Bipolär transistorförspänning

Ett lastlinjediagram som visar en arbetspunkt i transistorns aktiva område

Bipolära transistorer måste vara korrekt förspända för att fungera korrekt. I kretsar gjorda med individuella enheter (diskreta kretsar) används vanligtvis förspänningsnätverk bestående av resistorer . Mycket mer utarbetade förspänningsarrangemang används i integrerade kretsar , till exempel bandgap spänningsreferenser och strömspeglar . Spänningsdelarens konfiguration uppnår de korrekta spänningarna genom användning av motstånd i vissa mönster. Genom att välja rätt resistorvärden kan stabila strömnivåer uppnås som endast varierar lite över temperaturen och med transistoregenskaper såsom β .

Driftspunkten för _en enhet, även känd som bias point , quiescent point , eller Q-point , är den punkt _på utgångsegenskaperna som visar DC -kollektor-emitterspänningen ( Vce) och kollektorströmmen ( Ic ) utan ingångssignal applicerad.

Krav på förspänningskretsar

Förspänningskretsen stabiliserar transistorns arbetspunkt för variationer i transistorkarakteristika och driftstemperatur. Förstärkningen av en transistor kan variera avsevärt mellan olika satser, vilket resulterar i vitt skilda arbetspunkter för sekventiella enheter i serieproduktion eller efter utbyte av en transistor. På grund av Early-effekten påverkas strömförstärkningen av kollektor-emitterspänningen. Både förstärkning och bas-emitterspänning beror på temperaturen. Läckströmmen ökar också med temperaturen. Ett förspänningsnätverk väljs för att minska effekterna av enhetsvariabilitet, temperatur och spänningsförändringar.

En förspänningskrets kan bestå av endast motstånd, eller kan inkludera element som temperaturberoende motstånd, dioder eller ytterligare spänningskällor, beroende på omfånget av förväntade driftsförhållanden.

Signalkrav för klass A-förstärkare

För analog drift av en klass-A-förstärkare placeras Q-punkten så att transistorn förblir i aktivt läge (växlar inte till drift i mättnadsregionen eller cut-off-regionen) när ingången appliceras. För digital drift är Q-punkten placerad så att transistorn gör tvärtom – växlar från "på" (mättnad) till "av" (cutoff) tillstånd. Ofta etableras Q-punkten nära mitten av det aktiva området av en transistorkarakteristik för att tillåta liknande signalsvängningar i positiva och negativa riktningar.

Termiska överväganden

minskar spänningen över emitter-basövergången VBE hos en bipolär transistor med 2 mV (kisel) och 1,8 mV (germanium) för varje temperaturökning på 1 °C (referens är 25 °C) _. Enligt Ebers-Moll-modellen , om bas - emitterspänningen VBE hålls konstant och temperaturen stiger, kommer strömmen genom bas-emitterdioden I _B att öka, och därmed kommer kollektorströmmen _I_C också att öka. Beroende på förspänningspunkten kan effekten som försvinner i transistorn också öka, vilket kommer att öka dess temperatur ytterligare och förvärra problemet. Denna skadliga positiva feedback resulterar i termisk flykt . Det finns flera tillvägagångssätt för att mildra bipolär transistors termiska runaway. Till exempel,

Negativ återkoppling kan byggas in i förspänningskretsen så att ökad kollektorström leder till minskad basström. Följaktligen stryper den ökande kollektorströmmen dess källa.
Kylflänsar kan användas som transporterar bort extra värme och förhindrar att bas-emittertemperaturen stiger.
Transistorn kan vara förspänd så att dess kollektor normalt är mindre än hälften av strömförsörjningsspänningen, vilket innebär att kollektor-emittereffektförlusten är på sitt maximala värde. Runaway är då omöjligt eftersom ökande kollektorström leder till en minskning av förbrukad effekt; detta begrepp är känt som halvspänningsprincipen. Kretsarna nedan visar i första hand användningen av negativ återkoppling för att förhindra termisk rusning.

