Transistor-Biasing-Berechnungen
Obwohl Transistorschaltkreise ohne Vorspannung arbeiten, ist es für analoge Schaltungen ungewöhnlich, ohne Vorspannung zu arbeiten. Eines der wenigen Beispiele ist „TR One, ein Transistorradio“ TR One, Ch 9 mit einem verstärkten AM-Detektor (Amplitudenmodulation). Beachten Sie das Fehlen eines Vorspannungswiderstands an der Basis in dieser Schaltung. In diesem Abschnitt betrachten wir einige grundlegende Bias-Schaltungen, die einen ausgewählten Emitterstrom IE einstellen können. Welche Werte der Vorspannungswiderstände sind bei einem gewünschten Emitterstrom IE erforderlich, RB, RE usw.?
Basisvorspannungswiderstand
Die einfachste Gewichtung wendet ein . an Basis-Bias Widerstand zwischen der Basis und einer Basisbatterie V BB . Es ist zweckmäßig, die vorhandene VCC-Versorgung anstelle einer neuen Vorspannungsversorgung zu verwenden. Ein Beispiel für eine Audioverstärkerstufe mit Basisvorspannung ist „Kristallradio mit einem Transistor. . . ” Quarzradio, Ch 9. Beachten Sie den Widerstand von der Basis zum Batteriepol. Eine ähnliche Schaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Schreiben Sie eine KVL-Gleichung (Kirchhoff-Spannungsgesetz) über die Schleife, die die Batterie, RB und den VBE-Diodenabfall auf dem Transistor in der Abbildung unten enthält. Beachten Sie, dass wir VBB für die Basisversorgung verwenden, obwohl es tatsächlich VCC ist. Wenn β groß ist, können wir die Näherung IC =IE machen. Für Siliziumtransistoren VBE≅0.7V.
Basis-Bias
Silizium-Kleinsignaltransistoren haben typischerweise ein β im Bereich von 100-300.
Beispielrechnungen:
Angenommen, wir haben einen β=100-Transistor, welcher Wert des Basis-Bias-Widerstands ist erforderlich, um einen Emitterstrom von 1 mA zu liefern? Lösen der IE-Base-Bias-Gleichung für RB und Ersetzen von β, VBB, VBE und IE ergeben 930kΩ. Der nächste Standardwert ist 910kΩ.
Wie hoch ist der Emitterstrom bei einem 910kΩ Widerstand? Wie hoch ist der Emitterstrom, wenn wir zufällig einen β=300-Transistor erhalten?
Der Emitterstrom wird bei Verwendung des Standardwerts von 910 kΩ Widerstand wenig verändert. Bei einer Änderung von β von 100 auf 300 hat sich der Emitterstrom jedoch verdreifacht. Dies ist in einem Leistungsverstärker nicht akzeptabel, wenn wir erwarten, dass die Kollektorspannung von nahe VCC zu nahe Masse schwingt. Für Signale mit niedrigem Pegel von Mikrovolt bis etwa einem Volt kann der Vorspannungspunkt jedoch für ein β der Quadratwurzel von (100·300) =173 zentriert werden. Der Bias-Punkt wird immer noch um einen beträchtlichen Betrag driften. Signale mit niedrigem Pegel werden jedoch nicht abgeschnitten.
Base-Bias ist nicht geeignet für hohe Emitterströme, wie sie in Leistungsverstärkern verwendet werden. Der an der Basis vorgespannte Emitterstrom ist nicht temperaturstabil.
Thermoausreißer ist das Ergebnis eines hohen Emitterstroms, der einen Temperaturanstieg verursacht, der einen Anstieg des Emitterstroms verursacht, der die Temperatur weiter erhöht.
Kollektor-Feedback-Bias
Schwankungen der Vorspannung aufgrund von Temperatur und Beta können reduziert werden, indem das VBB-Ende des Basisvorspannungswiderstands wie in der Abbildung unten gezeigt zum Kollektor verschoben wird. Wenn der Emitterstrom ansteigt, steigt der Spannungsabfall über RC, verringert VC, verringert IB, die zur Basis zurückgeführt wird. Dies wiederum verringert den Emitterstrom und korrigiert den ursprünglichen Anstieg.
