Смещение биполярного транзистора

Линии нагрузки диаграмма, иллюстрирующая рабочую точку в активной области транзистора

Для правильнойработы биполярные транзисторы должны быть правильно смещены . В схемах, состоящих из отдельных устройств (дискретных схемах),обычно используютсясхемы смещения, состоящие из резисторов . В интегральных схемах используются гораздо более сложные устройства смещения, например, опорные напряжения с запрещенной зоной и токовые зеркала . Конфигурация делителя напряжения обеспечивает правильное напряжение за счет использования резисторов в определенных схемах. Путем выбора подходящего номинала резистора можно достичь стабильных уровней тока, которые незначительно изменяются в зависимости от температуры и с такими свойствами транзистора, как β .

Рабочая точка устройства, также известный как точка смещения , точки покоя , или Q-точка , является точкой на выходных характеристик , что показывает постоянного тока коллектор-эмиттер ( V _CE ) и коллектор тока ( I _с ) с не подан входной сигнал.

Требования к цепи смещения [ править ]

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 различающимся рабочим точкам для последовательных устройств при серийном производстве или после замены транзистора. Из-за эффекта раннего усиления 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, изменений температуры и 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 A [ править ]

Для аналоговой работы усилителя класса A точка Q расположена так, чтобы транзистор оставался в активном режиме (не переключался на работу в области насыщения или области отсечки) при подаче входного сигнала. 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.

Температурные соображения [ править ]

При постоянном токе напряжение на переходе эмиттер-база V _BE биполярного транзистора уменьшается на 2 мВ (кремний) и 1,8 мВ (германий) на каждый 1 ° C повышения температуры (эталонное значение - 25 ° C). Согласно модели Эберса-Молла , если напряжение база-эмиттер V _BE поддерживается постоянным и температура повышается, ток через диод база-эмиттер I _B будет увеличиваться, и, таким образом, ток коллектора I _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 ктепловой разгон . ^[2] Существует несколько подходов к снижению теплового разгона биполярного транзистора. Например,

В цепь смещения может быть встроена отрицательная обратная связь, так что повышенный ток коллектора приводит к уменьшению тока базы. Следовательно, возрастающий ток коллектора дросселирует его источник.
Можно использовать радиаторы , которые отводят лишнее тепло и предотвращают повышение температуры базы-эмиттера.
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 [ править ]

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

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

Фиксированное смещение (базовое смещение) [ править ]

Фиксированное смещение (базовое смещение)

Эта форма смещения также называется базовым смещением или смещением с фиксированным сопротивлением . 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 = I _b R _b + V _быть

Следовательно,

I _b = (V _cc - V _be ) / R _b

Для данного транзистора V _be существенно не меняется во время использования. Поскольку V _cc имеет фиксированное значение, при выборе R _b базовый ток I _b фиксируется. Поэтому этот тип называется схемой с фиксированным смещением .

Также для данной схемы

V _cc = I _c R _c + V _ce

Следовательно,

V _ce = V _cc - I _c R _c

Коэффициент усиления транзистора по току с общим эмиттером является важным параметром в схемотехнике и указывается в технических характеристиках конкретного транзистора. На этой странице он обозначен буквой β.

Так как

I _c = βI _b

мы также можем получить I _c . Таким образом, рабочая точка, заданная как (V _ce , I _c ), может быть установлена для данного транзистора.

Преимущества:

Рабочая точка устанавливается одним резистором R _B, и расчет очень прост.

Недостатки:

Поскольку смещение задается током базы, ток коллектора прямо пропорционален β. Следовательно, рабочая точка будет значительно меняться при перестановке транзисторов и нестабильна при изменении температуры.
Для малосигнальных транзисторов (например, не мощных транзисторов) с относительно высокими значениями β (например, от 100 до 200) эта конфигурация будет склонна к тепловому разгоне . В частности, коэффициент стабильности , который является мерой изменения тока коллектора при изменении обратного тока насыщения , составляет приблизительно β + 1. Для обеспечения абсолютной стабильности усилителя предпочтительным является коэффициент стабильности менее 25, поэтому малосигнальные транзисторы имеют большие коэффициенты стабильности. ^{[ необходима цитата ]}

Применение:

Из-за вышеупомянутых присущих недостатков фиксированное смещение редко используется в линейных схемах (то есть тех схемах, которые используют транзистор в качестве источника тока). Вместо этого он часто используется в схемах, где транзистор используется в качестве переключателя. Однако одним из применений фиксированного смещения является грубая автоматическая регулировка усиления в транзисторе путем подачи на базовый резистор сигнала постоянного тока, полученного с выхода переменного тока более позднего каскада.

