Смещение биполярного транзистора

Биполярные транзисторы должны быть правильно смещены , чтобы работать правильно. сети смещения, состоящие из резисторов В схемах, выполненных с использованием отдельных устройств (дискретных цепях), обычно применяют используются гораздо более сложные схемы смещения . В интегральных схемах , например, источники опорного напряжения на запрещенной зоне и токовые зеркала . Конфигурация делителя напряжения обеспечивает правильное напряжение за счет использования резисторов определенных схем. Подбирая правильные номиналы резисторов, можно добиться стабильных уровней тока, которые лишь незначительно изменяются в зависимости от температуры и с такими свойствами транзистора, как β .

Рабочая точка устройства, также известная как точка смещения , точка покоя или точка Q , — это точка на выходной характеристике, которая показывает постоянное напряжение коллектор-эмиттер ( V _ce ) и ток коллектора ( I _c ) без каких-либо ограничений. подан входной сигнал.

Требования к цепи смещения

Сеть смещения выбирается для стабилизации рабочей точки транзистора за счет уменьшения следующих эффектов нестабильности устройства, температуры и изменений напряжения: ^[1]

Коэффициент усиления транзистора может значительно различаться в разных партиях, что приводит к совершенно разным рабочим точкам для последовательных устройств при серийном производстве или после замены транзистора.
Из-за эффекта Эрли 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.

Цепь смещения может состоять только из резисторов или может включать такие элементы, как термозависимые резисторы, диоды или дополнительные источники напряжения, в зависимости от ожидаемого диапазона рабочих условий.

Требования к сигналу

Для аналоговой работы усилителя класса A точка Q размещается таким образом, чтобы транзистор оставался в активном режиме (не переключался в режим работы в области насыщения или области отсечки) во всем диапазоне входного сигнала. Часто точка Q устанавливается вблизи центра активной области характеристики транзистора, чтобы обеспечить одинаковые колебания сигнала в положительном и отрицательном направлениях.

Для цифрового режима вместо этого выбирается точка Q, поэтому транзистор переключается из состояния «включено» (насыщение) в состояние «выключено» (отсечка).

Тепловые соображения

При постоянном токе напряжение на переходе эмиттер-база V _BE биполярного транзистора уменьшается на 2 мВ (кремний) и 1,8 мВ (германий) на каждый повышение температуры на 1 ° C (справочное значение составляет 25 ° C). Согласно модели Эберса-Молля , если напряжение база-эмиттер V _BE поддерживается постоянным и температура повышается, ток через переход база-эмиттер I _B увеличится, и, следовательно, ток коллектора I _C также увеличится. В зависимости от точки смещения может увеличиться и мощность, рассеиваемая в транзисторе, что еще больше повысит его температуру и усугубит проблему. Эта вредная положительная обратная связь приводит к тепловому разгону . ^[2] Существует несколько подходов к уменьшению теплового разгона биполярного транзистора. Например,

В схему смещения может быть встроена отрицательная обратная связь , чтобы увеличение тока коллектора приводило к уменьшению тока базы. Следовательно, увеличивающийся ток коллектора дросселирует его источник.
Можно использовать радиаторы , которые отводят лишнее тепло и предотвращают повышение 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 температурного разгона.

Типы схем смещения усилителей класса А

В следующем обсуждении рассматриваются пять распространенных схем смещения, используемых в усилителях на биполярных транзисторах класса А:

Фиксированное смещение
Смещение коллектор-база
Фиксированное смещение с эмиттерным резистором
Смещение делителя напряжения или делитель потенциала
Смещение эмиттера

Фиксированное смещение (базовое смещение)

Эту форму смещения также называют смещением базы или смещением фиксированного сопротивления .

В данной схеме с фиксированным смещением $I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}}}\,.$ Для данного транзистора V _be существенно не меняется во время использования. А поскольку R _b и источник постоянного напряжения V _cc постоянны, ток базы I _b также существенно не меняется. Таким образом, этот тип смещения называется фиксированным смещением .

Коэффициент по току с общим эмиттером усиления транзистора $(указанный в его технических характеристиках в виде диапазона h$ _FE или $β$ ) позволяет нам получить ${\textstyle I_{\text{c}}}$ также: $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}\,.$ Теперь V _ce можно определить: $V_{\text{ce}}=V_{\text{cc}}-{I_{\text{c}}R_{\text{c}}}\,.$ Таким образом, рабочая точка ${\textstyle (V_{\text{ce}},\ I_{\text{c}})}$ для транзистора можно установить с помощью R _b и R _c .

Преимущества:

Рабочая точка задается двумя резисторами и расчет очень прост.

