Якщо ви студент технічного факультету або інженер, ви, мабуть, знаєте про транзистори та їхнє значення в сучасній електроніці.
Але чи замислювалися ви коли-небудь над тим, наскільки важливе базове зміщення для того, наскільки добре працюють ці пристрої? Зміщення бази — це пряма напруга, що прикладається до основного контакту носія транзистора.
Це важливо для контролю потоку струму через пристрій.
Без правильного зміщення бази транзистор не може працювати належним чином, що може призвести до дивної поведінки або навіть відмови.
У цій публікації в блозі я розповім про те, що таке зсув бази і чому це так важливо для роботи транзисторів.
Незалежно від того, чи ви досвідчений інженер, чи тільки починаєте працювати в галузі електроніки, вам потрібно розуміти базове зміщення, щоб досягти успіху.
Тож давайте зануримося та дізнаємося разом про захоплюючий світ базового упередження.
Розуміння зміщення бази та його функції в транзисторах
Формальне визначення:
Постійна напруга, яка прикладена до основного контакту (бази) транзистора.
Метод базового зсуву
Зміщення біполярного транзистора (BJT) у транзисторній схемі є простим і легким у зміщенні бази.
Цей метод гарантує, що правильна базова напруга, VBB, надсилається на базу, яка потім надсилає правильний базовий струм на BJT, щоб він міг увімкнутися.
У «ланцюзі зміщення фіксованої бази» резистор зміщення бази RB підключається між базою та базовою батареєю VBB.
Це гарантує, що базовий струм транзистора залишається незмінним для заданих значень VCC.
Методи отримання нульового сигналу базового струму
Є кілька способів отримати потрібний струм бази IB нульового сигналу, наприклад зміщення від колектора до бази, зміщення за допомогою резистора зворотного зв’язку колектора або зміщення за допомогою дільника напруги.
Коли дивитися на лінійну область цієї схеми, це показує, що постійний струм безпосередньо впливає на неї.
Застосовуючи закон Кірхгофа про напругу до базового кола, ми можемо отримати рівняння, яке показує зв’язок між IB та VBB.
Якщо ви знаєте VBB і RB, ви можете використовувати це рівняння, щоб визначити IB.
Призначення резистора зсуву
Резистор зміщення підтримує достатній струм, що надходить у базу, щоб транзистор BJT не перевантажувався та не вимикався.
Резистор зсуву підтримує транзистор у певній робочій точці або зміщенні постійного струму.
Деякі BJT мають внутрішній резистор зміщення, щоб зменшити кількість частин у конструкції, але зовнішні резистори зміщення необхідні для вмикання та вимикання BJT.
Вбудований транзистор із резистором зсуву (BRT) — це біполярний транзистор, який має вбудований резистор бази та резистор бази-емітера.
Завдяки цим резисторам, вбудованим у транзистор, BRT зменшує кількість необхідних зовнішніх частин і полегшує налаштування дискретних схем.
Зміщення транзисторів
Зміщення транзистора - це процес надання транзистору постійної напруги, так що перехід емітер-база має пряме зміщення, а перехід колектор-база - зворотне.
Це утримує транзистор в його активній області, щоб він міг працювати як підсилювач.
Правильне використання конденсаторів зв’язку та обхідних конденсаторів допоможе зупинити будь-які струми зміщення, що надходять у базу транзистора або виходять із неї.
Зміщення транзистора дозволяє йому працювати як аналоговим, так і цифровим способом.
Без зміщення підсилювачі BJT не можуть передати потрібну кількість потужності на клеми навантаження.
Вплив зміщення на продуктивність підсилювача
Те, як налаштована база, впливає на те, наскільки добре працює транзисторний підсилювач.
«Зміщення класу А» — це процес налаштування підсилювача таким чином, щоб робоча точка знаходилася в середині прямої частини характеристичної кривої транзистора.
Підсилювачі класу А зміщуються шляхом подачі напруги постійного струму на з’єднання база-емітер транзистора так, що їх робоча точка без сигналу (спокій) знаходиться на лінійній частині поведінки транзистора.
Найкраще значення для напруги зсуву транзистора вдвічі перевищує пікову вихідну напругу змінного струму.
Якщо змінити напругу зміщення транзистора, Q-точка також переміститься.
