Če ste študent strojništva ali inženir, verjetno poznate tranzistorje in kako pomembni so v sodobni elektroniki.
Toda ali ste kdaj pomislili, kako pomembna je osnovna pristranskost za dobro delovanje teh naprav? Base bias je enosmerna napetost, ki se uporablja za kontakt večinskega nosilca tranzistorja.
Bistvenega pomena je za nadzor pretoka toka skozi napravo.
Brez pravilne prednapetosti baze tranzistor ne more delovati pravilno, kar lahko povzroči nenavadno vedenje ali celo okvaro.
V tej objavi v spletnem dnevniku bom govoril o tem, kaj je pristranskost baze in zakaj je tako pomembna za delovanje tranzistorjev.
Ne glede na to, ali ste izkušen inženir ali ste šele začeli na področju elektronike, morate razumeti osnovno pristranskost, če želite dobro delati.
Potopimo se torej vanj in se skupaj učimo o fascinantnem svetu baznih pristranskosti.
Razumevanje prednapetosti baze in njene funkcije v tranzistorjih
Formalna opredelitev:
Enosmerna napetost, ki je uporabljena na kontaktu večinskega nosilca (bazi) tranzistorja.
Metoda osnovne pristranskosti
Prednapetost bipolarnega spojnega tranzistorja (BJT) v tranzistorskem vezju je preprosta in enostavna za izvedbo z osnovno prednapetostjo.
Ta metoda zagotavlja, da se pravilna osnovna napetost, VBB, pošlje v bazo, ki nato pošlje pravilen osnovni tok v BJT, da se lahko vklopi.
V "fiksnem prednapetostnem vezju" je bazni prednapetostni upor RB povezan med bazo in osnovno baterijo VBB.
To zagotavlja, da osnovni tok tranzistorja ostane enak za dane vrednosti VCC.
Metode za pridobitev baznega toka ničelnega signala
Obstaja več načinov za pridobitev potrebnega osnovnega toka ničelnega signala IB, kot je prednapetost od kolektorja do baze, prednapetost z uporom povratne zanke kolektorja ali prednapetost z delilnikom napetosti.
Ko pogledamo linearno območje tega vezja, pokažemo, da enosmerni tok neposredno vpliva nanj.
Z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona za osnovno vezje lahko dobimo enačbo, ki prikazuje razmerje med IB in VBB.
Če poznate VBB in RB, lahko uporabite to enačbo, da ugotovite IB.
Namen prednapetostnega upora
Prednapetostni upor ohranja dovolj toka, ki teče v bazo, tako da tranzistor BJT ni niti preobremenjen niti izklopljen.
Prednapetostni upor ohranja tranzistor na določeni delovni točki ali enosmernem odmiku.
Nekateri BJT-ji imajo notranji prednapetostni upor za zmanjšanje števila delov v zasnovi, vendar so za vklop in izklop BJT-jev potrebni zunanji prednapetostni upori.
Tranzistor z vgrajenim prednapetostnim uporom (BRT) je bipolarni tranzistor, ki ima vgrajen tako bazni upor kot bazni oddajnik.
S temi upori, vgrajenimi v tranzistor, BRT zmanjšajo število potrebnih zunanjih delov in olajšajo nastavitev diskretnih vezij.
Prednapetost tranzistorja
Prednapetost tranzistorja je postopek, s katerim tranzistor dobi enosmerno napetost, tako da je spoj emiter-baza usmerjen naprej, spoj kolektor-baza pa nazaj.
To ohranja tranzistor v njegovem aktivnem območju, tako da lahko deluje kot ojačevalnik.
Pravilna uporaba sklopitvenih in obvodnih kondenzatorjev bo pomagala preprečiti, da bi morebitni prednapetostni tokovi šli v osnovo tranzistorja ali iz nje.
Prednapetost tranzistorja omogoča, da deluje tako na analogni kot digitalni način.
Brez prednapetosti ojačevalniki BJT ne morejo poslati prave količine moči na bremenske sponke.