Недостатки:

Поскольку смещение задается током базы, ток коллектора прямо пропорционален β. Следовательно, рабочая точка будет значительно меняться при замене транзисторов и нестабильна при изменении температуры.
Для транзисторов со слабым сигналом (например, не силовых транзисторов) с относительно высокими значениями β (т. е. от 100 до 200) такая конфигурация будет склонна к тепловому выходу из-под контроля . В частности, коэффициент стабильности , который является мерой изменения тока коллектора при изменении обратного тока насыщения , равен примерно β+1. Чтобы обеспечить абсолютную стабильность усилителя, предпочтительным является коэффициент стабильности менее 25, поэтому транзисторы с малым сигналом имеют большие коэффициенты стабильности. ^{[ нужна ссылка ]}

Использование:

Из-за указанных выше недостатков фиксированное смещение редко используется в линейных схемах (т. е. в тех схемах, в которых транзистор используется в качестве источника тока). Вместо этого он часто используется в схемах, где транзистор используется в качестве переключателя. Однако одним из применений фиксированного смещения является достижение грубой автоматической регулировки усиления транзистора путем подачи на базовый резистор сигнала постоянного тока, полученного с выхода переменного тока более позднего каскада.

Предвзятость обратной связи коллектора

В этой конфигурации используется отрицательная обратная связь для предотвращения температурного разгона и стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения базовый резистор $R_{\text{b}}$ подключается к коллектору, а не к $V_{\text{cc}}$ . Таким образом, любой тепловой выход приведет к падению напряжения на $R_{\text{c}}$ резистор, который будет регулировать ток базы транзистора.

По закону напряжения Кирхгофа напряжение $V_{{\text{R}}_{\text{b}}}$ через базовый резистор $R_{\text{b}}$ является

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

По –Молля модели Эберса $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}$ , и так

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}}.

По закону Ома ток базы $I_{\text{b}}=V_{{\text{R}}_{\text{b}}}/R_{\text{b}}$ , и так

\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, ток базы $I_{\text{b}}$ является

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

Если $V_{\text{be}}$ остается постоянной, а температура увеличивается, тогда ток коллектора $I_{\text{c}}$ увеличивается. Однако более крупный $I_{\text{c}}$ вызывает падение напряжения на резисторе $R_{\text{c}}$ увеличиваться, что, в свою очередь, снижает напряжение $V_{{\text{R}}_{\text{b}}}$ через базовый резистор $R_{\text{b}}$ . Меньшее падение напряжения на резисторе базы уменьшает ток базы. $I_{\text{b}}$ , что приводит к меньшему току коллектора $I_{\text{c}}$ . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противодействует, рабочая точка остается стабильной.

Преимущества:

Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е. замена транзистора).
Схема стабилизирует рабочую точку (как часть $V_{\text{cc}}$ ) против изменений в $V_{\text{cc}}$ .

Недостатки:

Хотя небольшие изменения β допустимы, большие изменения β сильно изменят рабочую точку. $R_{\text{b}}$ должен быть выбран, как только β известен достаточно точно (возможно, в пределах ~ 25%), однако изменчивость β между «идентичными» частями часто превышает эту величину.

В этой схеме, чтобы сохранить $I_{\text{c}}$ независимо от $\beta$ , должно выполняться следующее условие: $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}={\frac {\beta (V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{b}}+R_{\text{c}}+\beta R_{\text{c}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{c}}}}$ это тот случай, когда $\beta R_{\text{c}}\gg R_{\text{b}}.$
Как $\beta$ -значение фиксировано (и, как правило, неизвестно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо путем сохранения $R_{\text{c}}$ довольно большой или создающий $R_{\text{b}}$ очень низкий.

Если $R_{\text{c}}$ большой, высокий $V_{\text{cc}}$ Это необходимо, что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
Если $R_{\text{b}}$ мало, обратное смещение области коллектор-база невелико, что ограничивает диапазон размаха коллекторного напряжения, оставляющего транзистор в активном режиме.

Резистор $R_{\text{b}}$ вызывает обратную связь по переменному току , уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя. Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей точки Q. стабильности Однако для уменьшения обратной связи по переменному току можно использовать цепь T (RCR), которая, однако, создает более тяжелую нагрузку на коллектор, чем простой резистор обратной связи. На более высоких частотах можно использовать цепь обратной связи RL, однако она будет привносить пики в частотную характеристику в различных точках.

Использование: В этой конфигурации, которая известна как «обратная связь по напряжению-шунту», выходное напряжение измеряется, а сигнал обратной связи (ток) подается в виде шунта (т. е. параллельно входу). Это означает, что входное сопротивление «выглядит как в базу» на самом деле уменьшается. Это можно легко проверить, применив теорему Миллера. Эта ситуация аналогична ситуации в схеме инвертирующего операционного усилителя, где входное сопротивление усилителя на виртуальной земле близко к нулю, а общее входное сопротивление Импеданс определяется внешним последовательным резистором. Из-за снижения коэффициента усиления из-за обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда необходим компромисс для стабильности. Добавление эмиттерного резистора в эту схему увеличит входное сопротивление.

