako dať tranzistoru predpätie.
Medzi nimi sú:
- Base Bias alebo "Fixed Current Bias" nie je veľmi dobrá metóda, pretože predpätie a prúdy nezostávajú rovnaké, keď tranzistor pracuje.
- Základné predpätie so spätnou väzbou emitora: Táto metóda udržuje jednosmerný pracovný bod stabilný, aj keď sa odpor mení so zmenou teploty.
- Base Bias with Collector Feedback: Názov tejto metódy pochádza zo skutočnosti, že keďže RB je založený na kolektore, existuje negatívny efekt spätnej väzby, vďaka ktorému je stabilnejšia ako samotná základná odchýlka.
- Predpätie medzi kolektorom a bázou: Pri tejto metóde sa medzi kolektor tranzistora a bázu vloží predpätie.
Táto metóda poskytuje stabilné predpätie a môže byť použitá v obvodoch, ktoré potrebujú stabilitu teploty.
- Predpätie deliča napätia: Pri tejto metóde sa základné napätie nastavuje sieťou deliča napätia z dvoch rezistorov.
Pokročilé techniky pre základnú odchýlku
Predpätie bázy je dôležitým spôsobom, ako prinútiť bipolárne tranzistory pracovať vo svojej lineárnej oblasti, ktorá je potrebná na zosilnenie.
Základné obvody predpätia sú však citlivé na zmeny teploty a parametrov tranzistora, čo môže spôsobiť zmeny v kolektorovom prúde, ktoré je ťažké predvídať.
Aby bolo základné skreslenie lepšie, ľudia prišli s inými spôsobmi, ako ho urobiť stabilnejším a predvídateľnejším.
V tomto článku budeme hovoriť o pokročilých technikách pre základné odchýlky, ako je odchýlka spätnej väzby emitoru, odchýlka emitora, odchýlka deliča napätia a odchýlka spoločnej základne pre miešanie a násobenie signálov.
Emitor-Feedback Bias
Emitor-feedback bias je spôsob, ako nastaviť tranzistor, ktorý využíva spätnú väzbu emitor aj spätnú väzbu medzi bázou a kolektorom na udržanie stabilného kolektorového prúdu.
Pri tejto metóde sa k obvodu bázy a predpätia pridá emitorový odpor.
Vďaka tomu je základná odchýlka predvídateľnejšia vytvorením negatívnej spätnej väzby, ktorá ruší akúkoľvek zmenu kolektorového prúdu spôsobenú zmenou základného napätia.
Emitor-feedback bias je lepší ako bázový bias, pretože robí bázu stabilnejšou a menej citlivou na zmeny teploty a parametrov tranzistora.
Táto metóda to robí pomocou negatívnej spätnej väzby z emitorového odporu, vďaka čomu sú tieto zmeny menej viditeľné.
Zaujatosť emitenta
Predpätie emitora je veľmi stabilné aj pri zmene teploty a využíva kladné aj záporné napájacie napätie.
V tranzistore BJT so spoločným emitorom je emitor pripojený k zemi, takže vstupné napätie sa meria na základni vzhľadom na zem (emitor) a výstupné napätie sa meria na kolektore vzhľadom na zem (kolektor) ( žiarič).
Predpätie emitora môže urobiť bod Q aktívnej oblasti zosilňovača stabilnejším tým, že sa uistí, že základňa tranzistora je vždy správne predpätá.
Je to lepšie ako základná odchýlka, pretože udržuje odchýlku stabilnú.
Predpätie rozdeľovača napätia
Základný obvod predpätia je menej stabilný ako obvod predpätia deliča napätia.
Základné napätie, ktoré nesúvisí s napätím kolektora, sa nastavuje sieťou deliča napätia v tomto obvode.
Vďaka tomu majú zmeny kolektorového napätia a parametrov tranzistora menší vplyv na bod predpätia.
Výstupná impedancia deliča napätia je väčšinou oveľa vyššia ako impedancia základného obvodu predpätia.
Vďaka tomu je delič napätia stabilnejší.
Base Bias
Základné obvody predpätia sa vyrábajú jednoduchšie a majú menej častí ako obvody predpätia deliča napätia, ale sú menej stabilné.
Základné predpätie je priamo spojené s napätím kolektora.
Ak sa zmení kolektorové napätie alebo parametre tranzistora, zmení sa aj základné predpätie, čím sa obvod stane nestabilným.
Skreslenie spoločnej bázy pre miešanie a násobenie signálov
Na zmiešanie a násobenie signálov v spoločnom základnom obvode sa nelineárnemu prvku, ako je dióda alebo aktívnemu zariadeniu, ako je tranzistor alebo FET, priradí správne množstvo predpätia.
Stáva sa to, keď sú dva signály odoslané cez nelineárny prvok.
Pri súčtu a rozdielových frekvenciách pôvodných signálov sa vytvoria dva nové signály na nových frekvenciách.
Použitie konfigurácie emitor-bias s obtokovým kondenzátorom je jedným zo spôsobov, ako nastaviť spoločný základný obvod na miešanie a násobenie.
