Смещение биполярного транзистора - Bipolar transistor biasing

А линия нагрузки диаграмма, иллюстрирующая рабочую точку в активной области транзистора

Биполярные транзисторы должно быть правильно пристрастный работать правильно. В схемах, выполненных с отдельными устройствами (дискретные схемы), цепи смещения, состоящие из резисторы обычно используются. Гораздо более сложные механизмы смещения используются в интегральные схемы, Например, опорные напряжения запрещенной зоны и текущие зеркала. Конфигурация делителя напряжения обеспечивает правильное напряжение за счет использования резисторов в определенных схемах. Путем выбора правильных номиналов резистора можно достичь стабильных уровней тока, которые незначительно изменяются при изменении температуры и с такими свойствами транзистора, как β.

В рабочая точка устройства, также известного как точка смещения, точка покоя, или же Q-точка, это точка на выходных характеристиках, которая показывает ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение коллектор-эмиттер (V_ce) и ток коллектора (я_c) без подачи входного сигнала.

Требования к цепи смещения

Схема смещения стабилизирует рабочую точку транзистора для изменений характеристик транзистора и рабочей температуры. Коэффициент усиления транзистора может значительно различаться между разными партиями, что приводит к сильно разным рабочим точкам для последовательных устройств при серийном производстве или после замены транзистора. Из-за Ранний эффект, на коэффициент усиления по току влияет напряжение коллектор – эмиттер. Как усиление, так и напряжение база-эмиттер зависят от температуры. Ток утечки также увеличивается с температурой. Схема смещения выбирается, чтобы уменьшить влияние изменчивости устройства, температуры и изменений напряжения.^[1]

Схема смещения может состоять только из резисторов или может включать в себя такие элементы, как резисторы, зависящие от температуры, диоды или дополнительные источники напряжения, в зависимости от диапазона ожидаемых рабочих условий.

Требования к сигналам для усилителей класса А

Для аналоговой работы усилитель класса А, точка Q размещается таким образом, чтобы транзистор оставался в активный режим (не переключается на работу в области насыщения или области отсечки) при применении ввода. Для цифровой работы точка Q размещается так, что транзистор делает наоборот - переключается из состояния «включено» (насыщение) в состояние «выключено» (отсечка). Часто точка Q устанавливается рядом с центром активной области характеристики транзистора, чтобы обеспечить одинаковые колебания сигнала в положительном и отрицательном направлениях.

Тепловые соображения

При постоянном токе напряжение на переходе эмиттер – база V_БЫТЬ биполярного транзистора уменьшается на 2 мВ (кремний) и 1,8 мВ (германий) на каждый 1 ° C повышения температуры (эталонное значение - 25 ° C). Посредством Модель Эберса – Молла, если напряжение база – эмиттер V_БЫТЬ остается постоянной, и температура повышается, ток через диод база-эмиттер я_B увеличится, и, следовательно, ток коллектора я_C также увеличится. В зависимости от точки смещения мощность, рассеиваемая в транзисторе, также может увеличиваться, что еще больше увеличит его температуру и усугубит проблему. Эта вредная положительная обратная связь приводит к тепловой разгон.^[2] Существует несколько подходов к снижению теплового разгона биполярного транзистора. Например,

Негативный отзыв могут быть встроены в цепь смещения, чтобы повышенный ток коллектора приводил к уменьшению тока базы. Следовательно, увеличивающийся ток коллектора дросселирует его источник.
Радиаторы могут использоваться для отвода лишнего тепла и предотвращения повышения температуры база-эмиттер.
Транзистор может быть смещен так, что его коллектор обычно составляет менее половины напряжения источника питания, что означает, что рассеиваемая мощность коллектор-эмиттер находится на максимальном значении. В этом случае разгон невозможен, поскольку увеличение тока коллектора приводит к уменьшению рассеиваемой мощности; это понятие известно как принцип половинного напряжения.

Приведенные ниже схемы в первую очередь демонстрируют использование отрицательной обратной связи для предотвращения теплового разгона.

Типы схем смещения для усилителей класса А

В следующем обсуждении рассматриваются пять распространенных схем смещения, используемых с усилителями на биполярных транзисторах класса А.

Фиксированный уклон
Смещение от коллектора к базе
Фиксированное смещение с эмиттерным резистором
Делитель напряжения смещения или делитель потенциала
Смещение эмиттера

Фиксированное смещение (базовое смещение)

Фиксированное смещение (базовое смещение)

Эта форма смещения также называется базовое смещение или смещение фиксированного сопротивления. В примере изображения справа один источник питания (например, батарея) используется как для коллектора, так и для базы транзистора, хотя также могут использоваться отдельные батареи.

