Расчеты смещения транзистора
Хотя схемы переключения транзисторов работают без смещения, для аналоговых схем необычно работать без смещения. Один из немногих примеров - «TR One, одно транзисторное радио» TR One, Ch 9 с усиленным детектором AM (амплитудной модуляцией). Обратите внимание на отсутствие резистора смещения на базе в этой цепи. В этом разделе мы рассмотрим несколько основных схем смещения, которые могут установить выбранный IE тока эмиттера. При желаемом токе эмиттера IE, какие требуются резисторы смещения, RB, RE и т. Д.?
Базовый резистор смещения
В простейшем смещении применяется base-bias резистор между базой и базовой батареей V BB . Вместо нового источника напряжения смещения удобно использовать существующий источник питания VCC. Примером каскада звукового усилителя, использующего смещение базы, является «Кристаллический радиоприемник с одним транзистором. . . Кристалл радиоприемника, Ch 9. Обратите внимание на резистор от базы до клеммы аккумулятора. Аналогичная схема изображена на рисунке ниже. Напишите уравнение KVL (закон напряжения Кирхгофа) для контура, содержащего батарею, RB и падение диода VBE на транзисторе, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что мы используем VBB для базового питания, хотя на самом деле это VCC. Если β велико, мы можем сделать приближение IC =IE. Для кремниевых транзисторов ВБЭ≅0,7В.
Базовое смещение
Кремниевые малосигнальные транзисторы обычно имеют β в диапазоне 100–300.
Примеры расчетов:
Предполагая, что у нас есть транзистор с β =100, какое значение резистора смещения базы требуется, чтобы обеспечить ток эмиттера 1 мА? Решение уравнения базового смещения IE для RB и замена β, VBB, VBE и IE дает 930 кОм. Ближайшее стандартное значение - 910 кОм.
Какой ток эмиттера с резистором 910 кОм? Каков ток эмиттера, если мы случайно получим транзистор β =300?
Ток эмиттера мало изменяется при использовании резистора стандартного номинала 910 кОм. Однако при изменении β от 100 до 300 ток эмиттера утроился. Это неприемлемо для усилителя мощности, если мы ожидаем, что напряжение коллектора будет колебаться от около VCC до около земли. Однако для сигналов низкого уровня от микровольт до примерно вольта точка смещения может быть центрирована для β квадратного корня из (100 · 300) =173. Точка смещения все равно будет сильно смещаться. Однако сигналы низкого уровня не будут обрезаться.
Базовое смещение не подходит для высоких эмиттерных токов, используемых в усилителях мощности. Ток эмиттера, смещенный к базе, нестабилен при температуре.
Температурный неуправляемый является результатом высокого эмиттерного тока, вызывающего повышение температуры, что вызывает увеличение эмиттерного тока, что еще больше увеличивает температуру.
Предвзятость обратной связи коллекционера
Вариации смещения, вызванные температурой и бета-коэффициентом, можно уменьшить, переместив конец VBB резистора смещения базы к коллектору, как показано на рисунке ниже. Если ток эмиттера увеличился, падение напряжения на RC увеличилось, уменьшив VC, уменьшив IB, возвращаемое на базу. Это, в свою очередь, снижает ток эмиттера, корректируя первоначальное увеличение.
Напишите уравнение KVL для контура, содержащего батарею, RC, RB и каплю VBE. Заменить IC≅IE и IB≅IE / β. Решение для IE дает уравнение смещения IE CFB. Решение IB дает уравнение IB CFB-bias.
Предвзятость обратной связи коллекционера.
Примеры расчетов:
Найдите требуемый резистор смещения обратной связи коллектора для тока эмиттера 1 мА, резистора нагрузки коллектора 4,7 кОм и транзистора с β =100. Найдите напряжение коллектора VC. Это должно быть примерно посередине между VCC и землей.
Ближайшее стандартное значение резистора смещения обратной связи коллектора 460 кОм составляет 470 кОм. Найдите ток эмиттера IE с резистором 470 кОм. Пересчитайте ток эмиттера для транзистора с β =100 и β =300.