Typer av förspänningskretsar för klass A-förstärkare

Följande diskussion behandlar fem vanliga förspänningskretsar som används med klass-A bipolära transistorförstärkare:

Fast bias
Samlare-till-bas-bias
Fast bias med emittermotstånd
Spänningsdelarförspänning eller potentialdelare
Emitter bias

Fast bias (basbias)

Fixed bias (Base bias)

Denna form av förspänning kallas även basförspänning eller fixerad resistansförspänning . I exempelbilden till höger används den enda strömkällan (till exempel ett batteri) för både kollektor och bas på en transistor, även om separata batterier också kan användas.

I den givna kretsen,

Vcc = _Ib Rb ₊ V _be_{_}

Därför,

Ib = ( _Vcc - _Vbe₎ / _Rb

För en given transistor varierar V _be inte nämnvärt under användning. Eftersom Vcc _har ett fast värde, vid val av Rb, _är basströmmen Ib _fixerad . Därför kallas denna typ fast förspänningstyp av krets.

Dessutom, för den givna kretsen,

Vcc = _IcRc + _Vce_{_} _ _{_}

Därför,

V _ce = V _cc − I _c R _c

Den gemensamma emitterströmförstärkningen för en transistor är en viktig parameter vid kretsdesign och specificeras på databladet för en viss transistor. Det betecknas som β på denna sida.

Därför att

Ic = _βIb_{_}

vi kan få I _c också. På detta sätt kan arbetspunkten angiven som (Vce, _Ic₎ ställas in för given transistor.

Fördelar:

Driftpunkten ställs in av ett enda motstånd RB _och beräkningen är mycket enkel.

Nackdelar:

Eftersom förspänningen ställs in av basströmmen är kollektorströmmen direkt proportionell mot β. Därför kommer driftspunkten att variera avsevärt när transistorer byts ut och den är instabil under temperaturförändringar.
För småsignaltransistorer (t.ex. inte effekttransistorer) med relativt höga värden på β (dvs. mellan 100 och 200), kommer denna konfiguration att vara benägen att rinna av termiskt . I synnerhet är stabilitetsfaktorn , som är ett mått på förändringen i kollektorström med förändringar i omvänd mättnadsström , ungefär β+1. För att säkerställa absolut stabilitet hos förstärkaren är en stabilitetsfaktor på mindre än 25 att föredra, och därför har småsignaltransistorer stora stabilitetsfaktorer. ^{[ citat behövs ]}

Användande:

På grund av ovanstående inneboende nackdelar används fast förspänning sällan i linjära kretsar (dvs de kretsar som använder transistorn som en strömkälla). Istället används den ofta i kretsar där transistorn används som omkopplare. En tillämpning av fast förspänning är emellertid att uppnå grov automatisk förstärkningskontroll i transistorn genom att mata basmotståndet från en likströmssignal härledd från växelströmsutgången från ett senare steg.

Samlarfeedback bias

Samlare-till-bas-bias

Denna konfiguration använder negativ återkoppling för att förhindra termisk rusning och stabilisera driftspunkten. I denna form av förspänning är basmotståndet $R_{\text{b}}$ anslutet till kollektorn istället för att ansluta den till DC-källan $V_{\text{cc}}$ . Så varje termisk runaway kommer att inducera ett spänningsfall över ${\displaystyle R_{\text{C}}}-$ motståndet som kommer att strypa transistorns basström

Från Kirchhoffs spänningslag , spänningen $V_{{\text{R}}_{\text{b}}}$ över basmotståndet $R_{\text{b}}$ är

V_{{\text{R}}_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}\,-\,{\mathord {\overbrace {(I_{\text{c} }+I_{\text{b}})R_{\text{c}}} ^{{\text{Spänningsfall över }}R_{\text{c}}}}}\,-\,{\mathord {\overbrace {V_{\text{be}}} ^{\text{Voltage at base}}}}.

Enligt Ebers–Moll-modellen $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}$ och så

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}}.

Från Ohms lag är basströmmen $I_{\text{b}}=V_{{\text{R}}_{\text{b}}}/R_{\ text{b}}$ och så

\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}}.