В данной схеме

V_cc = Я_бр_б + V_быть

Следовательно,

я_б = (V_cc - V_быть)/Р_б

Для данного транзистора V_быть существенно не меняется во время использования. Поскольку V_cc имеет фиксированное значение, при выборе R_б, базовый ток I_б фиксированный. Поэтому этот тип называется фиксированный уклон тип схемы.

Также для данной схемы

V_cc = Я_cр_c + V_ce

Следовательно,

V_ce = V_cc - я_cр_c

В коэффициент усиления по току с общим эмиттером транзистора является важным параметром в схемотехнике и указывается в паспорте конкретного транзистора. На этой странице он обозначен буквой β.

Потому что

я_c = βI_б

мы можем получить I_c также. Таким образом, рабочая точка задается как (V_ce,Я_c) можно установить для данного транзистора.

Преимущества:

Легко сместить рабочую точку в любое место активной области, просто заменив базовый резистор (R_б).
Требуется очень небольшое количество компонентов.

Недостатки:

Ток коллектора не остается постоянным при изменении температуры или напряжения источника питания. Поэтому рабочая точка нестабильна.
Изменения в V_быть изменю я_B и поэтому я_E изменить. Это, в свою очередь, изменит усиление сцены.
При замене транзистора на другой можно ожидать значительного изменения значения β. Из-за этого изменения рабочая точка сместится.
Для малосигнальных транзисторов (например, не силовых транзисторов) с относительно высокими значениями β (т. Е. Между 100 и 200) эта конфигурация будет склонна к тепловой разгон. В частности, коэффициент устойчивости, который является мерой изменения тока коллектора при изменении обратного ток насыщения, приблизительно равно β + 1. Для обеспечения абсолютная стабильность Для усилителя предпочтителен коэффициент стабильности менее 25, поэтому малосигнальные транзисторы имеют большие коэффициенты стабильности.^{[нужна цитата ]}

Использование:

Из-за вышеупомянутых присущих недостатков фиксированное смещение редко используется в линейных схемах (то есть в схемах, в которых транзистор используется в качестве источника тока). Вместо этого он часто используется в схемах, где транзистор используется в качестве переключателя. Однако одно из применений фиксированного смещения - получение грубого автоматическая регулировка усиления в транзисторе, питая базовый резистор от сигнала постоянного тока, полученного с выхода переменного тока более позднего каскада.

Предвзятость обратной связи коллекционера

Смещение от коллектора к базе

В этой конфигурации используются негативный отзыв предотвращать тепловой разгон и стабилизируйте рабочую точку. В этой форме смещения базовый резистор ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ подключается к коллектору вместо подключения к источнику постоянного тока ${ displaystyle V _ { text {cc}}}$ . Таким образом, любой тепловой запуск вызовет падение напряжения на ${ displaystyle R _ { text {C}}}$ резистор, который будет регулировать ток базы транзистора.

Из Закон напряжения Кирхгофа, напряжение ${ displaystyle V _ {{ text {R}} _ { text {b}}}}$ через базовый резистор ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ является

{ displaystyle V _ {{ text {R}} _ { text {b}}} = V _ { text {cc}} , - , { mathord { overbrace {(I _ { text {c}) } + I _ { text {b}}) R _ { text {c}}} ^ {{ text {Падение напряжения}} R _ { text {c}}}}} , - , { mathord { overbrace {V _ { text {be}}} ^ { text {Напряжение на базе}}}}.}

Посредством Модель Эберса – Молла, ${ displaystyle I _ { text {c}} = beta I _ { text {b}}}$ , и так

{ displaystyle V _ {{ text {R}} _ { text {b}}} = V _ { text {cc}} - ( overbrace { beta I _ { text {b}}} ^ {I_ { text {c}}} + I _ { text {b}}) R _ { text {c}} - V _ { text {be}} = V _ { text {cc}} - I _ { text {b }} ( beta +1) R _ { text {c}} - V _ { text {be}}.}

Из Закон Ома, базовый ток ${ displaystyle I _ { text {b}} = V _ {{ text {R}} _ { text {b}}} / R _ { text {b}}}$ , и так

{ displaystyle overbrace {I _ { text {b}} R _ { text {b}}} ^ {V _ {{ text {R}} _ { text {b}}}} = V _ { text { cc}} - I _ { text {b}} ( beta +1) R _ { text {c}} - V _ { text {be}}.}

Следовательно, базовый ток ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ является

{ displaystyle I _ { text {b}} = { frac {V _ { text {cc}} - V _ { text {be}}} {R _ { text {b}} + ( beta +1) R _ { text {c}}}}}

Если ${ displaystyle V _ { text {be}}}$ остается постоянной и температура увеличивается, тогда ток коллектора ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ увеличивается. Однако более крупный ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ вызывает падение напряжения на резисторе ${ displaystyle R _ { text {c}}}$ для увеличения, что, в свою очередь, снижает напряжение ${ displaystyle V _ {{ text {R}} _ { text {b}}}}$ через базовый резистор ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ . Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток. ${ displaystyle I _ { text {b}}}$ , что снижает ток коллектора. ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается стабильной.