Мы видим, что при изменении бета от 100 до 300 ток эмиттера увеличивается с 0,989 мА до 1,48 мА. Это улучшение по сравнению с предыдущей схемой базового смещения, которая увеличилась с 1,02 мА до 3,07 мА. Смещение обратной связи коллектора в два раза стабильнее смещения базы в отношении бета-вариации.
Смещение эмиттера
Вставка резистора RE в цепь эмиттера, как показано на рисунке ниже, вызывает дегенерацию , также известный как отрицательный отзыв . Это препятствует изменению тока эмиттера IE из-за изменений температуры, допусков резистора, бета-изменения или допуска источника питания. Типовые допуски следующие:резистор - 5%, бета - 100-300, блок питания - 5%. Почему эмиттерный резистор может стабилизировать изменение тока? Полярность падения напряжения на RE обусловлена коллекторной батареей VCC. Конец резистора, ближайший к (-) клемме батареи, - (-), конец, ближайший к клемме (+), - это (+). Обратите внимание, что (-) конец RE подключен через батарею VBB и RB к базе. Любое увеличение тока, протекающего через RE, увеличит величину отрицательного напряжения, приложенного к цепи базы, уменьшив ток базы, уменьшив ток эмиттера. Уменьшение тока эмиттера частично компенсирует первоначальное увеличение.
Смещение эмиттера
Обратите внимание, что батарея с базовым смещением VBB используется вместо VCC для смещения базы на рисунке выше. Позже мы покажем, что смещение эмиттера более эффективно при использовании батареи с более низким базовым смещением. Между тем, мы пишем уравнение КВЛ для контура через цепь база-эмиттер, обращая внимание на полярность компонентов. Подставляем IB≅IE / β и решаем ток эмиттера IE. Это уравнение может быть решено для RB, уравнение:RB emitter-bias, рисунок выше.
Перед применением уравнений:RB emitter-bias и IE emitter-bias, рисунок выше, нам нужно выбрать значения для RC и RE. RC связан с питанием коллектора VCC и желаемым током коллектора IC, который, как мы предполагаем, приблизительно равен току эмиттера IE.
Обычно точка смещения для VC устанавливается равной половине VCC. Однако его можно установить выше, чтобы компенсировать падение напряжения на эмиттерном резисторе RE. Ток коллектора - это то, что мы требуем или выбираем. Он может варьироваться от микроампер до ампер в зависимости от приложения и номинала транзистора. Мы выбираем IC =1 мА, что типично для схемы на малосигнальном транзисторе.
Примеры расчетов:
Рассчитываем значение RC и выбираем близкое стандартное значение. Эмиттерный резистор, который составляет 10-50% резистора нагрузки коллектора, обычно работает нормально.
Для RB был рассчитан резистор 883 кОм, выбрано 870 кОм. При β =100 IE составляет 1,01 мА.
Для β =300 токи эмиттера показаны в таблице ниже.
Сравнение тока эмиттера для β =100, β =300.
Таблица выше показывает, что для VBB =10 В смещение эмиттера не очень хорошо стабилизирует ток эмиттера. Пример смещения эмиттера лучше, чем предыдущий пример смещения базы, но не намного. Ключом к эффективному смещению эмиттера является снижение базового напряжения VBB ближе к величине смещения эмиттера.
Округление, которое означает время эмиттера, умноженное на резистор эмиттера:IERE =(1 мА) (470) =0,47 В. Вдобавок нам нужно побороть VBE =0.7V. Таким образом, нам нужен VBB> (0,47 + 0,7) В или> 1,17 В. Если ток эмиттера отклоняется, это число изменится по сравнению с постоянным базовым питанием VBB, вызывая корректировку базового тока IB и тока эмиттера IE. Хорошее значение для VB> 1,17 В - 2 В.
Расчетный базовый резистор 83k намного ниже, чем предыдущий 883k. Выбираем 82к из списка стандартных значений. Токи эмиттера с РБ 82 кОм для β =100 и β =300 составляют:
Сравнивая токи эмиттера для смещения эмиттера с VBB =2 В при β =100 и β =300 с предыдущими примерами схемы смещения в таблице ниже, мы видим значительное улучшение при 1,75 мА, хотя и не так хорошо, как 1,48 мА коллектора. обратная связь.