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором

Схема с фиксированным смещением модифицируется путем подключения к эмиттеру внешнего резистора. Этот резистор создает отрицательную обратную связь , которая стабилизирует точку Q. По закону Кирхгофа напряжение на базовом резисторе равно $V_{R_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{e}}R_{\text{e}}-V_{\text{be}}$ По закону Ома ток базы равен $I_{\text{b}}={\frac {V_{R_{\text{b}}}}{R_{\text{b}}}}$ Способ, которым обратная связь управляет точкой смещения, заключается в следующем. Если Vbe _{остается} постоянным и температура увеличивается, ток эмиттера увеличивается. Однако большее I _e увеличивает напряжение эмиттера V _e = I _e R _e , что, в свою очередь, снижает напряжение V _Rb на базовом резисторе. Меньшее падение напряжения на резисторе базы уменьшает ток базы, что приводит к уменьшению тока 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 сохраняется стабильной.

Аналогично, если транзистор заменить другим, может произойти изменение I _c (соответствующее, например, изменению значения β). С помощью процесса, аналогичного описанному выше, изменение сводится на нет, а рабочая точка остается стабильной.

Для данной схемы $I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{e}}}}$ Преимущества:

Схема имеет тенденцию стабилизировать рабочую точку при изменении температуры и значения β.

Недостатки:

В этой схеме, чтобы I _c оставался независимым от β, должно быть выполнено следующее условие: $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}={\frac {\beta (V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{e}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{e}}}}$ что примерно так, если $(\beta +1)R_{\text{e}}\gg R_{\text{b}}.$

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено, либо сохраняя R _e очень большим, либо делая R _b очень низким.
- Если R _e имеет большое значение, _{высокое значение V cc} необходимо . Это увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
- Если R _b низкий, в базовой цепи следует использовать отдельный источник низкого напряжения. Использовать два источника разного напряжения нецелесообразно.
В дополнение к вышесказанному, R _e вызывает обратную связь по переменному току, которая снижает коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Использование:

Обратная связь также увеличивает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть полезно. Из-за вышеуказанных недостатков этот тип схемы смещения используется только с тщательным учетом возможных компромиссов.

Коллекторно-стабилизированное смещение.

Смещение делителя напряжения или эмиттера Резистор Стабилизатора смещения

Делитель напряжения формируется с помощью внешних резисторов R ₁ и R ₂ . Напряжение на R ₂ смещает вперед эмиттерный переход. Путем правильного подбора резисторов R1 _и R2 _{рабочую} точку транзистора можно сделать независимой от β. В этой схеме делитель напряжения удерживает фиксированное напряжение базы (независимо от тока базы), при условии, что ток делителя велик по сравнению с током базы. Однако даже при фиксированном напряжении базы ток коллектора меняется в зависимости 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 определенных схем. Манипулируя резисторами определенным образом, вы можете добиться более стабильных уровней тока без слишком сильного влияния значения β.

В этой схеме базовое напряжение, ${\textstyle V_{\text{b}}}$ , через $R_{2}\$ дается $V_{\text{b}}=V_{\text{cc}}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}-I_{\text{b}}{\frac {R_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}\approx V_{\text{cc}}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}$ предоставил $I_{\text{b}}<<I_{1}=V_{\text{b}}/R_{1}$ .

Также известно, что $V_{\text{b}}=V_{\text{be}}+V_{\text{e}}=V_{\text{be}}+I_{\text{e}}R_{\text{e}}.$ Для данной схемы $I_{\text{b}}={\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{(\beta +1)R_{\text{e}}+R_{1}\parallel R_{2}}}$ Преимущества:

Рабочая точка практически не зависит от изменения β.
Рабочая точка стабилизирована относительно изменения температуры.

Недостатки:

В этой схеме, чтобы I _c оставался независимым от β, должно быть выполнено следующее условие: $I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}=\beta {\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{(\beta +1)R_{\text{e}}+R_{1}\parallel R_{2}}}\approx {\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{e}}}},$ что примерно так, если $(\beta +1)R_{\text{e}}>>R_{1}\parallel R_{2}$ где Р ₁ || R ₂ обозначает эквивалентное сопротивление R ₁ и R _2, соединенных параллельно.