Ďalším spôsobom, ako to urobiť, je konfigurácia predpätia rozdeľovača napätia s obtokovým kondenzátorom.
Stručne povedané, základná odchýlka sa stala stabilnejšou a predvídateľnejšou pomocou nových techník.
Aj keď sa teplota a parametre tranzistora zmenia, predpätie spätnej väzby emitoru a predpätie emitoru udržujú predpätie veľmi stabilné.
Základná odchýlka je menej stabilná ako odchýlka deliča napätia a základná odchýlka sa používa na miešanie a násobenie signálov.
Prepojenie medzi základňou a kolektorom a poklesom napätia medzi základňou a emitorom
V bipolárnom tranzistore je spojenie medzi bázou a kolektorom vždy spätne predpäté.
To znamená, že na spoj môže byť aplikované vysoké spätné predpätie skôr, ako sa zlomí.
Spätné predpätie pôsobí ako predpätie pre menšinové nosiče v základni, čím ich urýchľuje cez spojenie základňa-kolektor a do oblasti kolektora.
Keď sú spoje emitor-báza aj kolektor-báza predpäté, prúd tečie z emitora do kolektora.
To umožňuje tranzistoru robiť svoju prácu.
V tomto stave, ktorý sa nazýva saturácia, sú oba prechody posunuté dopredu a napätie medzi bázou a emitorom je najmenej 0,7 V pre kremíkové tranzistory alebo 0,3 V pre germániové tranzistory.
Ovplyvňovanie spojenia medzi základňou a emitorom
Pokles napätia predpätia na prechode báza-emitor ovplyvňuje fungovanie tranzistora znížením bariéry na prechode medzi bázou a emitorom.
To umožňuje viac nosičom dostať sa do kolektora a zvyšuje tok prúdu z emitora do kolektora a cez vonkajší obvod.
Aby tranzistor fungoval ako zosilňovač, každý jeho prechod musí byť zmenený napätím, ktoré prichádza zvonku tranzistora.
Prvý PN prechod, ktorý je medzi žiaričom a základňou, je vychýlený v doprednom smere.
Druhý PN prechod, ktorý je medzi základňou a kolektorom, je predpätý v opačnom smere.
Na zapnutie tranzistora musí byť pokles napätia v doprednom smere od bázy k emitoru (VBE) väčší ako nula, zvyčajne okolo 0,6 V.
Aby tranzistor fungoval, dióda bázy-emitor musí byť predpätá dopredu.
Keď je VBE vyššie ako 0,6 V, tranzistory pracujú v aktívnom režime a zosilňujú signály.
Na druhej strane, keď je VBE menej ako 0,6 V, tranzistory sú v stave nazývanom "režim cutoff", v ktorom cez ne nepreteká žiadny prúd.
Aby bol tranzistor v reverznom aktívnom režime, napätie na emitore musí byť vyššie ako napätie na báze, ktoré musí byť vyššie ako napätie na kolektore.
Základné techniky ovplyvnenia
Na stabilizáciu kolektorového prúdu a uľahčenie predpovedania možno použiť rôzne metódy predpätia bázy, ako je predpätie spätnej väzby emitora a predpätie deliča napätia.
Kolektorový prúd sa udržiava stabilný s predpätím spätnej väzby emitoru pomocou spätnej väzby emitor aj základňa-kolektor.
Keď sa do obvodu bázy a predpätia pridá emitorový odpor, účinok zmien teploty a parametrov tranzistora sa zníži.
Vďaka tomu je odchýlka spätnej väzby vysielača stabilnejšia ako samotná odchýlka základne.
Predpätie deliča napätia používa sieť deliča napätia na nastavenie základného napätia, ktoré je nezávislé od napätia kolektora a poskytuje vysokú stabilitu predpätia.
Toto nastavenie je stabilnejšie ako základné nastavenie, pretože nepoužíva druhý zdroj napájania, čo môže spôsobiť problémy.
Prúdové zosilnenie e tranzistora sa rovná kolektorovému prúdu vydelenému prúdom bázy.
To znamená, že malé množstvo základného prúdu môže riadiť oveľa väčší kolektorový prúd, ktorý je základom fungovania tranzistora.
Aby kolektorový prúd tiekol, všetky tri časti tranzistora musia byť predpäté.
To znamená, že na vedenie musí byť do základne privedený prúd.
Kolektorový prúd tranzistora stúpa, keď sa zvyšuje predpätie.
Obmedzenia napätia základne kolektora
To, aké vysoké môže byť napätie bázového kolektora, kým prestane fungovať predpätie emitora, závisí od použitého tranzistora a jeho špecifikácií.
Väčšinu času výrobca uvádza maximálne menovité napätie základného kolektora (Vbc) pre tranzistor.
Toto hodnotenie môže byť od niekoľkých voltov do niekoľkých stoviek voltov.
Keď napätie medzi základňou a kolektorom prekročí maximálnu hodnotu, tranzistor sa môže pokaziť a možno aj definitívne poškodiť.
Predpätie emitora však môže stále fungovať v bezpečnom prevádzkovom rozsahu tranzistora, aj keď je napätie bázy-kolektora vyššie ako maximálna hodnota.