Vpliv prednapetosti na zmogljivost ojačevalnika
Nastavitev baze vpliva na to, kako dobro deluje tranzistorski ojačevalnik.
"Pristranskost razreda A" je postopek nastavitve ojačevalnika tako, da je delovna točka na sredini ravnega dela karakteristične krivulje tranzistorja.
Ojačevalniki razreda A so pristranski tako, da enosmerno napetost nanesejo na stičišče baza-emiter tranzistorja, tako da je njihova brezsignalna (mirujoča) delovna točka na linearnem delu obnašanja tranzistorja.
Najboljša vrednost za prednapetost tranzistorja je dvakratna največja izhodna napetost AC.
Če spremenite prednapetost tranzistorja, se bo premaknila tudi točka Q.
Revolucionirajte svojo elektroniko: izkoristite moč pristranskosti baze
Še vedno težko razumeti? Naj malo spremenim zorni kot:
Ste siti, da se vam tranzistorji ves čas kvarijo, ker delujejo čudno in ne delujejo pravilno? Samo poglejte, kako neverjetna je moč pristranskosti baze.
Da, dajanje enosmerne napetosti na kontakt večinskega nosilca vašega tranzistorja lahko povzroči razliko med gladkim, zanesljivim delovanjem in ognjevitim zlomom.
Zakaj torej ne bi pozabili na previdnost in skočili v divji svet pristranskosti?
V redu, to je bila samo šala, ki je izgledala kot TV oglas.
Zdaj pa se vrnimo k razlagi.
Dejavniki, ki vplivajo na pristranskost baze
Učinki temperature na pristranskost baze
Temperatura spremeni napetost baza-emiter (VBE) in povratni tok nasičenja kolektor-baza.
To spremeni točko Q osnovnega prednapetostnega vezja (ICBO).
Ko se temperatura dvigne, se VBE zniža s hitrostjo 2,5 mV/, medtem ko se ICBO poveča.
Zaradi tega se osnovni tok IB poveča, kar prisili IC k spremembi, kar premakne točko Q vezja.
Da ne bi prišlo do termičnega bežanja, je treba sprejeti ukrepe za zagotovitev, da je prednapetost stabilna proti širjenju hFE.
Spremembe VBE manj vplivajo na pristranskost baze in prednapetost kolektor-baza kot pristranskost napetostnega delilnika.
Zaradi tega sta prednapetost baze in prednapetost kolektor-baza boljša izbira za vezja, ki morajo biti stabilna pri različnih temperaturah.
Ko je Q-točka bipolarnega tranzistorja blizu sredine njegovega delovnega območja, nanj manj vplivajo spremembe temperature.
Izračun napetosti osnovnega upora
Ohmov zakon in Kirchhoffov napetostni zakon se uporabljata, da ugotovimo, kakšna je napetost osnovnega upora v vezju s fiksno pristranskostjo baze.
Najlažji način za prednapetost tranzistorja je z vezjem prednapetosti s fiksno bazo.
V tem vezju ostaja prednapetost baze enaka, medtem ko tranzistor deluje.
Če želite vzpostaviti to vezje, priključite upor prednapetosti baze med bazo in osnovno baterijo VBB ali drugim virom konstantne napetosti.
Če imamo tranzistor =100 in želimo doseči tok oddajnika 1 mA, lahko uporabimo Ohmov zakon in Kirchhoffov napetostni zakon, da ugotovimo, kako velik mora biti upor za prednapetost baze.
Najprej moramo ugotoviti, kaj je VBB.
Z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona lahko zapišemo: VCC = IB * RB + VBE.
Ker je IB približno enak IE/, kjer je IE tok oddajnika, enosmerni ojaček tranzistorja in je VBE približno 0,7 V za silicijeve tranzistorje, lahko zapišemo: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 V.
RB = (VCC - VBB - 0,7 V)/(IE/) je tisto, kar dobite, ko rešite za RB.
Uporabite lahko tudi spletne kalkulatorje, kot je Transistor Biasing Calculator podjetja Omni Calculator.