Schreiben Sie eine KVL-Gleichung über die Schleife, die die Batterie, RC, RB und den VBE-Abfall enthält. Ersetzen Sie IC≅IE und IB≅IE/β. Das Auflösen nach IE ergibt die IE CFB-Bias-Gleichung. Das Auflösen nach IB ergibt die IB CFB-Bias-Gleichung.
Kollektor-Feedback-Bias.
Beispielrechnungen:
Finden Sie den erforderlichen Kollektor-Rückkopplungs-Bias-Widerstand für einen Emitterstrom von 1 mA, einen Kollektor-Lastwiderstand von 4,7 K und einen Transistor mit β =100. Finden Sie die Kollektorspannung VC. Er sollte ungefähr in der Mitte zwischen VCC und Masse liegen.
Der Standardwert, der dem 460 kΩ Kollektor-Rückkopplungs-Vorspannungswiderstand am nächsten kommt, ist 470 kΩ. Ermitteln Sie den Emitterstrom IE mit dem 470KΩ-Widerstand. Berechnen Sie den Emitterstrom für einen Transistor mit β=100 und β=300 neu.
Wir sehen, dass bei einer Beta-Änderung von 100 auf 300 der Emitterstrom von 0,989 mA auf 1,48 mA ansteigt. Dies ist eine Verbesserung gegenüber der vorherigen Base-Bias-Schaltung, die einen Anstieg von 1,02 mA auf 3,07 mA aufwies. Der Kollektor-Feedback-Bias ist in Bezug auf die Beta-Variation doppelt so stabil wie der Basis-Bias.
Emitter-Bias
Das Einfügen eines Widerstands RE in die Emitterschaltung wie in der folgenden Abbildung führt zu einer Degeneration , auch als negatives Feedback bekannt . Dies steht einer Änderung des Emitterstroms IE aufgrund von Temperaturänderungen, Widerstandstoleranzen, Beta-Variationen oder Stromversorgungstoleranzen entgegen. Typische Toleranzen sind wie folgt:Widerstand – 5 %, Beta – 100-300, Stromversorgung – 5 %. Warum könnte der Emitterwiderstand eine Stromänderung stabilisieren? Die Polarität des Spannungsabfalls über RE ist auf die Kollektorbatterie VCC zurückzuführen. Das Ende des Widerstands, das der (-) Batterieklemme am nächsten ist, ist (-), das Ende, das der (+) Klemme am nächsten ist (+). Beachten Sie, dass das (-) Ende von RE über VBB-Batterie und RB mit der Basis verbunden ist. Jede Erhöhung des Stromflusses durch RE erhöht die Größe der an die Basisschaltung angelegten negativen Spannung, wodurch der Basisstrom verringert und der Emitterstrom verringert wird. Dieser abnehmende Emitterstrom kompensiert teilweise den ursprünglichen Anstieg.
Emitter-Bias
Beachten Sie, dass die Basis-Bias-Batterie VBB anstelle von VCC verwendet wird, um die Basis in der obigen Abbildung vorzuspannen. Später werden wir zeigen, dass die Emitter-Vorspannung mit einer Batterie mit niedrigerer Basisvorspannung effektiver ist. In der Zwischenzeit schreiben wir eine KVL-Gleichung für die Schleife durch die Basis-Emitter-Schaltung, wobei wir auf die Polarität der Komponenten achten. Wir ersetzen IB≅IE/β und lösen nach dem Emitterstrom IE auf. Diese Gleichung kann für RB gelöst werden, Gleichung:RB Emitter-Bias, Abbildung oben.
Bevor wir die Gleichungen anwenden:RB Emitter-Bias und IE Emitter-Bias, die Abbildung oben, müssen wir Werte für RC und RE wählen. RC bezieht sich auf die Kollektorversorgung VCC und den gewünschten Kollektorstrom IC, von dem wir annehmen, dass er ungefähr der Emitterstrom IE ist.