är basströmmen $I_{\text{b}}$

I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be} }}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{c}}}}

Om ${\displaystyle V_{\text{be}}} hålls konstant och temperaturen ökar, så$ ökar kollektorströmmen ${\displaystyle I_{\text{c}}} .$ En större $I_{\text{c}}$ gör dock att spänningsfallet över motståndet $R_{\text{c}}$ ökar, vilket i sin tur minskar spänningen $V_{{\text{R}}_{\text{b}}}$ över basmotståndet $R_{\text{b}}$ . Ett lägre spänningsfall i basmotståndet minskar basströmmen ${\displaystyle I_{\text{b}}} ,$ vilket resulterar i mindre kollektorström $I_{\text{c}}$ . Eftersom en ökning av kollektorströmmen med temperaturen motverkas, hålls driftpunkten stabil.

Fördelar:

Krets stabiliserar arbetspunkten mot variationer i temperatur och β (dvs. byte av transistor).
Kretsen stabiliserar arbetspunkten (som en bråkdel av $V_{\text{cc}}$ ) mot variationer i $V_{\text{cc}}$ .

Nackdelar:

Även om små förändringar i β är OK, kommer stora förändringar i β att förändra driftspunkten avsevärt. $R_{\text{b}}$ måste väljas när β är känd ganska exakt (kanske inom ~ 25%), men variabiliteten av β mellan "identiska" delar är ofta större än så här.
I denna krets, för att hålla $I_{\text{c}}$ oberoende av $\beta$ , måste följande villkor vara uppfyllt:

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}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{c}}} }

vilket är fallet när

\beta R_{\text{c}}\gg R_{\text{b}}.

Eftersom $\beta$ $\beta$ -värdet är fast (och generellt okänt) för en given transistor, kan denna relation uppfyllas antingen genom att hålla $R_{\text{c}}$ $R_{{{\text{c}}}}$ ganska stor eller göra $R_{\text{b}}$ $R_{{{\text{b}}}}$ mycket låg.
- Om $R_{\text{c}}$ är stor, är en hög $V_{\text{cc}}$ nödvändig, vilket ökar kostnaderna såväl som nödvändiga försiktighetsåtgärder vid hantering.
- Om $R_{\text{b}}$ är låg, är den omvända förspänningen för kollektor-basområdet liten, vilket begränsar området för kollektorspänningssvängning som lämnar transistorn i aktivt läge
Motståndet $R_{\text{b}}$ orsakar en AC- återkoppling, vilket minskar förstärkarens spänningsförstärkning . Denna oönskade effekt är en avvägning för större Q-punktsstabilitet . Ett T (RCR)-nätverk kan dock användas för att reducera AC-återkopplingen, vilket dock belastar kollektorn tyngre än det enkla återkopplingsmotståndet. Vid högre frekvenser kan ett RL-återkopplingsnät användas, men det kommer att introducera toppar i frekvenssvaret vid olika punkter.

Användning: Den negativa återkopplingen ökar även förstärkarens ingångsimpedans sett från basen, vilket kan vara fördelaktigt. På grund av förstärkningsminskningen från återkoppling används denna förspänningsform endast när avvägningen för stabilitet är motiverad.

Fast bias med emittermotstånd

Den fasta förspänningskretsen modifieras genom att ett externt motstånd ansluts till emittern. Detta motstånd introducerar negativ återkoppling som stabiliserar Q-punkten. Från Kirchhoffs spänningslag är spänningen över basmotståndet

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

Från Ohms lag är basströmmen

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

Sättet som feedback styr förspänningspunkten är som följer. Om V _be hålls konstant och temperaturen ökar, ökar emitterströmmen. En större I _e ökar emellertid emitterspänningen V _e = I _e R _e , vilket i sin tur minskar spänningen V _Rb över basmotståndet. Ett lägre bas-resistorspänningsfall minskar basströmmen, vilket resulterar i mindre kollektorström eftersom I _c = β I _b . Kollektorström och emitterström är relaterade till Ic ₌ α I _e med α ≈ 1, så ökningen av emitterströmmen med temperaturen är motsatt, och arbetspunkten hålls stabil.

På liknande sätt, om transistorn ersätts med en annan, kan det bli en förändring i Ic ₍ motsvarande förändring i t.ex. β-värde). Genom liknande process som ovan upphävs förändringen och driftspunkten hålls stabil.