Ta kalkulator deluje samo z bipolarnimi spojnimi tranzistorji (BJT) in ponuja različne načine za nastavitev pristranskosti, kot je prednapetost fiksne baze, prednapetost kolektorja, prednapetost povratne zveze emiterja in prednapetost delilnika napetosti.
Če želite uporabiti ta kalkulator za metodo prednapetosti s fiksno bazo, lahko vnesete znane vrednosti, kot so napajalna napetost (VCC), želeni kolektorski tok (IC), ojačenje enosmernega toka () in napetost nasičenja (VCEsat).
Kalkulator vam bo dal rezultate, kot so oddajni tok (IE), kolektorski upor (RC), oddajni upor (RE) in osnovni upor (RB).
Metode za zagotavljanje prednapetosti za tranzistor
Obstaja veliko različnih načinov, kako tranzistorju dati pristranskost.
Med njimi so:
- Base Bias ali "Fixed Current Bias" ni zelo dobra metoda, ker prednapetosti in tokovi ne ostanejo enaki, medtem ko tranzistor deluje.
- Base Bias s povratno informacijo oddajnika: Ta metoda ohranja stabilno delovno točko enosmernega toka, tudi če se upor spreminja s spremembo temperature.
- Pristranskost baze s povratno informacijo zbiralnika: Ime te metode izvira iz dejstva, da ker RB temelji na zbiralniku, obstaja učinek negativne povratne informacije, zaradi česar je bolj stabilen kot samo pristranskost baze.
- Prednapetost zbiralnik-baza: Pri tej metodi je prednapetost postavljena med zbiralnik in bazo tranzistorja.
Ta metoda daje stabilno prednapetost in se lahko uporablja v tokokrogih, ki potrebujejo stabilnost temperature.
- Pristranskost delilnika napetosti: Pri tej metodi je osnovna napetost nastavljena z mrežo delilnika napetosti, sestavljeno iz dveh uporov.
Napredne tehnike za pristranskost baze
Pristranskost baze je pomemben način, da bipolarni tranzistorji delujejo v svojem linearnem območju, ki je potrebno za ojačanje.
Vendar so vezja prednapetosti baze občutljiva na spremembe temperature in parametrov tranzistorja, kar lahko povzroči spremembe kolektorskega toka, ki jih je težko predvideti.
Da bi izboljšali osnovno pristranskost, so se ljudje domislili drugih načinov, kako narediti bolj stabilno in predvidljivo.
V tem članku bomo govorili o naprednih tehnikah za pristranskost baze, kot so pristranskost oddajnika in povratne informacije, pristranskost oddajnika, pristranskost delilnika napetosti in pristranskost skupne baze za mešanje in množenje signalov.
Oddajnik-povratna pristranskost
Pristranskost povratne informacije emiterja je način za nastavitev tranzistorja, ki uporablja povratno informacijo emiterja in povratno informacijo baze-kolektorja, da ohranja kolektorski tok stabilen.
Pri tej metodi se v vezje prednapetosti baze doda upor oddajnika.
Zaradi tega je prednapetost baze bolj predvidljiva z ustvarjanjem negativne povratne informacije, ki izniči vsako spremembo kolektorskega toka, ki jo povzroči sprememba osnovne napetosti.
Emiter-feedback prednapetost je boljša od osnovne pristranskosti, ker naredi bazno prednapetost bolj stabilno in manj občutljivo na spremembe temperature in parametrov tranzistorja.
Ta metoda to naredi z uporabo negativne povratne informacije iz emitorskega upora, zaradi česar so te spremembe manj opazne.
Pristranskost oddajnika
Pristranskost oddajnika je zelo stabilna tudi pri spremembi temperature in uporablja tako pozitivno kot negativno napajalno napetost.
V BJT tranzistorju s skupnim oddajnikom je oddajnik povezan z ozemljitvijo, tako da se vhodna napetost meri na bazi glede na ozemljitev (emiter), izhodna napetost pa se meri na kolektorju glede na ozemljitev (kolektor) ( oddajnik).