Преимущества:

Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е. замены транзистора).
Схема стабилизирует рабочую точку (в долях от ${ displaystyle V _ { text {cc}}}$ ) против вариаций в ${ displaystyle V _ { text {cc}}}$ .

Недостатки:

Хотя небольшие изменения β допустимы, большие изменения β сильно изменят рабочую точку. ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ должен быть выбран, как только β известен достаточно точно (возможно, в пределах ~ 25%), но вариабельность β между «идентичными» частями часто больше, чем это.
В этой цепи, чтобы сохранить ${ displaystyle I _ { text {c}}}$ независим от ${ displaystyle beta}$ , должно выполняться следующее условие:

{ displaystyle I _ { text {c}} = beta I _ { text {b}} = { frac { beta (V _ { text {cc}} - V _ { text {be}})} { R _ { text {b}} + R _ { text {c}} + beta R _ { text {c}}}} приблизительно { frac {(V _ { text {cc}} - V _ { text {be}})} {R _ { text {c}}}}}

что имеет место, когда

{ displaystyle beta R _ { text {c}} gg R _ { text {b}}.}

В качестве ${ displaystyle beta}$ $бета$ -значение фиксировано (и обычно неизвестно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо путем сохранения ${ displaystyle R _ { text {c}}}$ $R _ {{{ text {c}}}}$ довольно большой или делающий ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ $R _ {{{ text {b}}}}$ очень низкий.
- Если ${ displaystyle R _ { text {c}}}$ большой, высокий ${ displaystyle V _ { text {cc}}}$ необходимо, что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
- Если ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ низкое, обратное смещение области коллектор – база мало, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме.
Резистор ${ displaystyle R _ { text {b}}}$ вызывает AC обратная связь, уменьшая усиление напряжения усилителя. Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей Q-точка стабильность. Тем не менее, сеть T (R-C-R) может использоваться для уменьшения обратной связи по переменному току, которая, однако, создает большую нагрузку на коллектор, чем простой резистор обратной связи. На более высоких частотах может использоваться сеть обратной связи R-L, однако она будет вносить пики в частотную характеристику в различных точках.

Использование:Отрицательная обратная связь также увеличивает входной импеданс усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за уменьшения усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором

Схема фиксированного смещения модифицируется путем присоединения к эмиттеру внешнего резистора. Этот резистор вводит негативный отзыв что стабилизирует Q-точку. Из Закон напряжения Кирхгофа, напряжение на базовом резисторе равно

{ displaystyle V_ {R_ {b}} = V_ {cc} -I_ {e} R_ {e} -V_ {be}}

Из Закон Ома, базовый ток

{ displaystyle I_ {b} = { frac {V_ {R_ {b}}} {R_ {b}}}}

Обратная связь управляет точкой смещения следующим образом. Если V_быть остается постоянной и температура увеличивается, ток эмиттера увеличивается. Однако больший я_е увеличивает напряжение эмиттера V_е = Я_ер_е, что, в свою очередь, снижает напряжение V_Руб. через базовый резистор. Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток, что приводит к меньшему току коллектора, поскольку I_c = β I_б. Ток коллектора и ток эмиттера связаны соотношением I_c = α I_е при α ≈ 1, так что увеличение тока эмиттера с температурой противодействует, и рабочая точка остается стабильной.

Аналогично, если транзистор заменить другим, может произойти изменение I_c (например, соответствует изменению значения β). Подобным образом, как описано выше, изменение отменяется и рабочая точка остается стабильной.

Для данной схемы

{ displaystyle I_ {b} = { frac {V_ {cc} -V_ {be}} {R_ {b} + ( beta +1) R_ {e}}}}

Преимущества:

Схема имеет тенденцию стабилизировать рабочую точку по отношению к изменениям температуры и значения β.