Зробіть революцію у своїй електроніці: використовуйте потужність базового зміщення
Усе ще важко зрозуміти? Дозвольте трохи змінити точку зору:
Вам набридло, що ваші транзистори постійно ламаються, тому що вони дивно діють і працюють неправильно? Тільки подивіться, яка дивовижна сила базового зміщення.
Так, подача постійної напруги на основний контакт вашого транзистора може зробити різницю між плавною, надійною роботою та вогняним розплавленням.
Тож чому б не відкинути обережність і не стрибнути у дикий світ базових упереджень?
Гаразд, це був просто жарт, схожий на телевізійну рекламу.
Тепер повернемося до пояснення.
Фактори, що впливають на базове зміщення
Вплив температури на зміщення основи
Температура змінює напругу база-емітер (VBE) і зворотний струм колектор-база, струм насичення.
Це змінює точку Q базової схеми зміщення (ICBO).
Коли температура підвищується, VBE падає зі швидкістю 2,5 мВ/, тоді як ICBO зростає.
Це змушує базовий струм IB зростати, що змушує IC змінюватися, що переміщує точку Q ланцюга.
Щоб запобігти виникненню теплової розбіжності, необхідно вжити заходів, щоб переконатися, що зсув є стабільним щодо поширення hFE.
На зміщення бази та колектора на базу менше впливають зміни VBE, ніж на зміщення дільника напруги.
Це робить зміщення бази та зміщення колектор-база кращим вибором для схем, які мають бути стабільними при різних температурах.
Коли Q-точка біполярного транзистора знаходиться поблизу середини робочого діапазону, на нього менше впливають зміни температури.
Розрахунок напруги базового резистора
Закон Ома та закон напруги Кірхгофа використовуються для визначення напруги базового резистора в ланцюзі з фіксованим зміщенням бази.
Найпростіший спосіб зміщення транзистора - це схема зміщення з фіксованою базою.
У цій схемі зміщення бази залишається незмінним, поки транзистор працює.
Щоб налаштувати цю схему, ви підключаєте резистор зміщення бази між базою та базовою батареєю VBB або іншим джерелом постійної напруги.
Якщо у нас є транзистор =100 і ми хочемо отримати струм емітера 1 мА, ми можемо використати закон Ома та закон напруги Кірхгофа, щоб визначити, якого розміру має бути резистор зміщення бази.
По-перше, ми повинні з'ясувати, що таке VBB.
Ми можемо записати: VCC = IB * RB + VBE, використовуючи закон напруги Кірхгофа.
Оскільки IB приблизно дорівнює IE/, де IE — струм емітера, коефіцієнт підсилення транзистора за постійним струмом, а VBE — приблизно 0,7 В для кремнієвих транзисторів, ми можемо записати: VBB = VCC — (IE/)*RB — 0,7 В.
RB = (VCC - VBB - 0,7 В)/(IE/) – це те, що ви отримуєте, коли розв’язуєте RB.
Ви також можете скористатися онлайн-калькуляторами, такими як Transistor Biasing Calculator від Omni Calculator.
Цей калькулятор працює лише з біполярними транзисторами (BJT) і пропонує різні способи встановлення зміщення, наприклад зміщення фіксованої бази, зміщення зворотного зв’язку колектора, зміщення зворотного зв’язку емітера та зміщення дільника напруги.
Щоб використовувати цей калькулятор для методу зміщення з фіксованою базою, ви можете ввести такі відомі значення, як напруга живлення (VCC), бажаний струм колектора (IC), коефіцієнт посилення постійного струму () і напруга насичення (VCEsat).
Калькулятор надасть такі результати, як струм емітера (IE), опір колектора (RC), опір емітера (RE) і опір бази (RB).
Методи забезпечення зміщення транзистора
Існує багато різних способів надати транзистору зміщення.
Серед них:
- Базове зміщення або «фіксоване зміщення струму» не є дуже хорошим методом, оскільки напруга зміщення та струм не залишаються незмінними, поки транзистор працює.
- Базове зміщення зі зворотним зв’язком емітера: цей метод підтримує робочу точку постійного струму стабільною, навіть якщо опір змінюється зі зміною температури.
- Базове зміщення зі зворотним зв’язком колектора: назва цього методу походить від того факту, що оскільки RB базується на колекторі, існує ефект негативного зворотного зв’язку, який робить його більш стабільним, ніж лише базове зміщення.