Сравнение тока эмиттера для β =100, β =300.
Чтобы улучшить характеристики смещения эмиттера, либо увеличьте резистор эмиттера RE, либо уменьшите источник смещения базы VBB, либо и то, и другое.
Например, мы удваиваем резистор эмиттера до ближайшего стандартного значения 910 Ом.
Вычисленное RB =39k - резистор стандартного номинала. Нет необходимости пересчитывать IE для β =100. Для β =300 это:
Характеристики схемы эмиттерного смещения с эмиттерным резистором 910 значительно улучшены. См. Таблицу ниже.
Сравнение тока эмиттера для β =100, β =300.
В качестве упражнения переработайте пример смещения эмиттера с резистором эмиттера, возвращенным к 470 Ом, а напряжение смещения базы уменьшено до 1,5 В.
Базовый резистор 33 кОм - это стандартное значение, ток эмиттера при β =100 в порядке. Ток эмиттера при β =300 составляет:
В таблице ниже сравниваются результаты упражнений 1 мА и 1,38 мА с предыдущими примерами.
Сравнение тока эмиттера для β =100, β =300.
Уравнения смещения эмиттера повторены на рисунке ниже с включенным внутренним сопротивлением эмиттера для большей точности. Внутреннее сопротивление эмиттера - это сопротивление в цепи эмиттера внутри корпуса транзистора. Это внутреннее сопротивление rEE является значительным, когда (внешний) эмиттерный резистор RE мал или даже равен нулю. Значение внутреннего сопротивления REE является функцией тока эмиттера IE, таблица ниже.
Получение r EE
r EE =KT / I E м, где:K =1,38 × 10 -23 ватт-сек / o C, постоянная Больцмана T =температура в Кельвинах ≅300. Я E =ток эмиттера m =изменяется от 1 до 2 для кремния r EE ≅ 0,026 В / I E =26 мВ / л E
Для справки приближение 26 мВ указано как уравнение rEE на рисунке ниже.
Включены уравнения смещения эмиттера с внутренним сопротивлением эмиттера rEE.
Более точные уравнения смещения эмиттера на рисунке выше могут быть получены путем записи уравнения KVL. В качестве альтернативы, начните с уравнений IE emitter-bias и RB emitter-bias на рисунке выше, заменив RE на rEE + RE. Результатом являются уравнения IE EB и RB EB соответственно на рисунке выше.
Повторите вычисление RB в предыдущем примере emitter-bias с включением rEE и сравните результаты.
Включение rEE в расчет приводит к более низкому значению базового резистора RB, как показано в таблице ниже. Он падает ниже стандартного значения резистора 82 кОм, а не выше него.
Влияние включения РЭЭ на расчетный РБ
Байпасный конденсатор для RE
Одна из проблем со смещением эмиттера заключается в том, что значительная часть выходного сигнала падает на эмиттерный резистор RE (рисунок ниже). Это падение напряжения на эмиттерном резисторе идет последовательно с базой и имеет противоположную полярность по сравнению с входным сигналом. (Это похоже на обычную конфигурацию коллектора с коэффициентом усиления <1). Это ухудшение сильно снижает коэффициент усиления от базы к коллектору. Решением для усилителей сигналов переменного тока является обход эмиттерного резистора с помощью конденсатора. Это восстанавливает усиление переменного тока, поскольку конденсатор не подходит для сигналов переменного тока. Постоянный ток эмиттера по-прежнему претерпевает вырождение в эмиттерном резисторе, таким образом стабилизируя постоянный ток.
Cbypass необходим для предотвращения снижения усиления переменного тока.
Емкость байпасного конденсатора зависит от самой низкой частоты, которую нужно усилить.
Для радиочастот Cbpass было бы мало. Для аудиоусилителя с диапазоном частот до 20 Гц он будет большим. «Практическое правило» для байпасного конденсатора заключается в том, что реактивное сопротивление должно быть 1/10 сопротивления эмиттера или меньше. Конденсатор должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать самую низкую частоту усиления. Конденсатор для аудиоусилителя с диапазоном частот от 20 Гц до 20 кГц:
Обратите внимание, что внутреннее сопротивление эмиттера rEE не обходится байпасным конденсатором.