Предвзятость обратной связи с коллекционером [ править ]

Смещение от коллектора к базе

В этой конфигурации используется отрицательная обратная связь для предотвращения теплового разгона и стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения базовый резистор подключается к коллектору, а не к источнику постоянного тока . Таким образом, любой тепловой пробой вызовет падение напряжения на резисторе, которое будет дросселировать ток базы транзистора. ${\ displaystyle R _ {\ text {b}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {cc}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {C}}}$

Из закона Кирхгофа напряжения , напряжение через резистор базы является ${\ displaystyle V _ {{\ text {R}} _ {\ text {b}}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {b}}}$

{\ 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}}}}.}

По модели Эберса-Молла , и так ${\ displaystyle I _ {\ text {c}} = \ beta I _ {\ text {b}}}$

{\ 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 закона Ома базовый ток и т. Д. $I_{\text{b}}=V_{{\text{R}}_{\text{b}}}/R_{\text{b}}$

\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 равен $I_{\text{b}}$

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

Если поддерживается постоянной и температура увеличивается, ток коллектора увеличивается. Однако большее значение приводит к увеличению падения напряжения на резисторе , что, в свою очередь, снижает напряжение на базовом резисторе . Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток , что приводит к меньшему току коллектора . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противодействует, рабочая точка остается стабильной. $V_{\text{be}}$ $I_{\text{c}}$ $I_{\text{c}}$ $R_{\text{c}}$ $V_{{\text{R}}_{\text{b}}}$ $R_{\text{b}}$ $I_{\text{b}}$ $I_{\text{c}}$

Преимущества:

Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т. Е. Замены транзистора).
Схема стабилизирует рабочую точку (как часть ) от изменений . $V_{\text{cc}}$ $V_{\text{cc}}$

Недостатки:

Хотя небольшие изменения β допустимы, большие изменения β сильно изменят рабочую точку. должен быть выбран, как только β известен достаточно точно (возможно, в пределах ~ 25%), однако вариабельность β между «идентичными» частями часто больше, чем это. $R_{\text{b}}$
В этой схеме, чтобы сохранить независимый от следующее условие должно быть выполнено: $I_{\text{c}}$ $\beta$

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}}}}

что имеет место, когда

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

Поскольку -значение фиксировано (и, как правило, неизвестно) для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения достаточно большого, либо очень низкого значения. $\beta$ $R_{\text{c}}$ $R_{\text{b}}$
- Если большой, необходим высокий , что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении. $R_{\text{c}}$ $V_{\text{cc}}$
- Если он низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения коллектора, при котором транзистор остается в активном режиме. $R_{\text{b}}$
Резистор вызывает обратную связь по переменному току , уменьшая усиление напряжения усилителя. Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности Q-точки . Тем не менее, сеть T (RCR) 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 RL, однако она будет вносить пики в частотную характеристику в различных точках. $R_{\text{b}}$

Использование: отрицательная обратная связь также увеличивает входное сопротивление 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 [ править ]

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором

Схема фиксированного смещения модифицируется путем подключения внешнего резистора к эмиттеру. Этот резистор создает отрицательную обратную связь, которая стабилизирует точку Q. Из закона Кирхгофа напряжения , напряжение на базовом резисторе

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

По закону Ома базовый ток равен

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

Обратная связь управляет точкой смещения следующим образом. Если V _{остается} постоянным и температура увеличивается, ток эмиттера увеличивается. Однако чем больше I _{e, тем} выше напряжение эмиттера V _e = I _e R _e , что, в свою очередь, снижает напряжение V _Rb на базовом резисторе. Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток, что приводит к меньшему току коллектора, поскольку I _c = β I _b . Ток коллектора и ток эмиттера связаны соотношением I _c = α I _e с α ≈ 1, поэтому увеличение тока эмиттера с температурой противоположно, и рабочая точка остается стабильной.

Точно так же, если транзистор заменен другим, может произойти изменение I _c (например, соответствующее изменению значения β). Подобным образом, как описано выше, изменение отменяется и рабочая точка остается стабильной.

Для данной схемы

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 схеме, чтобы I _{C оставался} независимым от β, должно выполняться следующее условие:

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}}}

что примерно так, если

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

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено, либо поддерживая R _e очень большим, либо делая R _B очень низким.
- Если R _e имеет большое значение, необходимо высокое значение V _cc . Это увеличивает стоимость, а также увеличивает 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 _e вызывает обратную связь по переменному току, которая снижает коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Применение:

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

Стабилизация коллектора.