För den givna kretsen,

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

Fördelar:

Kretsen har en tendens att stabilisera arbetspunkten mot förändringar i temperatur och β-värde.

Nackdelar:

I denna krets måste följande villkor vara uppfyllt för att hålla I _{C oberoende av β:}

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

vilket är ungefär fallet om

(\beta +1)R_{e}\gg R_{b}

Eftersom β-värdet är fixerat för en given transistor, kan detta förhållande uppfyllas antingen genom att hålla R _e mycket stort eller göra R _B mycket låg.
- Om R _e är av stort värde är hög Vcc _nödvändig . Detta ökar kostnaderna såväl som nödvändiga försiktighetsåtgärder vid hantering.
- Om Rb är låg bör en separat lågspänningsmatning användas i baskretsen. Att använda två matningar med olika spänningar är opraktiskt.
Utöver ovanstående orsakar R _e AC-återkoppling som minskar förstärkarens spänningsförstärkning.

Användande:

Återkopplingen ökar också förstärkarens ingångsimpedans sett från basen, vilket kan vara fördelaktigt. På grund av ovanstående nackdelar används denna typ av förspänningskrets endast med noggrant övervägande av de inblandade avvägningarna.

Samlarstabiliserad förspänning.

Spänningsdelarförspänning eller emitterförspänning

Spänningsdelarförspänning

Spänningsdelaren bildas med hjälp av externa motstånd R1 och _R2_. Spänningen över R2 _framåt förspänner emitterövergången. Genom korrekt val av motstånd R1 _och R2 _kan transistorns arbetspunkt göras oberoende av β. I denna krets håller spänningsdelaren basspänningen fast oberoende av basströmmen, förutsatt att delarströmmen är stor jämfört med basströmmen. Men även med en fast basspänning varierar kollektorströmmen med temperaturen (till exempel) så ett emittermotstånd läggs till för att stabilisera Q-punkten, liknande kretsarna ovan med emittermotstånd. Spänningsdelarens konfiguration uppnår de korrekta spänningarna genom användning av motstånd i vissa mönster. Genom att manipulera motstånden på vissa sätt kan man uppnå stabilare strömnivåer utan att β-värdet påverkar det för mycket.

I denna krets ges basspänningen av:

$V_{B}=\$ spänning över $R_{2}\$ $=V_{cc}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}-I_{b}{\frac {R_{1}R_{2 }}{(R_{1}+R_{2})}}$

\approx V_{cc}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}

förutsatt att

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

.

Även $V_{B}=V_{be}+I_{e}R_{e}\$

För den givna kretsen,

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

Fördelar:

Arbetspunkten är nästan oberoende av β-variation.
Driftpunkt stabiliserad mot temperaturförändringar.

Nackdelar:

I denna krets måste följande villkor vara uppfyllt för att hålla I _{C oberoende av β:}

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}}}\approx {\frac {{\frac {V_{cc}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{be}}{R_{e}}},

vilket är ungefär fallet om

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

där _R1 || R2 betecknar den ekvivalenta resistansen för _R1 och _R2 parallellkopplade _.

Eftersom β-värdet är fixerat för en given transistor, kan detta förhållande uppfyllas antingen genom att hålla R _E ganska stort eller göra R ₁ ||R ₂ mycket låg.
- Om R _E är av stort värde är hög Vcc _nödvändig . Detta ökar kostnaderna såväl som nödvändiga försiktighetsåtgärder vid hantering.
- Om _R1 || R2 är låg, antingen är R1 _låg eller så är R2 _låg_, eller båda är låga. En låg R ₁ höjer Vb närmare Vc _, vilket minskar det tillgängliga svängningen i kollektorspänningen och begränsar hur stor Rc kan göras utan att driva transistorn ur aktivt läge. En låg R2 _sänker V _be , vilket minskar den tillåtna kollektorströmmen. Att sänka båda motståndsvärdena drar mer ström från strömförsörjningen och sänker förstärkarens ingångsresistans sett från basen.
AC- och DC-återkoppling orsakas av R _e , vilket minskar förstärkarens AC-spänningsförstärkning. En metod för att undvika AC-återkoppling samtidigt som DC-återkoppling behålls diskuteras nedan.