Výpočty a analýza základnej odchýlky
Výpočet záťažového odporu v základnom ovplyvnení
V obvode predpätia základného rezistora BJT možno odpor záťaže vypočítať pomocou vzorca RL = (V CC - V BE) / IE, kde V CC je napätie z napájacieho zdroja, V BE je napätie na bázovom emitore. A IE je emitorový prúd.
Tento vzorec pomáha zistiť, koľko predpätia je potrebných pre určité množstvo prúdu emitora.
Konfigurácia odchýlky rozdeľovača napätia
Pomocou Theveninovej vety môžete nájsť konfiguráciu predpätia pre delič napätia.
Pri tejto metóde sú dva odpory zapojené do série medzi zdroj energie a zem a jeden odpor je pripojený k báze tranzistora.
V tomto usporiadaní je odpor záťaže zvyčajne ďalšou časťou obvodu alebo zdrojom prúdu.
Odpory predpätia možno vypočítať pomocou vzorca R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, kde R1 je odpor medzi základňou a deličom napätia, R2 je druhý odpor v deliči napätia a V BE je napätie na prechode báza-emitor (zvyčajne okolo 0,6-0,7V pre kremíkový tranzistor).
Konfigurácia skreslenia spätnej väzby kolektora
V konfigurácii predpätia kolektorovej spätnej väzby sa emitorový prúd nastaví vložením odporu medzi kolektor a bázu tranzistora.
Tento spôsob poskytuje spätnú väzbu a udržiava bod skreslenia stabilný.
Ohmov zákon možno použiť na zistenie odporu záťaže a pokles napätia na kolektorovom odpore možno použiť na zistenie napätia kolektora.
Majte na pamäti, že existujú aj iné spôsoby ovplyvnenia obvodu BJT a spôsob, ktorý si vyberiete, bude závisieť od toho, čo obvod potrebuje.
Obvod spätnej väzby kolektora
Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s hovoreným jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.
Prípady použitia
| Použité v: | Popis: |
|---|---|
| Zosilňovače: | V obvodoch zosilňovača sa predpätie bázy používa na nastavenie bodu Q, čo je úroveň, na ktorej tranzistor pracuje. Zmenou predpätia môžu inžinieri ovládať faktor zosilnenia a zabezpečiť, aby výstupný signál zostal v rozsahu, ktorý chcú. |
| Zapnutie a vypnutie: | V spínacích obvodoch, kde sa tranzistory používajú na zapínanie a vypínanie elektrických signálov, je veľmi dôležité aj predpätie bázy. V tomto prípade predpätie riadi prahové napätie potrebné na zapnutie tranzistora. To umožňuje obvodu prepínať medzi zapnutím a vypnutím. |
| Zdroje energie: | V napájacích obvodoch sa základné predpätie používa, aby sa zabezpečilo, že výstupné napätie zostane stabilné a v správnom rozsahu. Nastavením predpätia na určitú úroveň môžu inžinieri kontrolovať, koľko prúdu preteká zariadením, a zabrániť tomu, aby napätie stúpalo a klesalo. |
| Oscilátory: | V oscilátorových obvodoch sa základné predpätie používa na udržanie frekvencie zariadenia na správnej úrovni. Inžinieri sa môžu uistiť, že oscilátor vytvára stabilný tvar vlny zmenou predpätia. |
| Senzorové obvody: | V obvodoch snímačov, kde sa tranzistory používajú na detekciu zmien napätia alebo prúdu, možno použiť aj predpätie bázy. Inžinieri môžu ovládať citlivosť a presnosť snímača nastavením predpätia na určitú úroveň. To umožňuje snímaču zachytiť aj malé zmeny vo vstupnom signáli. |
Záver
V konečnom dôsledku je základná odchýlka dôležitou súčasťou fungovania tranzistora, ktorú nemožno ignorovať.
Správne predpätie základne je dôležité pre spoľahlivý výkon, pretože riadi tok prúdu a udržuje zariadenie stabilné.
Je však tiež dôležité zamyslieť sa nad tým, čo pre elektroniku vo všeobecnosti znamená základné predpätie.
Keďže sa náš svet stáva čoraz viac závislým od technológií, musíme sa dôkladne zamyslieť nad tým, ako tieto zariadenia navrhujeme a používame, aby sme minimalizovali ich vplyv na životné prostredie a naše komunity.
Využitím myšlienok základnej zaujatosti v našich dizajnových a výrobných procesoch môžeme vyrábať elektroniku, ktorá je nielen užitočná, ale aj šetrná k životnému prostrediu a dobrá pre spoločnosť.
Ako inžinieri a technológovia je našou úlohou premýšľať o tom, ako naša práca ovplyvňuje každého, a základná zaujatosť je len malou časťou toho.
Pokračujme teda v posúvaní hraníc toho, čo je možné, a zároveň majme na pamäti celkový obraz.
Odkazy a referencie
Predpätie tranzistora a výstupné predpätie:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Predpätie bipolárneho tranzistora:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Solid State Devices Prednáška 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Zdieľať na…