Prednapetost oddajnika lahko naredi Q-točko aktivnega območja ojačevalnika bolj stabilno, tako da zagotovi, da je osnova tranzistorja vedno pravilno pristranska.
To je boljše od osnovnega pristranskosti, ker ohranja pristranskost.
Pristranskost delilnika napetosti
Osnovno prednapetostno vezje je manj stabilno kot prednapetostno vezje delilnika napetosti.
Osnovna napetost, ki ni povezana z napetostjo kolektorja, je nastavljena z omrežjem delilnika napetosti v tem vezju.
Zaradi tega imajo spremembe kolektorske napetosti in parametrov tranzistorja manjši učinek na prednapetostno točko.
Večino časa je izhodna impedanca napetostnega delilnika veliko višja od izhodne impedance osnovnega prednapetostnega vezja.
Zaradi tega je napetostni delilnik bolj stabilen.
Base Bias
Osnovna prednapetostna vezja so lažja za izdelavo in imajo manj delov kot prednapetostna vezja delilnika napetosti, vendar so manj stabilna.
Osnovna prednapetost je neposredno povezana z napetostjo kolektorja.
Če se napetost kolektorja ali parametri tranzistorja spremenijo, se bo spremenila tudi prednapetost baze, zaradi česar je vezje nestabilno.
Pristranskost skupne baze za mešanje in množenje signalov
Za mešanje in množenje signalov v skupnem osnovnem vezju dobi nelinearni element, kot je dioda, ali aktivna naprava, kot je tranzistor ali FET, pravo količino pristranskosti.
To se zgodi, ko sta dva signala poslana skozi nelinearni element.
Pri vsoti in različni frekvenci prvotnih signalov se ustvarita dva nova signala na novih frekvencah.
Uporaba konfiguracije pristranskosti oddajnika z obvodnim kondenzatorjem je eden od načinov za nastavitev skupnega osnovnega vezja za mešanje in množenje.
Konfiguracija prednapetosti delilnika napetosti z obvodnim kondenzatorjem je še en način za to.
Skratka, z uporabo novih tehnik je bila osnovna pristranskost bolj stabilna in predvidljiva.
Tudi ko se spremenijo temperatura in parametri tranzistorja, pristranskost emiter-feedback in pristranskost emiterja ohranjata pristranskost zelo stabilno.
Prednapetost baze je manj stabilna kot prednapetost delilnika napetosti, prednapetost baze pa se uporablja za mešanje in množenje signalov.
Spoj baza-kolektor in padec napetosti baza-emiter
V bipolarnem spojnem tranzistorju je spoj med bazo in kolektorjem vedno obratno prednapet.
To pomeni, da se lahko na spoj uporabi visoka povratna prednapetost, preden se zlomi.
Povratna prednapetost deluje kot prednapetost za manjšinske nosilce v bazi, jih pospeši skozi stičišče baza-kolektor in v območje kolektorja.
Ko sta spoja emiter-baza in kolektor-baza usmerjena naprej, tok teče od emitorja do kolektorja.
To omogoča tranzistorju, da opravlja svoje delo.
V tem stanju, imenovanem nasičenost, sta oba spoja nagnjena naprej, napetost med bazo in emitorjem pa je vsaj 0,7 V za silicijeve tranzistorje ali 0,3 V za germanijeve tranzistorje.
Prednapetost spoja baza-emiter
Padec prednapetosti na stičišču baza-emiter vpliva na delovanje tranzistorja tako, da zniža pregrado na stičišču emiter-baza.
To omogoča, da več nosilcev pride do kolektorja in poveča pretok toka od emitorja do kolektorja in skozi zunanje vezje.
Da bi tranzistor deloval kot ojačevalnik, mora biti vsak njegov spoj spremenjen z napetostjo, ki prihaja izven tranzistorja.
Prvi PN spoj, ki je med emitorjem in bazo, je nagnjen v smeri naprej.
Drugi PN spoj, ki je med bazo in kolektorjem, je prednapet v nasprotni smeri.