Недостатки:

В этой цепи, чтобы я_C независимо от β должно выполняться следующее условие:

{ displaystyle I_ {C} = beta I_ {b} = { frac { beta (V_ {cc} -V_ {be})} {R_ {b} + ( beta +1) R_ {e}} } приблизительно { frac {(V_ {cc} -V_ {be})} {R_ {e}}}}

что примерно так, если

{ Displaystyle ( бета +1) R_ {e} gg R_ {b}}

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения R_е очень большой, или делая R_B очень низкий.
- Если R_е имеет большое значение, высокий V_cc необходимо. Это увеличивает стоимость, а также увеличивает необходимые меры предосторожности при обращении.
- Если Rb низкий, в базовой цепи следует использовать отдельный источник низкого напряжения. Использование двух источников питания с разным напряжением нецелесообразно.
В дополнение к вышесказанному, R_е вызывает обратную связь по переменному току, которая снижает усиление напряжения усилителя.

Использование:

Обратная связь также увеличивает входной импеданс усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодно. Из-за перечисленных выше недостатков этот тип схемы смещения используется только при тщательном рассмотрении возможных компромиссов.

Стабилизация коллектора.

Смещение делителя напряжения или смещения эмиттера

Смещение делителя напряжения

Делитель напряжения сформирован с использованием внешних резисторов. р₁ и R₂. Напряжение на R₂ вперед смещает эмиттерный переход. Правильным подбором резисторов R₁ и R₂рабочую точку транзистора можно сделать независимой от β. В этой схеме делитель напряжения поддерживает фиксированное базовое напряжение независимо от базового тока при условии, что ток делителя велик по сравнению с базовым током. Однако даже при фиксированном базовом напряжении ток коллектора зависит от температуры (например), поэтому для стабилизации точки Q добавляется эмиттерный резистор, аналогично приведенным выше схемам с эмиттерным резистором. Конфигурация делителя напряжения обеспечивает правильное напряжение за счет использования резисторов в определенных схемах. Манипулируя резисторами определенным образом, вы можете достичь более стабильных уровней тока, не влияя слишком сильно на значение β.

В этой схеме базовое напряжение определяется выражением:

${ Displaystyle V_ {B} = }$ напряжение на ${ Displaystyle R_ {2} }$ ${ displaystyle = V_ {cc} { frac {R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2})}} - I_ {b} { frac {R_ {1} R_ {2}} { (R_ {1} + R_ {2})}}}$

{ Displaystyle приблизительно V_ {cc} { frac {R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2})}}}

при условии

{ displaystyle I_ {b} << I_ {1} = V_ {b} / R_ {1} }

.

Также ${ displaystyle V_ {B} = V_ {be} + I_ {e} R_ {e} }$

Для данной схемы

{ displaystyle I_ {b} = { frac {{ frac {V_ {cc}} {1 + R_ {1} / R_ {2}}} - V_ {be}} {( beta +1) R_ { e} + R_ {1} parallel R_ {2}}}.}

Преимущества:

В отличие от вышеуказанных схем, необходим только один источник постоянного тока.
Рабочая точка почти не зависит от изменения β.
Стабилизация рабочей точки при изменении температуры.

Недостатки:

В этой цепи, чтобы я_C независимо от β должно выполняться следующее условие:

{ displaystyle I_ {c} = beta I_ {b} = beta { frac {{ frac {V_ {cc}} {1 + R_ {1} / R_ {2}}} - V_ {be}} {( beta +1) R_ {e} + R_ {1} parallel R_ {2}}} приблизительно { frac {{ frac {V_ {cc}} {1 + R_ {1} / R_ {2 }}} - V_ {be}} {R_ {e}}},}

что примерно так, если

{ displaystyle ( beta +1) R_ {e} >> R_ {1} parallel R_ {2}}

где R₁ || р₂ обозначает эквивалентное сопротивление из R₁ и R₂ подключены параллельно.

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения R_E довольно большой, или что делает R₁|| R₂ очень низкий.
- Если R_E имеет большое значение, высокий V_cc необходимо. Это увеличивает стоимость, а также увеличивает необходимые меры предосторожности при обращении.
- Если R₁ || р₂ низкий, либо R₁ низкий, или R₂ низкий, или оба низкие. Низкий R₁ увеличивает Vb ближе к V_c, уменьшая доступный размах напряжения коллектора и ограничивая величину Rc, которая может быть сделана без вывода транзистора из активного режима. Низкий R₂ понижает V_быть, уменьшая допустимый ток коллектора. Уменьшение значений обоих резисторов потребляет больше тока от источника питания и снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы.
Обратная связь по переменному току и по постоянному току вызвана R_е, что снижает коэффициент усиления переменного напряжения усилителя. Ниже обсуждается метод предотвращения обратной связи по переменному току при сохранении обратной связи по постоянному току.