- Зміщення колектор-база: у цьому методі напруга зсуву подається між колектором і базою транзистора.
Цей метод дає стабільну напругу зміщення і може використовуватися в схемах, які потребують стабільності температури.
- Зміщення дільника напруги: у цьому методі базова напруга встановлюється за допомогою мережі дільника напруги, що складається з двох резисторів.
Удосконалені методи зміщення основи
Зміщення бази є важливим способом змусити біполярні транзистори працювати в їх лінійній області, яка потрібна для підсилення.
Але схеми зміщення бази чутливі до змін температури та параметрів транзистора, що може спричинити зміни струму колектора, які важко передбачити.
Щоб покращити базове упередження, люди придумали інші способи зробити його більш стабільним і передбачуваним.
У цій статті ми поговоримо про вдосконалені методи зміщення бази, такі як зміщення емітерного зворотного зв’язку, зміщення емітера, зміщення дільника напруги та зміщення загальної бази для змішування та множення сигналів.
Зміщення випромінювача-зворотного зв'язку
Зміщення емітер-зворотний зв'язок - це спосіб налаштувати транзистор, який використовує як зворотний зв'язок емітер, так і зворотний зв'язок база-колектор, щоб підтримувати струм колектора стабільним.
У цьому методі емітерний резистор додається до схеми зміщення бази.
Це робить базове зміщення більш передбачуваним, створюючи негативний зворотний зв’язок, який скасовує будь-яку зміну струму колектора, викликану зміною напруги бази.
Зміщення зворотного зв'язку емітера краще, ніж зміщення бази, оскільки воно робить зміщення бази більш стабільним і менш чутливим до змін температури та параметрів транзистора.
Цей метод робить це за допомогою негативного зворотного зв’язку від емітерного резистора, що робить ці зміни менш помітними.
Зсув випромінювача
Зсув емітера дуже стабільний навіть при зміні температури, і він використовує як позитивну, так і негативну напругу живлення.
У транзисторі BJT із загальним емітером емітер з’єднаний із землею, тому вхідна напруга вимірюється на базі щодо землі (емітер), а вихідна напруга вимірюється на колекторі щодо землі (колектор) ( випромінювач).
Зміщення емітера може зробити точку Q активної області підсилювача більш стабільною, переконавшись, що база транзистора завжди правильно зміщена.
Це краще, ніж базове зміщення, оскільки зберігає зміщення стабільним.
Зміщення дільника напруги
Базовий ланцюг зміщення менш стабільний, ніж ланцюг зміщення дільника напруги.
Базова напруга, яка не пов'язана з напругою колектора, встановлюється мережею дільника напруги в цій схемі.
Це робить так, що зміни напруги колектора та параметрів транзистора менше впливають на точку зсуву.
У більшості випадків вихідний опір дільника напруги набагато вищий, ніж вихідний опір базового кола зміщення.
Це робить дільник напруги більш стабільним.
Базове зміщення
Схеми зміщення бази легше зробити і мають менше частин, ніж схеми зміщення дільника напруги, але вони менш стабільні.
Напруга зміщення бази безпосередньо пов'язана з напругою колектора.
Якщо напруга колектора або параметри транзистора змінюються, напруга зміщення бази також зміниться, що зробить схему нестабільною.
Зміщення загальної бази для змішування та множення сигналів
Для змішування та множення сигналів у схемі загальної бази нелінійний елемент, як-от діод, або активний пристрій, як-от транзистор або польовий транзистор, отримує потрібну величину зміщення.
Це відбувається, коли через нелінійний елемент надсилаються два сигнали.
На сумарних і різницевих частотах вихідних сигналів утворюються два нових сигнали на нових частотах.
Використання конфігурації зміщення емітера з байпасним конденсатором є одним із способів налаштувати загальну базову схему для змішування та множення.
Конфігурація зміщення дільника напруги з байпасним конденсатором є іншим способом зробити це.
Коротше кажучи, базове зміщення стало більш стабільним і передбачуваним завдяки використанню нових методів.
Навіть коли температура та параметри транзистора змінюються, зміщення емітерного зворотного зв’язку та зміщення емітера зберігають зміщення дуже стабільним.
Базове зміщення менш стабільне, ніж зміщення дільника напруги, а базове зміщення використовується для змішування та множення сигналів.
З’єднання база-колектор і падіння напруги база-емітер
У біполярному транзисторі перехід між базою та колектором завжди має зворотне зміщення.