Смещение делителя напряжения или смещения эмиттера [ править ]

Смещение делителя напряжения

Делитель напряжения образован внешними резисторами R ₁ и R ₂ . Напряжение на R ₂ смещает эмиттерный переход в прямом направлении. Правильным подбором резисторов R ₁ и R ₂можно сделать рабочую точку транзистора 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 добиться более стабильных уровней тока, не влияя слишком сильно на значение β.

В этой схеме базовое напряжение определяется по формуле:

$V_{B}=\$ напряжение на $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})}}

при условии .

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

Также $V_{B}=V_{be}+I_{e}R_{e}\$

Для данной схемы

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

Преимущества:

Рабочая точка почти не зависит от изменения β.
Стабилизация рабочей точки при изменении температуры.

Недостатки:

В этой схеме, чтобы I _{C оставался} независимым от β, должно выполняться следующее условие:

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}}},

что примерно так, если

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

где R ₁ || R ₂ обозначает эквивалентное сопротивление R ₁ и R _2, соединенных параллельно.

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть выполнено либо путем сохранения R _E достаточно большим, либо путем очень низкого R ₁ || R ₂ .
- Если R _E имеет большое значение, необходимо высокое значение V _cc . Это увеличивает стоимость, а также увеличивает меры предосторожности при обращении.
- Если R ₁ || R ₂ низкий, либо R ₁ низкий, либо R ₂ низкий, либо оба низкие. Низкое R ₁ увеличивает Vb ближе к V _c , уменьшая доступный размах напряжения коллектора и ограничивая, насколько большим может быть Rc без вывода транзистора из активного режима. Низкое значение R ₂ снижает V _be , 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, а также по постоянному току вызывается R _e , что снижает коэффициент усиления переменного напряжения усилителя. Ниже обсуждается метод предотвращения обратной связи по переменному току при сохранении обратной связи по постоянному току.

Применение:

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

Делитель напряжения с байпасным конденсатором переменного тока [ править ]

Делитель напряжения с конденсатором

Обсуждаемая выше стандартная схема делителя напряжения имеет недостаток - обратная связь по переменному току, вызванная резистором R _E, снижает коэффициент усиления. Этого можно избежать, разместив конденсатор (C _e ) параллельно с R _e , как показано на принципиальной схеме. В результате рабочая точка постоянного тока хорошо контролируется, в то время как коэффициент усиления по переменному току намного выше (приближается к β), а не намного более низкое (но предсказуемое) значение без конденсатора. $R_{\text{c}}/R_{\text{e}}$

Смещение эмиттера [ править ]

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. Отрицательный источник питания V _ee используется для прямого смещения эмиттерного перехода через R _e . 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 _b - V _e = V _быть

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

Т.е. = (V _ee - V _be ) / R _e

Рабочая точка не зависит от β, если Re >> R _b / β

Преимущества:

Недостатки:

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

Усилители класса B и AB [ править ]

Требования к сигналу [ править ]

Усилители классов B и AB используют 2 активных устройства для покрытия всех 360 градусов потока входного сигнала. Таким образом, каждый транзистор смещен, чтобы выполнить входной сигнал под углом примерно 180 градусов. Смещение класса B - это когда ток коллектора I _c без 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. Схема двухтактного выходного усилителя класса AB, представленная ниже, может быть основой для звукового усилителя средней мощности.

Практичная схема усилителя

Q3 - это каскад с общим эмиттером, который обеспечивает усиление сигнала и постоянного тока смещения через D1 и D2 для создания напряжения смещения для выходных устройств. Выходная пара организована по двухтактной схеме класса AB, также называемой дополнительной парой. В диодах D1 и D2 обеспечивают небольшое количество постоянного напряжения смещения для пары выходов, просто смещающими их в проводящем состояние , так что искажение кроссовера сведено к минимуму. 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 действует от постоянного тока до звукового диапазона и далее. Использование фиксированного диодного смещения 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 сопротивлению или около того. Расчет номиналов резисторов и конденсаторов схемы выполняется на основе используемых компонентов и предполагаемого использования усилителя.

См. Также [ править ]

Смещение (электроника)
Модель слабого сигнала
Биполярный переходной транзистор
МОП-транзистор

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of Electronics Second Edition , Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7 , стр. 73-75
^ AS Sedra & KC Smith (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 397 , рисунок 5.17 и стр. 1245. ISBN 0-19-514251-9.

Дальнейшее чтение [ править ]

Патил П.К .; Читнис, ММ (2005). Электроэнергетика и полупроводниковые приборы . Phadke Prakashan.

Внешние ссылки [ править ]

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

[1] Перейти ↑ Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of Electronics Second Edition , Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7 , стр. 73-75

[Sedra-2] AS Sedra & KC Smith (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 397 , рисунок 5.17 и стр. 1245. ISBN 0-19-514251-9.

[1]