Normalerweise wird der Vorspannungspunkt für VC auf die Hälfte von VCC eingestellt. Er könnte jedoch höher eingestellt werden, um den Spannungsabfall am Emitterwiderstand RE zu kompensieren. Der Kollektorstrom ist alles, was wir benötigen oder wählen. Er kann je nach Anwendung und Transistorleistung von Mikroampere bis Ampere reichen. Wir wählen IC =1mA, typisch für eine Kleinsignal-Transistorschaltung.
Beispielrechnungen:
Wir berechnen einen Wert für RC und wählen einen nahen Standardwert. Ein Emitterwiderstand, der 10-50% des Kollektorlastwiderstands ausmacht, funktioniert normalerweise gut.
Für RB wurde ein 883k Widerstand berechnet, ein 870k gewählt. Bei β=100 beträgt IE 1,01mA.
Für β=300 sind die Emitterströme in der Tabelle unten gezeigt.
Emitterstromvergleich für β=100, β=300.
Die obige Tabelle zeigt, dass die Emitter-Vorspannung für VBB =10 V keine sehr gute Arbeit zur Stabilisierung des Emitterstroms leistet. Das Emitter-Bias-Beispiel ist besser als das vorherige Base-Bias-Beispiel, aber nicht viel. Der Schlüssel zu einer effektiven Emittervorspannung besteht darin, die Basisversorgung VBB näher an den Betrag der Emittervorspannung zu senken.
Rundung also Emitterstrom mal Emitterwiderstand:IERE =(1mA)(470) =0,47V. Außerdem müssen wir die VBE =0,7 V überwinden. Daher benötigen wir eine VBB> (0,47 + 0,7) V oder> 1,17 V. Wenn der Emitterstrom abweicht, ändert sich dieser Wert gegenüber der festen Basisversorgung VBB, was eine Korrektur des Basisstroms IB und des Emitterstroms IE bewirkt. Ein guter Wert für VB>1,17V ist 2V.
Der berechnete Basiswiderstand von 83k ist viel niedriger als der vorherige 883k. Wir wählen 82k aus der Liste der Standardwerte. Die Emitterströme mit 82k RB für β=100 und β=300 sind:
Vergleicht man die Emitterströme für Emitter-Bias mit VBB =2V bei β=100 und β=300 mit den vorherigen Bias-Schaltungsbeispielen in der folgenden Tabelle, sehen wir eine erhebliche Verbesserung bei 1,75mA, jedoch nicht so gut wie die 1,48mA von Kollektor Feedback.
Emitterstromvergleich für β=100, β=300.
Um die Leistung des Emitter-Bias zu verbessern, erhöhen Sie entweder den Emitter-Widerstand RE oder verringern Sie die Basis-Bias-Versorgung VBB oder beides.
Als Beispiel verdoppeln wir den Emitterwiderstand auf den nächsten Standardwert von 910Ω.
Der berechnete RB =39k ist ein Standardwertwiderstand. Für β =100 muss der IE nicht neu berechnet werden. Für β =300 gilt:
Die Leistung der Emitter-Bias-Schaltung mit einem 910-Emitterwiderstand wird erheblich verbessert. Siehe Tabelle unten.
Emitterstromvergleich für β=100, β=300.
Als Übung überarbeiten Sie das Emitter-Bias-Beispiel mit dem Emitter-Widerstand zurück auf 470 und der Basis-Bias-Versorgung auf 1,5 V reduziert.
Der 33k Basiswiderstand ist ein Standardwert, Emitterstrom bei β =100 ist OK. Der Emitterstrom bei β =300 ist:
Die folgende Tabelle vergleicht die Übungsergebnisse 1mA und 1,38mA mit den vorherigen Beispielen.
Emitterstromvergleich für β=100, β=300.
Die Emitter-Bias-Gleichungen wurden in der Abbildung unten wiederholt, wobei der interne Emitterwiderstand für eine bessere Genauigkeit enthalten ist. Der interne Emitterwiderstand ist der Widerstand in der Emitterschaltung, die innerhalb des Transistorgehäuses enthalten ist. Dieser Innenwiderstand rEE ist von Bedeutung, wenn der (externe) Emitterwiderstand RE klein oder sogar Null ist. Der Wert des Innenwiderstands REE ist eine Funktion des Emitterstroms IE, Tabelle unten.