Поскольку значение β фиксировано для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо за счет сохранения R _e R ₁ ||R ₂ достаточно большим, либо за счет очень низкого значения .
- Если R _e имеет большое значение, _{высокое значение V cc} необходимо . Это увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
- Если Р ₁ || R2 _{имеет низкий уровень} , либо R1 _имеет низкий уровень, либо R2 _имеет низкий уровень, либо оба имеют низкий уровень. Низкое значение R ₁ приближает V _b к V _c , уменьшая доступные колебания напряжения коллектора и ограничивая величину R _c без вывода транзистора из активного режима. Низкое значение R ₂ снижает V _be , уменьшая допустимый ток коллектора. Уменьшение номиналов обоих резисторов приводит к увеличению тока от источника питания и снижению входного сопротивления усилителя, если смотреть со стороны базы.
Обратная связь по переменному току, как и по постоянному току, вызвана R _e , что снижает коэффициент усиления усилителя по переменному напряжению. Ниже обсуждается метод предотвращения обратной связи по переменному току при сохранении обратной связи по постоянному току.

Использование:

Стабильность и достоинства схемы, описанные выше, делают ее широко используемой для линейных цепей.

Делитель напряжения с развязывающим конденсатором переменного тока

Рассмотренная выше стандартная схема делителя напряжения имеет недостаток: обратная связь по переменному току, вызванная резистором R _e, снижает коэффициент усиления. Этого можно избежать, поместив конденсатор (C _e ) параллельно с R _e , как показано на принципиальной схеме.

Преимущества:

В результате рабочая точка постоянного тока хорошо контролируется.

Коэффициент усиления переменного тока намного выше (приближается к β), а не гораздо более низкому (но предсказуемому) значению $R_{\text{c}}/R_{\text{e}}$ без конденсатора.

Недостатки:

Добавляет дополнительный компонент.

Смещение эмиттера

При наличии разделенного источника питания (двойного источника питания) эта схема смещения является наиболее эффективной. Он обеспечивает нулевое напряжение смещения на эмиттере или коллекторе нагрузки. ^{[ нужны разъяснения ]} Отрицательное питание V _ee используется для прямого смещения эмиттерного перехода через _Re . Положительный источник питания Vcc _{используется} для обратного смещения коллекторного перехода.

Если R _b достаточно мало, базовое напряжение будет примерно равно нулю. Следовательно, ток эмиттера равен $I_{\text{e}}={\frac {V_{\text{ee}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{e}}}}$ Преимущества:

Рабочая точка не зависит от ${\textstyle \beta }$ если ${\textstyle R_{\text{e}}\gg R_{\text{b}}/\beta }$ .

Для схемы с общим коллектором необходимы только два резистора. (И четыре резистора для конфигурации с общим эмиттером или общей базой.)

Недостатки:

Этот тип можно использовать только при наличии разделенного (двойного) источника питания.

Усилители классов B и AB

Требования к сигналу

В усилителях классов B и AB используются два активных устройства, обеспечивающих полный охват входного сигнала на 360 градусов. Таким образом, каждый транзистор смещен так, чтобы работать под углом примерно 180 градусов входного сигнала. 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 около 1 ⁄ 4 от максимально возможного значения. усилителя класса AB Схема двухтактного выходного , приведенная ниже, может стать основой для аудиоусилителя средней мощности.

Q3 представляет собой 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 в двухтактном режиме класса AB, также называемом дополнительной парой. Диоды . D1 и D2 обеспечивают небольшое смещение постоянного напряжения для выходной пары, просто переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать перекрестные искажения То есть диоды переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение напряжения база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет рассеивания тепла).

Эта конструкция автоматически стабилизирует свою рабочую точку, поскольку общая внутренняя обратная связь действует от постоянного тока до звукового диапазона и за его пределами. Использование фиксированного смещения диодов требует, чтобы диоды были как электрически, так и термически согласованы с выходными транзисторами. Если выходные транзисторы проводят слишком много, они могут легко перегреться и выйти из строя, поскольку на этом этапе полный ток источника питания не ограничивается.

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

См. также

Ссылки

^ Пол Горовиц, Уинфилд Хилл, Искусство электроники, второе издание , Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7 , стр. 73-75
^ А. С. Седра и К. К. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 397 , рисунок 5.17, и с. 1245. ИСБН 0-19-514251-9 .

Дальнейшее чтение

Патил, ПК; Читнис, ММ (2005). Основное электричество и полупроводниковые устройства . Пхадке Пракашан.

Внешние ссылки

Предвзятость - из Научно-технической энциклопедии
Серия тренингов по электротехнике: Типы смещения

[1] Пол Горовиц, Уинфилд Хилл, Искусство электроники, второе издание , Cambridge University Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7 , стр. 73-75

[Sedra-2] А. С. Седра и К. К. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. 397 , рисунок 5.17, и с. 1245. ИСБН 0-19-514251-9 .

[1]

[2]