Це означає, що висока напруга зворотного зміщення може бути прикладена до переходу до його розриву.
Напруга зворотного зміщення діє як прямий зсув для неосновних носіїв в базі, прискорюючи їх через перехід база-колектор і в колекторну область.
Коли як з’єднання емітер-база, так і колектор-база зміщені прямо, струм тече від емітера до колектора.
Це дозволяє транзистору виконувати свою роботу.
У цьому стані, який називається насиченням, обидва переходи зміщені вперед, а напруга між базою та емітером становить щонайменше 0,7 В для кремнієвих транзисторів або 0,3 В для германієвих транзисторів.
Зміщення переходу база-емітер
Падіння напруги прямого зміщення на переході база-емітер впливає на роботу транзистора, знижуючи бар'єр на переході емітер-база.
Це дозволяє більшій кількості носіїв потрапляти до колектора та збільшує потік струму від емітера до колектора та через зовнішнє коло.
Щоб транзистор працював як підсилювач, кожен з його переходів повинен змінюватися напругою, яка надходить ззовні транзистора.
Перший PN-перехід, який знаходиться між емітером і базою, зміщений у прямому напрямку.
Другий PN-перехід, який знаходиться між базою та колектором, зміщений у протилежному напрямку.
Щоб увімкнути транзистор, пряме падіння напруги від бази до емітера (VBE) має бути більше нуля, зазвичай близько 0,6 В.
Щоб транзистор працював, діод база-емітер повинен бути зміщений вперед.
Коли VBE вище 0,6 В, транзистори працюють в активному режимі та посилюють сигнали.
З іншого боку, коли VBE менше 0,6 В, транзистори перебувають у стані, який називається «режим відсічення», у якому через них не протікає струм.
Щоб транзистор перебував у зворотному активному режимі, напруга на емітері має бути вищою за напругу на базі, яка має бути вищою за напругу на колекторі.
Методи базового зміщення
Для стабілізації струму колектора та полегшення його прогнозування можна використовувати різні методи зміщення бази, такі як зміщення емітерного зворотного зв’язку та зміщення дільника напруги.
Колекторний струм підтримується постійним із зміщенням зворотного зв’язку емітер-колектор за допомогою зворотного зв’язку як емітер, так і база-колектор.
Коли емітерний резистор додається до ланцюга зміщення бази, вплив змін температури та параметрів транзистора зменшується.
Це робить зміщення емітерного зворотного зв’язку більш стабільним, ніж лише зміщення бази.
Зміщення дільника напруги використовує мережу дільника напруги для встановлення базової напруги, яка не залежить від напруги колектора та забезпечує високу стабільність зміщення.
Це налаштування більш стабільне, ніж базове зміщення, оскільки воно не використовує другого джерела живлення, яке може спричинити проблеми.
Посилення струму транзистора e дорівнює струму колектора, поділеному на струм бази.
Це означає, що невеликий струм бази може контролювати набагато більший струм колектора, який є основою роботи транзистора.
Для проходження колекторного струму всі три частини транзистора повинні бути зміщені прямо.
Це означає, що для проведення провідності в базу має пройти струм.
Струм колектора транзистора зростає, коли зростає напруга прямого зміщення.
Обмеження напруги база-колектор
Наскільки високою може бути напруга база-колектор, перш ніж зміщення емітера перестане працювати, залежить від використовуваного транзистора та його характеристик.
У більшості випадків виробник вказує максимальну напругу база-колектор (Vbc) для транзистора.
Ця потужність може становити від кількох вольт до кількох сотень вольт.
Коли напруга між базою та колектором перевищить максимальне значення, транзистор може вийти з ладу та, можливо, бути пошкодженим назавжди.
Але зсув емітера все ще може працювати в межах безпечного робочого діапазону транзистора, навіть якщо напруга база-колектор вище максимального значення.
Розрахунки та аналіз базового зсуву
Розрахунок опору навантаження при зміщенні основи
У схемі зсуву базового резистора BJT опір навантаження можна розрахувати за формулою RL = (V CC - V BE) / IE, де V CC — напруга джерела живлення, V BE — напруга на базі-емітері переходу, а IE – струм емітера.
Ця формула допомагає визначити, скільки резисторів зміщення необхідно для певної величини струму емітера.