Za vklop tranzistorja mora biti padec napetosti naprej od baze do emitorja (VBE) večji od nič, običajno okoli 0,6 V.
Da tranzistor deluje, mora biti bazno-emiterska dioda nagnjena naprej.
Ko je VBE višji od 0,6 V, tranzistorji delujejo v aktivnem načinu in pospešujejo signale.
Ko je VBE manjši od 0,6 V, so po drugi strani tranzistorji v stanju, imenovanem "cutoff mode", v katerem skozi njih ne teče noben tok.
Da je tranzistor v obratnem aktivnem načinu, mora biti napetost na emiterju višja od napetosti na bazi, ki mora biti višja od napetosti na kolektorju.
Tehnike pristranskosti baze
Za stabilizacijo kolektorskega toka in olajšanje napovedovanja se lahko uporabijo različne metode prednapetosti baze, kot sta pristranskost oddajnika in povratne informacije in pristranskost delilnika napetosti.
Kolektorski tok se vzdržuje enakomerno s pristranskostjo povratne zveze oddajnik-kolektor z uporabo povratne zveze oddajnik in baza-kolektor.
Ko se v vezje prednapetosti baze doda upor oddajnika, se učinek sprememb temperature in parametrov tranzistorja zmanjša.
Zaradi tega je pristranskost oddajnika in povratne informacije stabilnejša od same pristranskosti baze.
Pristranskost delilnika napetosti uporablja omrežje delilnika napetosti za nastavitev osnovne napetosti, ki je neodvisna od napetosti kolektorja in daje visoko stabilnost prednapetosti.
Ta nastavitev je stabilnejša od osnovnega prednapetja, ker ne uporablja drugega napajanja, kar lahko povzroči težave.
Tokovni dobiček, e, tranzistorja je enak kolektorskemu toku, deljenemu z osnovnim tokom.
To pomeni, da lahko majhna količina baznega toka nadzoruje veliko večji kolektorski tok, ki je osnova za delovanje tranzistorja.
Da kolektorski tok teče, morajo biti vsi trije deli tranzistorja usmerjeni naprej.
To pomeni, da mora tok teči v bazo, da lahko pride do prevodnosti.
Kolektorski tok tranzistorja se poveča, ko se poveča prednapetost.
Omejitve napetosti baza-kolektor
Kako visoko lahko doseže napetost baza-kolektor, preden prednapetost oddajnika preneha delovati, je odvisno od uporabljenega tranzistorja in njegovih specifikacij.
Večino časa bo proizvajalec navedel največjo nazivno napetost baza-kolektor (Vbc) za tranzistor.
Ta vrednost je lahko od nekaj voltov do nekaj sto voltov.
Ko napetost med bazo in kolektorjem preseže največjo nazivno vrednost, se lahko tranzistor pokvari in morda za vedno poškoduje.
Toda prednapetost oddajnika lahko še vedno deluje znotraj varnega delovnega območja tranzistorja, tudi če je napetost baza-kolektor višja od največje nazivne vrednosti.
Izračuni in analiza pristranskosti baze
Izračun obremenitvenega upora pri prednapetosti baze
V prednapetostnem vezju baznega upora BJT lahko upor obremenitve izračunate s formulo RL = (V CC - V BE) / IE, kjer je V CC napetost iz napajalnika, V BE napetost na baznem oddajniku stičišče, IE pa je emitorski tok.
Ta formula pomaga ugotoviti, koliko prednapetostnih uporov je potrebnih za določeno količino oddajnega toka.
Konfiguracija prednapetosti delilnika napetosti
Z uporabo Theveninovega izreka lahko najdete konfiguracijo prednapetosti za napetostni delilnik.
Pri tej metodi sta dva upora zaporedno povezana med virom napajanja in ozemljitvijo, en upor pa je povezan z bazo tranzistorja.
Pri tej postavitvi je upor obremenitve običajno naslednji del vezja ali vir toka.