Смещение делителя напряжения
Для стабильного смещения эмиттера требуется источник смещения базы низкого напряжения, как показано на рисунке ниже. Альтернативой базовому источнику питания VBB является делитель напряжения, основанный на питании коллектора VCC.
Смещение делителя напряжения заменяет базовую батарею делителем напряжения.
Методика проектирования состоит в том, чтобы сначала разработать схему смещения эмиттера, а затем преобразовать ее в конфигурацию смещения делителя напряжения с помощью теоремы Тевенина. [TK1] Шаги графически показаны на рисунке ниже. Изобразите делитель напряжения без присвоения значений. Отсоедините перегородку от основания. (База транзистора - это нагрузка.) Примените теорему Тевенина, чтобы получить одно эквивалентное сопротивление Тевенина Rth и источник напряжения Vth.
Теорема Тевенина преобразует делитель напряжения в однополярный Vth и сопротивление Rth.
Эквивалентное сопротивление Thevenin - это сопротивление от точки нагрузки (стрелка) с аккумулятором (VCC), уменьшенным до 0 (земля). Другими словами, R1 || R2. Эквивалентное напряжение Тевенина - это напряжение холостого хода (нагрузка снята). Этот расчет выполняется методом коэффициента делителя напряжения. R1 получается удалением R2 из пары уравнений для Rth и Vth. Уравнение R1 выражается в известных величинах Rth, Vth, Vcc. Обратите внимание, что Rth - это RB, резистор смещения из конструкции эмиттер-смещения. Уравнение для R2 выражается через R1 и Rth.
Преобразуйте этот предыдущий пример смещения эмиттера в смещение делителя напряжения.
Пример преобразования эмиттерного смещения в смещение делителя напряжения.
Эти значения были ранее выбраны или рассчитаны для примера смещения эмиттера
Подстановка VCC, VBB, RB дает R1 и R2 для конфигурации смещения делителя напряжения.
R1 - стандартное значение 220К. Ближайшее стандартное значение R2, соответствующее 38,8k, составляет 39k. Это не меняет IE настолько, чтобы мы могли его вычислить. Примеры проблем 1. Рассчитайте резисторы смещения для каскодного усилителя, показанного на рисунке ниже. VB2 - напряжение смещения для каскада с общим эмиттером. VB1 - это довольно высокое напряжение на уровне 11,5, потому что мы хотим, чтобы каскад с общей базой удерживал на эмиттере 11,5-0,7 =10,8 В, около 11 В. (Это будет 10 В с учетом падения напряжения на RB1.) То есть каскад с общей базой является нагрузкой, заменяющей резистор, для коллектора каскада с общим эмиттером. Нам нужен ток эмиттера 1 мА.
Смещение для каскодного усилителя.
2. Преобразуйте базовые резисторы смещения для каскодного усилителя в резисторы смещения делителя напряжения, управляемые напряжением VCC 20 В.
Окончательная принципиальная схема показана в главе «Практические аналоговые схемы», «Каскодный усилитель класса А. . . ”Каскод, гл. 9.
ОБЗОР:
- См. рисунок ниже.
- Выберите конфигурацию цепи смещения.
- Выберите RC и IE для предполагаемого приложения. Значения RC и IE обычно должны устанавливать напряжение коллектора VC равным 1/2 от VCC.
- Рассчитайте резистор RB базы для достижения желаемого тока эмиттера.
- При необходимости пересчитайте IE ток эмиттера для резисторов стандартного номинала.
- Для смещения делителя напряжения сначала выполните расчеты смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
- Для усилителей переменного тока байпасный конденсатор, включенный параллельно с RE, улучшает усиление переменного тока. Установите XC≤0,10RE для минимальной частоты.
Сводка уравнений смещения.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:
- Рабочий лист усилителей BJT класса A
Промышленные технологии
- Текущий разделитель
- Транзистор как переключатель
- Датчик статического электричества
- Введение в биполярные переходные транзисторы (BJT)
- Биполярный переходной транзистор (BJT) как переключатель
- Методы смещения (JFET)
- Методы смещения (IGFET)
- Расчет мощности
- Текущие сигнальные системы
- Расчет напряжения и тока