Ableitung von rEE
rEE =KT/IE m wobei:K=1,38×10 -23 Wattsek/ o C, Boltzman-Konstante T=Temperatur in Kelvin ≅300. IchE =Emitterstrom m =variiert von 1 bis 2 für Silizium rEE ≅ 0,026 V/IE =26mV/IE
Als Referenz ist die 26-mV-Näherung als Gleichung rEE in der Abbildung unten aufgeführt.
Emitter-Bias-Gleichungen mit internem Emitterwiderstand rEE enthalten.
Die genaueren Emitter-Bias-Gleichungen in der obigen Abbildung können durch Schreiben einer KVL-Gleichung abgeleitet werden. Alternativ beginnen Sie mit den Gleichungen IE Emitter-Bias und RB Emitter-Bias in der vorherigen Abbildung und ersetzen Sie RE durch rEE+RE. Das Ergebnis sind die Gleichungen IE EB bzw. RB EB in der obigen Abbildung.
Wiederholen Sie die RB-Berechnung im vorherigen Beispiel Emitter-Bias unter Einbeziehung von rEE und vergleichen Sie die Ergebnisse.
Die Einbeziehung von rEE in die Berechnung führt zu einem niedrigeren Wert des Basiswiderstands RB, wie in der folgenden Tabelle gezeigt. Er unterschreitet den Standardwert 82k Widerstand statt darüber.
Auswirkung der Einbeziehung von rEE auf den berechneten RB
Bypass-Kondensator für RE
Ein Problem bei der Emittervorspannung besteht darin, dass ein beträchtlicher Teil des Ausgangssignals über den Emitterwiderstand RE abfällt (Abbildung unten). Dieser Spannungsabfall am Emitterwiderstand liegt in Reihe mit der Basis und weist eine entgegengesetzte Polarität im Vergleich zum Eingangssignal auf. (Dies ähnelt einer üblichen Kollektorkonfiguration mit einer Verstärkung von <1.) Diese Degeneration verringert die Verstärkung von der Basis zum Kollektor stark. Die Lösung für AC-Signalverstärker besteht darin, den Emitterwiderstand mit einem Kondensator zu umgehen. Dies stellt die AC-Verstärkung wieder her, da der Kondensator für AC-Signale kurz ist. Der Emitter-Gleichstrom erfährt immer noch eine Degeneration im Emitterwiderstand, wodurch der Gleichstrom stabilisiert wird.
Cbypass ist erforderlich, um eine Reduzierung der AC-Verstärkung zu verhindern.
Der Wert des Bypass-Kondensators hängt von der niedrigsten zu verstärkenden Frequenz ab.
Für Funkfrequenzen wäre Cbpass klein. Für einen Audioverstärker, der bis zu 20 Hz reicht, wird er groß sein. Eine „Faustregel“ für den Bypass-Kondensator lautet, dass die Reaktanz 1/10 des Emitterwiderstands oder weniger betragen sollte. Der Kondensator sollte so ausgelegt sein, dass er die niedrigste zu verstärkende Frequenz aufnimmt. Der Kondensator für einen Audioverstärker, der 20 Hz bis 20 kHz abdeckt, wäre:
Beachten Sie, dass der interne Emitterwiderstand rEE nicht vom Bypass-Kondensator umgangen wird.
Spannungsteiler-Vorspannung
Eine stabile Emittervorspannung erfordert eine Niederspannungs-Basisvorspannung (siehe Abbildung unten). Die Alternative zu einer Basisversorgung VBB ist ein Spannungsteiler basierend auf der Kollektorversorgung VCC.
Spannungsteiler-Vorspannung ersetzt Basisbatterie durch Spannungsteiler.