Конфігурація зміщення дільника напруги
Використовуючи теорему Тевенена, ви можете знайти конфігурацію зсуву для дільника напруги.
У цьому методі два резистора підключаються послідовно між джерелом живлення та землею, а один резистор підключається до бази транзистора.
У цій установці опір навантаження зазвичай є наступною частиною кола або джерелом струму.
Резистори зміщення можна розрахувати за формулою R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, де R1 — резистор між базою та дільником напруги, R2 — інший резистор у дільнику напруги, а V BE це напруга на переході база-емітер (зазвичай близько 0,6-0,7 В для кремнієвого транзистора).
Конфігурація зсуву зворотного зв'язку колектора
У конфігурації зсуву колекторного зворотного зв’язку струм емітера встановлюється шляхом розміщення резистора між колектором і базою транзистора.
Таким чином забезпечується зворотний зв’язок і зберігається стабільність точки зсуву.
Закон Ома можна використати для визначення опору навантаження, а падіння напруги на колекторному резисторі можна використовувати для визначення напруги колектора.
Майте на увазі, що існують інші способи зміщення схеми BJT, і спосіб, який ви виберете, залежатиме від потреб схеми.
Схема зсуву зворотного зв'язку колектора
Порада: увімкніть кнопку субтитрів, якщо вона вам потрібна. Виберіть «автоматичний переклад» у кнопці налаштувань, якщо ви не знайомі з розмовною мовою. Можливо, вам доведеться спершу натиснути мову відео, перш ніж ваша улюблена мова стане доступною для перекладу.
Випадки використання
| Використовується в: | опис: |
|---|---|
| Підсилювачі: | У схемах підсилювачів зміщення бази використовується для встановлення точки Q, яка є рівнем, на якому працює транзистор. Змінюючи напругу зміщення, інженери можуть контролювати коефіцієнт посилення та переконатися, що вихідний сигнал залишається в потрібному діапазоні. |
| Вмикання та вимкнення: | У комутаційних схемах, де транзистори використовуються для вмикання та вимикання електричних сигналів, зсув бази також дуже важливий. У цьому випадку напруга зсуву контролює порогову напругу, необхідну для включення транзистора. Це дозволяє ланцюгу перемикатися між увімкненням і вимкненням. |
| Джерела живлення: | У ланцюгах джерела живлення базове зміщення використовується, щоб переконатися, що вихідна напруга залишається стабільною та в потрібному діапазоні. Встановлюючи напругу зміщення на певному рівні, інженери можуть контролювати, скільки струму протікає через пристрій, і зупиняти підвищення та зниження напруги. |
| Осцилятори: | У схемах генераторів базове зміщення використовується для підтримки частоти пристрою на потрібному рівні. Інженери можуть переконатися, що осцилятор створює стабільну форму сигналу, змінюючи напругу зміщення. |
| Сенсорні схеми: | У схемах датчиків, де транзистори використовуються для виявлення змін напруги або струму, також можна використовувати зміщення бази. Інженери можуть контролювати, наскільки чутливим і точним є датчик, встановлюючи напругу зміщення на певному рівні. Це дозволяє датчику вловлювати навіть незначні зміни у вхідному сигналі. |
Висновок
Зрештою, зміщення бази є важливою частиною роботи транзистора, яку не можна ігнорувати.
Правильне зміщення бази є важливим для надійної роботи, оскільки воно контролює потік струму та підтримує стабільність пристрою.
Але також важливо подумати про те, що означає базове зміщення для електроніки загалом.
Оскільки наш світ стає все більш залежним від технологій, нам потрібно ретельно продумати, як ми розробляємо та використовуємо ці пристрої, щоб звести їхній вплив на навколишнє середовище та наші спільноти до мінімуму.
Використовуючи ідеї базового упередження в наших процесах проектування та виробництва, ми можемо створювати електроніку, яка буде не лише корисною, але й екологічно чистою та корисною для суспільства.
Як інженерів і технологів, наша робота полягає в тому, щоб думати про те, як наша робота впливає на кожного, і базове упередження є лише маленькою частиною цього.
Тож давайте продовжувати розширювати межі можливого, пам’ятаючи про загальну картину.
Посилання та посилання
Зсув транзистора та вихідна напруга зміщення:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Зміщення біполярного транзистора:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Твердотільні пристрої. Лекція 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
Поділіться на…