Использование:

Стабильность схемы и достоинства, указанные выше, делают ее широко используемой для линейных схем.

Делитель напряжения с байпасным конденсатором переменного тока

Делитель напряжения с конденсатором

У описанной выше стандартной схемы делителя напряжения есть недостаток - обратная связь по переменному току, вызванная резистором R_E снижает усиление. Этого можно избежать, поместив конденсатор (C_е) параллельно с R_е, как показано на принципиальной схеме. В результате рабочая точка постоянного тока хорошо контролируется, в то время как усиление по переменному току намного выше (приближается к β), чем гораздо более низкое (но предсказуемое) значение ${ displaystyle R _ { text {c}} / R _ { text {e}}}$ без конденсатора.

Смещение эмиттера

Смещение эмиттера

Когда доступен раздельный источник питания (двойной источник питания), эта схема смещения является наиболее эффективной и обеспечивает нулевое напряжение смещения на эмиттере или коллекторе для нагрузки. Отрицательное питание V_ее используется для прямого смещения эмиттерного перехода через R_е. Положительный источник питания V_cc используется для обратного смещения коллекторного перехода. Только два резистора необходимы для каскада с общим коллектором и четыре резистора для каскада с общим эмиттером или общей базой.

Мы знаем это,

V_б - V_е = V_быть

Если R_б достаточно мало, базовое напряжение будет примерно равно нулю. Следовательно, ток эмиттера

Т.е. = (V_ее - V_быть)/Р_е

Рабочая точка не зависит от β, если Re >> R_б/ β

Преимущества:

Недостатки:

Этот тип может использоваться только при наличии раздельного (двойного) источника питания.

Усилители класса B и AB

Требования к сигналу

Класс B и AB усилители используют 2 активных устройства, чтобы покрыть полный 360-градусный поток входного сигнала. Таким образом, каждый транзистор смещен для выполнения входного сигнала под углом примерно 180 градусов. Смещение класса B - это когда ток коллектора I_c при отсутствии сигнала просто проводит (около 1% от максимально возможного значения). Смещение класса AB - это когда ток коллектора I_c составляет примерно 1/4 от максимально возможного значения. Класс-АВ двухтактный выход Схема усилителя, представленная ниже, может стать основой для звукового усилителя средней мощности.

Практическая схема усилителя

Q3 - это общий эмиттер каскад, который обеспечивает усиление сигнала и постоянного тока смещения через D1 и D2 для генерации напряжения смещения для выходных устройств. Выходная пара организована по двухтактной схеме класса AB, также называемой дополнительной парой. В диоды D1 и D2 обеспечивают небольшое смещение постоянного напряжения для выходной пары, просто переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать перекрестное искажение. То есть диоды переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет рассеивания тепла).

Эта конструкция автоматически стабилизирует его рабочую точку, поскольку внутренняя обратная связь работает от постоянного тока до звукового диапазона и далее. Использование фиксированного смещения диода требует, чтобы диоды были электрически и термически согласованы с выходными транзисторами. Если выходные транзисторы проводят слишком много, они могут легко перегреться и разрушить себя, так как полный ток от источника питания на этом этапе не ограничен.

Распространенным решением, помогающим стабилизировать рабочую точку устройства вывода, является включение некоторых эмиттерных резисторов, обычно сопротивлением или около того. Расчет номиналов резисторов и конденсаторов схемы выполняется на основе используемых компонентов и предполагаемого использования усилителя.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Патил, П.К .; Читнис, М. (2005). Базовые электрические и полупроводниковые приборы. Phadke Prakashan.

внешняя ссылка

Предвзятость - из Научно-технической энциклопедии
Серия учебных курсов по электротехнике: типы предвзятости

[1] Пол Горовиц, Уинфилд Хилл, Искусство электроники, второе издание, Издательство Кембриджского университета, 1989 г., ISBN 0-521-37095-7, стр. 73-75

[Sedra-2] В КАЧЕСТВЕ. Sedra & K.C. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 397, Рисунок 5.17 и стр. 1245. ISBN 0-19-514251-9.

[1]

[2]

Смещение биполярного транзистора - Bipolar transistor biasing

Содержание

Требования к цепи смещения

Требования к сигналам для усилителей класса А

Тепловые соображения

Типы схем смещения для усилителей класса А

Фиксированное смещение (базовое смещение)

Предвзятость обратной связи коллекционера

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором

Смещение делителя напряжения или смещения эмиттера

Делитель напряжения с байпасным конденсатором переменного тока

Смещение эмиттера

Усилители класса B и AB

Требования к сигналу

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка