Transistorbiasberekeningen
Hoewel transistorschakelcircuits zonder bias werken, is het ongebruikelijk dat analoge circuits zonder bias werken. Een van de weinige voorbeelden is "TR One, één transistorradio" TR One, Ch 9 met een versterkte AM-detector (amplitudemodulatie). Let op het ontbreken van een voorspanningsweerstand aan de basis in dat circuit. In deze sectie bekijken we enkele basisbiascircuits die een geselecteerde emitterstroom IE kunnen instellen. Welke waarden van biasweerstanden zijn vereist, gegeven een gewenste emitterstroom IE, RB, RE, enz?
Base Bias-weerstand
De eenvoudigste vooringenomenheid past een . toe base-bias weerstand tussen de basis en een basisbatterij V BB . Het is handig om de bestaande VCC-toevoer te gebruiken in plaats van een nieuwe bias-toevoer. Een voorbeeld van een audioversterker die gebruikmaakt van base-biasing is "Crystal radio with one transistor . . . ” crystal radio, Ch 9. Let op de weerstand van de basis naar de batterijterminal. Een soortgelijk circuit wordt getoond in de onderstaande afbeelding. Schrijf een KVL-vergelijking (spanningswet van Kirchhoff) over de lus met de batterij, RB en de VBE-diodedruppel op de transistor in het onderstaande figuur. Merk op dat we VBB gebruiken voor de basisvoeding, ook al is het eigenlijk VCC. Als β groot is, kunnen we de benadering maken dat IC =IE. Voor siliciumtransistors VBE≅0.7V.
Base-bias
Kleine signaaltransistoren van silicium hebben typisch een β in het bereik van 100-300.
Voorbeeldberekeningen:
Ervan uitgaande dat we een β =100-transistor hebben, welke waarde van de basisvoorspanningsweerstand is vereist om een emitterstroom van 1 mA te leveren? Het oplossen van de IE-base-bias-vergelijking voor RB en het vervangen van β, VBB, VBE en IE levert 930kΩ op. De dichtstbijzijnde standaardwaarde is 910kΩ.
Wat is de emitterstroom met een weerstand van 910kΩ? Wat is de emitterstroom als we willekeurig een β=300 transistor krijgen?
De emitterstroom wordt weinig veranderd bij het gebruik van de standaardwaarde 910kΩ-weerstand. Met een verandering in β van 100 naar 300 is de emitterstroom echter verdrievoudigd. Dit is niet acceptabel in een eindversterker als we verwachten dat de collectorspanning van nabij VCC naar bijna aarde zal schommelen. Voor signalen met een laag niveau van microvolt tot ongeveer een volt kan het biaspunt echter worden gecentreerd voor een β van de vierkantswortel van (100·300)=173. Het bias-punt zal nog steeds aanzienlijk verschuiven. Lage signalen worden echter niet afgekapt.
Base-bias is niet geschikt voor hoge emitterstromen, zoals gebruikt in eindversterkers. De basisgestuurde emitterstroom is niet temperatuurstabiel.
Thermische wegloper is het resultaat van een hoge emitterstroom die een temperatuurstijging veroorzaakt die een toename van de emitterstroom veroorzaakt, die de temperatuur verder verhoogt.
Collector-feedback bias
Variaties in voorspanning als gevolg van temperatuur en bèta kunnen worden verminderd door het VBB-uiteinde van de basisvoorspanningsweerstand naar de collector te verplaatsen, zoals in de onderstaande afbeelding. Als de emitterstroom zou toenemen, neemt de spanningsval over RC toe, waardoor VC afneemt en IB wordt teruggevoerd naar de basis. Dit verlaagt op zijn beurt de emitterstroom en corrigeert de oorspronkelijke toename.
Schrijf een KVL-vergelijking over de lus die de batterij, RC, RB en de VBE-druppel bevat. Vervang IC≅IE en IB≅IE/β. Oplossen voor IE levert de IE CFB-biasvergelijking op. Oplossen voor IB levert de IB CFB-biasvergelijking op.
Voorkeur voor feedback van verzamelaars.
Voorbeeldberekeningen:
Zoek de vereiste collectorterugkoppelingsvoorspanningsweerstand voor een emitterstroom van 1 mA, een 4,7K collectorbelastingsweerstand en een transistor met β=100. Zoek de collectorspanning VC. Het moet ongeveer halverwege tussen VCC en aarde zijn.
De standaardwaarde die het dichtst bij de 460kΩ collectorfeedback-biasweerstand ligt, is 470kΩ. Zoek de emitterstroom IE met de weerstand van 470 KΩ. Bereken de emitterstroom voor een transistor opnieuw met β=100 en β=300.
We zien dat als bèta verandert van 100 naar 300, de emitterstroom toeneemt van 0,989 mA naar 1,48 mA. Dit is een verbetering ten opzichte van het vorige basisbiascircuit, dat een toename had van 1,02 mA naar 3,07 mA. Collector feedback bias is twee keer zo stabiel als base-bias met betrekking tot bètavariatie.
Emitter-bias
Het plaatsen van een weerstand RE in het emittercircuit zoals in onderstaande afbeelding veroorzaakt degeneratie , ook wel negatieve feedback genoemd . Dit verzet zich tegen een verandering in emitterstroom IE als gevolg van temperatuurveranderingen, weerstandstoleranties, bètavariatie of tolerantie van de voeding. Typische toleranties zijn als volgt:weerstand- 5%, beta- 100-300, voeding- 5%. Waarom zou de emitterweerstand een verandering in stroom kunnen stabiliseren? De polariteit van de spanningsval over RE is te wijten aan de collectorbatterij VCC. Het uiteinde van de weerstand dat zich het dichtst bij de (-) accupool bevindt is (-), het uiteinde dat zich het dichtst bij de (+) pool bevindt is (+). Merk op dat het (-) uiteinde van RE is aangesloten via VBB-batterij en RB op de basis. Elke toename van de stroom door RE zal de grootte van de negatieve spanning die op het basiscircuit wordt toegepast, vergroten, waardoor de basisstroom afneemt en de emitterstroom afneemt. Deze afnemende emitterstroom compenseert gedeeltelijk de oorspronkelijke toename.
Emitter-bias
Merk op dat base-bias-batterij VBB wordt gebruikt in plaats van VCC om de basis in de bovenstaande afbeelding voor te spannen. Later zullen we laten zien dat de emitter-bias effectiever is met een batterij met een lagere basisbias. Ondertussen schrijven we een KVL-vergelijking voor de lus door het basis-emittercircuit, waarbij we letten op de polariteit op de componenten. We vervangen IB≅IE/β en lossen de emitterstroom IE op. Deze vergelijking kan worden opgelost voor RB, vergelijking:RB emitter-bias, figuur hierboven.
Voordat we de vergelijkingen toepassen:RB emitter-bias en IE emitter-bias, de afbeelding hierboven, moeten we waarden kiezen voor RC en RE. RC is gerelateerd aan de collectorstroom VCC en de gewenste collectorstroom IC waarvan we aannemen dat deze ongeveer de emitterstroom IE is.
Normaal gesproken is het biaspunt voor VC ingesteld op de helft van VCC. Het kan echter hoger worden ingesteld om de spanningsval over de emitterweerstand RE te compenseren. De collectorstroom is wat we nodig hebben of kiezen. Het kan variëren van micro-ampères tot ampères, afhankelijk van de toepassing en de transistorclassificatie. We kiezen IC =1mA, typisch voor een transistorschakeling met klein signaal.
Voorbeeldberekeningen:
We berekenen een waarde voor RC en kiezen een dichte standaardwaarde. Een emitterweerstand die 10-50% van de collectorbelastingsweerstand is, werkt meestal goed.
Voor RB werd een weerstand van 883k berekend, een 870k gekozen. Bij β=100 is IE 1,01mA.
Voor β=300 worden de emitterstromen weergegeven in onderstaande tabel.
Vergelijking emitterstroom voor β=100, β=300.
De bovenstaande tabel laat zien dat voor VBB =10V, emitterbias de emitterstroom niet erg goed stabiliseert. Het voorbeeld van emitter-bias is beter dan het vorige voorbeeld van base-bias, maar niet veel. De sleutel tot effectieve emitterbias is het verlagen van de basisvoeding VBB dichter bij de hoeveelheid emitterbias.
Afronding dat is emitterstroom maal emitterweerstand:IERE =(1mA)(470) =0,47V. Bovendien moeten we de VBE =0.7V overwinnen. We hebben dus een VBB>(0,47 + 0,7)V of>1,17V nodig. Als de emitterstroom afwijkt, verandert dit aantal ten opzichte van de vaste basisvoeding VBB, waardoor een correctie op basisstroom IB en emitterstroom IE ontstaat. Een goede waarde voor VB>1,17V is 2V.
De berekende basisweerstand van 83k is veel lager dan de vorige 883k. We kiezen 82k uit de lijst met standaardwaarden. De emitterstromen met de 82k RB voor β=100 en β=300 zijn:
Als we de emitterstromen voor emitter-bias vergelijken met VBB =2V bij β=100 en β=300 met de vorige voorbeelden van biascircuits in de onderstaande tabel, zien we een aanzienlijke verbetering bij 1,75mA, hoewel niet zo goed als de 1,48mA van collector feedback.
Vergelijking emitterstroom voor β=100, β=300.
Om de prestaties van de emitter-bias te verbeteren, verhoogt u de emitterweerstand RE of verlaagt u de basis-bias-voeding VBB of beide.
Als voorbeeld verdubbelen we de emitterweerstand tot de dichtstbijzijnde standaardwaarde van 910Ω.
De berekende RB =39k is een standaardwaardeweerstand. U hoeft IE niet opnieuw te berekenen voor β =100. Voor β =300 is dit:
De prestaties van het emitter-bias circuit met een 910 emitterweerstand zijn veel verbeterd. Zie onderstaande tabel.
Vergelijking emitterstroom voor β=100, β=300.
Herwerk als oefening het voorbeeld van de emitter-bias met de emitterweerstand teruggezet naar 470Ω en de basisbias-voeding teruggebracht tot 1,5 V.
De basisweerstand van 33k is een standaardwaarde, emitterstroom bij β =100 is OK. De emitterstroom bij β =300 is:
De onderstaande tabel vergelijkt de trainingsresultaten 1mA en 1,38mA met de vorige voorbeelden.
Vergelijking emitterstroom voor β=100, β=300.
De emitter-bias-vergelijkingen zijn herhaald in de onderstaande afbeelding met de interne emitterweerstand inbegrepen voor een betere nauwkeurigheid. De interne emitterweerstand is de weerstand in het emittercircuit in het transistorpakket. Deze interne weerstand rEE is significant wanneer de (externe) emitterweerstand RE klein of zelfs nul is. De waarde van de interne weerstand REE is een functie van de emitterstroom IE, onderstaande tabel.
Afleiding van rEE
rEE =KT/IE m waarbij:K=1,38×10 -23 watt-sec/ o C, Boltzman's constante T=temperatuur in Kelvin ≅300. IkE =emitterstroom m =varieert van 1 tot 2 voor silicium rEE ≅ 0,026V/IE =26mV/IE
Ter referentie wordt de 26mV-benadering weergegeven als vergelijking rEE in onderstaande afbeelding.
Emitter-bias vergelijkingen met interne emitterweerstand rEE inbegrepen.
De nauwkeuriger emitter-bias-vergelijkingen in de bovenstaande figuur kunnen worden afgeleid door een KVL-vergelijking te schrijven. U kunt ook beginnen met de vergelijkingen IE emitter-bias en RB emitter-bias in de vorige figuur, waarbij u RE vervangt door rEE+RE. Het resultaat zijn vergelijkingen IE EB en RB EB, respectievelijk in bovenstaande figuur.
Voer de RB-berekening in het vorige voorbeeld emitter-bias opnieuw uit met de opname van rEE en vergelijk de resultaten.
Het opnemen van rEE in de berekening resulteert in een lagere waarde van de basisweerstand RB, zoals weergegeven in onderstaande tabel. Het valt onder de standaardwaarde van 82k weerstand in plaats van erboven.
Effect van opname van rEE op berekende RB
Bypass-condensator voor RE
Een probleem met emitterbias is dat een aanzienlijk deel van het uitgangssignaal over de emitterweerstand RE valt (figuur hieronder). Deze spanningsval over de emitterweerstand staat in serie met de basis en heeft een tegengestelde polariteit in vergelijking met het ingangssignaal. (Dit is vergelijkbaar met een gewone collectorconfiguratie met <1 versterking.) Deze degeneratie vermindert de versterking van basis naar collector aanzienlijk. De oplossing voor AC-signaalversterkers is om de emitterweerstand te omzeilen met een condensator. Dit herstelt de AC-versterking, aangezien de condensator een afkorting is voor AC-signalen. De DC-emitterstroom ondervindt nog steeds degeneratie in de emitterweerstand, waardoor de DC-stroom wordt gestabiliseerd.
Cbypass is vereist om vermindering van de AC-versterking te voorkomen.
De waarde van de bypass-condensator is afhankelijk van de laagst te versterken frequentie.
Voor radiofrequenties zou Cbpass klein zijn. Voor een audioversterker die zich uitstrekt tot 20 Hz zal het groot zijn. Een "vuistregel" voor de bypass-condensator is dat de reactantie 1/10 van de emitterweerstand of minder moet zijn. De condensator moet zo zijn ontworpen dat hij geschikt is voor de laagste frequentie die wordt versterkt. De condensator voor een audioversterker die 20 Hz tot 20 kHz dekt, zou zijn:
Merk op dat de interne emitterweerstand rEE niet wordt omzeild door de bypass-condensator.
Voorspanning spanningsdeler
Stabiele emittervoorspanning vereist een laagspanningsbasisvoorspanning, de onderstaande afbeelding. Het alternatief voor een basisvoeding VBB is een spanningsdeler op basis van de collectorvoeding VCC.
Spanningsdeler-bias vervangt basisbatterij door spanningsdeler.
De ontwerptechniek is om eerst een emitterbias-ontwerp uit te werken en dit vervolgens om te zetten in de configuratie van de spanningsdelerbias met behulp van de stelling van Thevenin. [TK1] De stappen zijn grafisch weergegeven in onderstaande figuur. Teken de spanningsdeler zonder waarden toe te kennen. Breek de verdeler los van de basis. (De basis van de transistor is de belasting.) Pas de stelling van Thevenin toe om een enkele Thevenin-equivalente weerstand Rth en spanningsbron Vth te verkrijgen.
De stelling van Thevenin zet de spanningsdeler om in een enkele voeding Vth en weerstand Rth.
De Thevenin-equivalente weerstand is de weerstand vanaf het laadpunt (pijl) met de batterij (VCC) teruggebracht tot 0 (aarde). Met andere woorden, R1||R2. De Thevenin-equivalente spanning is de nullastspanning (belasting verwijderd). Deze berekening is volgens de methode van de spanningsdelerverhouding. R1 wordt verkregen door R2 te elimineren uit het paar vergelijkingen voor Rth en Vth. De vergelijking van R1 is in termen van bekende grootheden Rth, Vth, Vcc. Merk op dat Rth RB is, de bias-weerstand van het emitter-bias-ontwerp. De vergelijking voor R2 is in termen van R1 en Rth.
Converteer dit vorige voorbeeld van emitter-bias naar bias voor spanningsdeler.
Emitter-bias voorbeeld omgezet in spanningsdeler bias.
Deze waarden zijn eerder geselecteerd of berekend voor een voorbeeld met emitterbias
Vervanging van VCC , VBB , RB levert R1 en R2 op voor de configuratie van de spanningsdelerbias.
R1 is een standaardwaarde van 220K. De dichtstbijzijnde standaardwaarde voor R2 die overeenkomt met 38,8k is 39k. Dit verandert IE niet genoeg voor ons om het te berekenen. Voorbeeld problemen 1. Bereken de voorspanningsweerstanden voor de cascodeversterker in de onderstaande afbeelding. VB2 is de voorspanning voor de common-emitter-trap. VB1 is een vrij hoge spanning van 11,5 omdat we willen dat de gemeenschappelijke basistrap de emitter op 11,5-0,7 =10,8 V houdt, ongeveer 11 V. (Het zal 10V zijn nadat rekening is gehouden met de spanningsval over RB1.) Dat wil zeggen, de common-base-trap is de belasting, ter vervanging van een weerstand, voor de collector van de common-emitter-trap. We willen een emitterstroom van 1 mA.
Bias voor een cascodeversterker.
2. Converteer de basisvoorspanningsweerstanden voor de cascodeversterker naar spanningsdelervoorspanningsweerstanden aangedreven door de VCC van 20V.
Het definitieve schakelschema wordt getoond in het hoofdstuk "Praktische analoge circuits", "Klasse A cascodeversterker . . . ” cascode, hoofdstuk 9 .
BEOORDELING:
- Zie onderstaande afbeelding.
- Selecteer bias-circuitconfiguratie
- Selecteer RC en IE voor de beoogde toepassing. De waarden voor RC en IE moeten normaal gesproken de collectorspanning VC instellen op 1/2 van VCC.
- Bereken basisweerstand RB om de gewenste emitterstroom te bereiken.
- Bereken indien nodig de emitterstroom IE voor standaardwaardeweerstanden opnieuw.
- Voor spanningsdeler-bias:voer eerst emitter-bias-berekeningen uit en bepaal vervolgens R1 en R2.
- Voor AC-versterkers verbetert een bypass-condensator parallel met RE de AC-versterking. Stel XC≤0.10RE in voor de laagste frequentie.
Samenvatting van biasvergelijkingen.
GERELATEERDE WERKBLAD:
- Werkblad Klasse A BJT-versterkers
Industriële technologie
- Huidige scheidingslijn
- Transistor als switch
- Statische elektriciteitssensor
- Inleiding tot bipolaire junctietransistoren (BJT)
- De Bipolar Junction Transistor (BJT) als Switch
- Biasing Techniques (BJT)
- Biasing-technieken (JFET)
- Biasing Techniques (IGFET)
- Vermogensberekeningen
- Stroomsignaalsystemen
- Spannings- en stroomberekeningen