Prednapetostne upore je mogoče izračunati s formulo R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, kjer je R1 upor med bazo in delilnikom napetosti, R2 je drugi upor v delilniku napetosti in V BE je napetost na spoju baza-emiter (običajno okoli 0,6-0,7 V za silicijev tranzistor).
Konfiguracija pristranskosti povratnih informacij zbiralnika
V konfiguraciji prednapetosti povratne informacije kolektorja se tok oddajnika nastavi tako, da se upor postavi med kolektor in bazo tranzistorja.
Na ta način daje povratne informacije in ohranja točko pristranskosti.
Ohmov zakon je mogoče uporabiti za določitev upora obremenitve, padec napetosti na kolektorskem uporu pa za določitev napetosti kolektorja.
Upoštevajte, da obstajajo tudi drugi načini za pristranskost vezja BJT in metoda, ki jo izberete, bo odvisna od tega, kaj potrebuje vezje.
Pristransko vezje povratne informacije zbiralnika
Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če govorjenega jezika niste seznanjeni. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.
Primeri uporabe
| Uporablja se v: | Opis: |
|---|---|
| Ojačevalci: | V ojačevalnih vezjih se za nastavitev točke Q, ki je raven, na kateri deluje tranzistor, uporablja prednapetost baze. S spreminjanjem prednapetosti lahko inženirji nadzirajo ojačevalni faktor in zagotovijo, da prihajajoči signal ostane v želenem obsegu. |
| Vklop in izklop: | V preklopnih vezjih, kjer se tranzistorji uporabljajo za vklop in izklop električnih signalov, je zelo pomembna tudi prednapetost baze. V tem primeru prednapetost nadzoruje mejno napetost, potrebno za vklop tranzistorja. To omogoča, da vezje preklaplja med vklopom in izklopom. |
| Viri moči: | V napajalnih tokokrogih se uporablja prednapetost baze, da se zagotovi, da izhodna napetost ostane stabilna in v pravem območju. Z nastavitvijo prednapetosti na določeno raven lahko inženirji nadzorujejo, koliko toka teče skozi napravo, in preprečijo, da bi napetost naraščala in padala. |
| Oscilatorji: | V oscilatorskih vezjih se za ohranjanje frekvence naprave na pravi ravni uporablja osnovna prednapetost. Inženirji lahko zagotovijo, da oscilator naredi enakomerno valovno obliko s spreminjanjem prednapetosti. |
| Senzorska vezja: | V senzorskih vezjih, kjer se tranzistorji uporabljajo za zaznavanje sprememb napetosti ali toka, se lahko uporabi tudi prednapetost baze. Inženirji lahko nadzorujejo, kako občutljiv in natančen je senzor, tako da nastavijo prednapetost na določeno raven. To omogoča senzorju, da zazna tudi majhne spremembe vhodnega signala. |
Zaključek
Na koncu je pristranskost baze pomemben del delovanja tranzistorja, ki ga ni mogoče prezreti.
Pravilna prednapetost baze je pomembna za zanesljivo delovanje, saj nadzoruje pretok toka in ohranja napravo stabilno.
Pomembno pa je tudi razmisliti o tem, kaj pomeni prednapetost baze za elektroniko na splošno.
Ker postaja naš svet vedno bolj odvisen od tehnologije, moramo skrbno premisliti, kako načrtujemo in uporabljamo te naprave, da bodo njihovi učinki na okolje in naše skupnosti čim manjši.
Z uporabo idej o pristranskosti baze v našem načrtovanju in proizvodnih procesih lahko izdelamo elektroniko, ki ni samo uporabna, temveč tudi okolju prijazna in dobra za družbo.
Kot inženirji in tehnologi je naša naloga, da razmišljamo o tem, kako naše delo vpliva na vse, in osnovna pristranskost je le majhen del tega.
Zato še naprej premikajmo meje možnega in pri tem imejmo v mislih celotno sliko.
Povezave in reference
Prednapetost tranzistorja in izhodna prednapetost:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Prednapetost bipolarnega tranzistorja:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Polprevodniške naprave, predavanje 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Delite na...