Die Designtechnik besteht darin, zuerst ein Emitter-Bias-Design zu erarbeiten und es dann mit dem Thevenin-Theorem in die Spannungsteiler-Bias-Konfiguration umzuwandeln. [TK1] Die Schritte sind in der folgenden Abbildung grafisch dargestellt. Zeichnen Sie den Spannungsteiler ohne Werte zuzuweisen. Brechen Sie die Trennwand von der Basis ab. (Die Basis des Transistors ist die Last.) Wenden Sie den Thevenin-Satz an, um einen einzelnen Thevenin-äquivalenten Widerstand Rth und eine Spannungsquelle Vth zu erhalten.
Thevenins Theorem wandelt Spannungsteiler in Einzelversorgung Vth und Widerstand Rth um.
Der Thevenin-Äquivalentwiderstand ist der Widerstand vom Lastpunkt (Pfeil) bei auf 0 (Masse) reduzierter Batterie (VCC). Mit anderen Worten, R1||R2. Die Thevenin-Äquivalentspannung ist die Leerlaufspannung (Last entfernt). Diese Berechnung erfolgt nach der Spannungsteilerverhältnismethode. R1 wird durch Eliminieren von R2 aus dem Gleichungspaar für Rth und Vth erhalten. Die Gleichung von R1 bezieht sich auf bekannte Größen Rth, Vth, Vcc. Beachten Sie, dass Rth RB ist, der Bias-Widerstand aus dem Emitter-Bias-Design. Die Gleichung für R2 bezieht sich auf R1 und Rth.
Wandeln Sie dieses vorherige Emitter-Bias-Beispiel in Spannungsteiler-Bias um.
Emitter-Bias-Beispiel umgewandelt in Spannungsteiler-Bias.
Diese Werte wurden zuvor für ein Emitter-Bias-Beispiel ausgewählt oder berechnet
Das Ersetzen von VCC, VBB, RB ergibt R1 und R2 für die Vorspannungskonfiguration des Spannungsteilers.
R1 ist ein Standardwert von 220K. Der nächste Standardwert für R2, der 38,8k entspricht, ist 39k. Dies ändert den IE nicht genug, um ihn zu berechnen. Beispielprobleme 1. Berechnen Sie die Bias-Widerstände für den Kaskodenverstärker in der folgenden Abbildung. VB2 ist die Vorspannung für die Common-Emitter-Stufe. VB1 ist eine ziemlich hohe Spannung bei 11,5, da die Basisstufe den Emitter bei 11,5-0,7 =10,8 V, etwa 11 V, halten soll. (Nach Berücksichtigung des Spannungsabfalls an RB1 beträgt sie 10 V.) Das heißt, die Basisschaltung ist die Last, die einen Widerstand ersetzt, für den Kollektor der Emitterstufe. Wir wünschen einen 1mA Emitterstrom.
Vorspannung für einen Kaskodenverstärker.
2. Wandeln Sie die Basis-Bias-Widerstände für den Kaskodenverstärker in Spannungsteiler-Bias-Widerstände um, die von der VCC von 20 V angesteuert werden.
Der endgültige Schaltplan ist im Kapitel „Praktische Analogschaltungen“ „Klasse A Kaskodenverstärker“ dargestellt. . . ” Kaskode, Ch 9 .
RÜCKBLICK:
- Siehe Abbildung unten.
- Vorspannungsschaltungskonfiguration auswählen
- Wählen Sie RC und IE für die beabsichtigte Anwendung aus. Die Werte für RC und IE sollten normalerweise die Kollektorspannung VC auf 1/2 von VCC einstellen.
- Berechnen Sie den Basiswiderstand RB, um den gewünschten Emitterstrom zu erreichen.
- Berechnen Sie bei Bedarf den Emitterstrom IE für Standardwertwiderstände neu.
- Führen Sie für den Spannungsteiler-Bias zuerst Emitter-Bias-Berechnungen durch und bestimmen Sie dann R1 und R2.
- Bei AC-Verstärkern verbessert ein parallel zu RE geschalteter Bypass-Kondensator die AC-Verstärkung. Stellen Sie XC≤0.10RE für die niedrigste Frequenz ein.
Zusammenfassung der Vorspannungsgleichungen.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt für Klasse-A-BJT-Verstärker
Industrietechnik