Användande:

Kretsens stabilitet och fördelar enligt ovan gör att den används allmänt för linjära kretsar.

Spänningsdelare med AC bypass kondensator

Spänningsdelare med kondensator

Standardspänningsdelarkretsen som diskuteras ovan har en nackdel - AC-återkoppling orsakad av motståndet RE _minskar förstärkningen. Detta kan undvikas genom att placera en kondensator (C _e ) parallellt med R _e , som visas i kopplingsschemat. Resultatet är att DC-driftpunkten är väl kontrollerad, medan AC-förstärkningen är mycket högre (närmar sig β), snarare än det mycket lägre (men förutsägbara) värdet på Rc / R e {\displaystyle R $c }}/R_{\text{e}}}$ utan kondensatorn.

Emitter bias

När en delad försörjning (dubbel strömförsörjning) är tillgänglig är denna förspänningskrets den mest effektiva och ger noll förspänning vid emittern eller kollektorn för belastning. Den negativa matningen V _ee används för att framåtförspänna emitterövergången genom _Re . Den positiva tillförseln Vcc _används för att backförspänna kollektorövergången. Endast två motstånd är nödvändiga för det gemensamma kollektorsteget och fyra motstånd för det gemensamma emitter- eller gemensamma bassteget.

Vi vet det,

V _b − V _e = V _be

Om Rb _är tillräckligt liten blir basspänningen ungefär noll. Därför är emitterströmmen,

Ie = (V _ee - V _be )/R _e

Arbetspunkten är oberoende av β om Re >> R _b /β

Fördelar:

Nackdelar:

Denna typ kan endast användas när en delad (dubbel) strömförsörjning är tillgänglig.

Klass-B och AB förstärkare

Signalkrav

Klass B- och AB- förstärkare använder 2 aktiva enheter för att täcka hela 360 graders insignalflöde. Varje transistor är därför förspänd för att prestera över ungefär 180 grader av insignalen. Klass B-bias är när kollektorströmmen Ic _utan signal bara leder (cirka 1% av maximalt möjliga värde). Klass-AB-bias är när kollektorströmmen Ic _är ungefär 1/4 av maximalt möjliga värde. Klass-AB push-pull-utgångsförstärkarkretsen nedan kan vara grunden för en ljudförstärkare med måttlig effekt.

En praktisk förstärkarkrets

Q3 är ett gemensamt emittersteg som tillhandahåller förstärkning av signalen och DC-förspänningsströmmen genom D1 och D2 för att generera en förspänning för utenheterna. Utgångsparet är arrangerat i klass-AB push-pull, även kallat ett komplementärt par. Dioderna D1 och D2 tillhandahåller en liten mängd konstant spänningsförspänning för utgångsparet, bara förspänner dem till det ledande tillståndet så att övergångsdistorsion minimeras . Det vill säga, dioderna skjuter utgångssteget till klass-AB-läge (förutsatt att bas-emitterfallet för utgångstransistorerna reduceras av värmeavledning).

Denna design stabiliserar automatiskt sin arbetspunkt, eftersom övergripande feedback internt fungerar från DC upp genom ljudområdet och vidare. Användningen av fast diodförspänning kräver att dioderna är både elektriskt och termiskt anpassade till utgångstransistorerna. Om utgångstransistorerna leder för mycket kan de lätt överhettas och förstöra sig själva, eftersom den fulla strömmen från strömförsörjningen inte är begränsad i detta skede.

En vanlig lösning för att stabilisera utgångsenhetens arbetspunkt är att inkludera några emittermotstånd, vanligtvis en ohm eller så. Beräkning av värdena på kretsens motstånd och kondensatorer görs baserat på de komponenter som används och förstärkarens avsedda användning.

Se även

Vidare läsning

Patil, PK; Chitnis, MM (2005). Grundläggande el- och halvledarenheter . Phadke Prakashan.

externa länkar

Bias – från Sci-Tech Encyclopedia
Utbildningsserie för elektroteknik: Typer av bias