Methoden der Transistorvorspannung

Die Vorspannung in Transistorschaltungen erfolgt unter Verwendung von zwei Gleichstromquellen V _BB und V _CC . Es ist wirtschaftlich, die Gleichstromquelle auf eine Versorgung anstatt auf zwei zu minimieren, was auch die Schaltung einfach macht.

Die üblicherweise verwendeten Verfahren zur Transistorvorspannung sind

Basiswiderstandsmethode
Vorspannung von Kollektor zu Basis
Vorspannung mit Kollektor-Rückkopplungswiderstand
Spannungsteilervorspannung

Alle diese Verfahren haben das gleiche Grundprinzip, um den erforderlichen Wert von I _B und I _C aus V _CC unter den Nullsignalbedingungen zu erhalten.

Basiswiderstandsmethode

Bei diesem Verfahren wird , wie der Name schon sagt , ein Widerstand R _B mit hohem Widerstand in die Basis geschaltet. Der erforderliche Nullsignal-Basisstrom wird von V _CC bereitgestellt, das durch R _B fließt . Der Basis-Emitter-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, da die Basis in Bezug auf den Emitter positiv ist.

Der erforderliche Wert des Nullsignal- Basisstroms und damit des Kollektorstroms (als I _C = βI _B ) kann durch Auswahl des richtigen Werts des Basiswiderstands RB zum Fließen gebracht werden. Daher ist der Wert von R _B bekannt. Die folgende Abbildung zeigt, wie ein Basiswiderstandsverfahren zum Vorspannen von Schaltungen aussieht.

Sei I _C der erforderliche Nullsignal-Kollektorstrom. Deshalb,

$$ I_B = \ frac {I_C} {\ beta} $$

Wenn wir den geschlossenen Stromkreis von V _CC , Basis, Emitter und Masse betrachten, während wir das Spannungsgesetz von Kirchhoff anwenden, erhalten wir:

$$ V_ {CC} = I_B R_B + V_ {BE} $$

Oder

$$ I_B R_B = V_ {CC} - V_ {BE} $$

Deshalb

$$ R_B = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE}} {I_B} $$

Da V _BE im Vergleich zu V _CC im Allgemeinen ziemlich klein ist , kann das erstere mit geringem Fehler vernachlässigt werden. Dann,

$$ R_B = \ frac {V_ {CC}} {I_B} $$

Wir wissen, dass V _CC eine feste bekannte Größe ist und I _B bei einem geeigneten Wert gewählt wird. Da R _B direkt gefunden werden kann, wird diese Methode als bezeichnetfixed bias method.

Stabilitätsfaktor

$$ S = \ frac {\ beta + 1} {1 - \ beta \ left (\ frac {d I_B} {d I_C} \ right)} $$

Bei der Vorspannungsmethode mit fester Vorspannung ist I _B unabhängig von I _C, so dass

$$ \ frac {d I_B} {d I_C} = 0 $$

Einsetzen des obigen Wertes in die vorherige Gleichung,

Stabilitätsfaktor $ S = \ beta + 1 $

Somit ist der Stabilitätsfaktor in einer festen Vorspannung (β + 1), was bedeutet, dass sich I _C (β + 1) mal so stark ändert wie jede Änderung von I _CO .

Vorteile

Die Schaltung ist einfach.
_Es ist nur ein Widerstand R _E erforderlich.
Die Vorspannungsbedingungen lassen sich leicht einstellen.
Kein Belastungseffekt, da am Basis-Emitter-Übergang kein Widerstand vorhanden ist.

Nachteile

Die Stabilisierung ist schlecht, da die Wärmeentwicklung nicht gestoppt werden kann.
Der Stabilitätsfaktor ist sehr hoch. Es besteht also eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Wärme wegläuft.

Daher wird dieses Verfahren selten angewendet.

Sammler zur Basisvorspannung

Die Kollektor-Basis-Vorspannungsschaltung ist dieselbe wie die Basis-Vorspannungsschaltung, außer dass der Basiswiderstand R _B zum Kollektor und nicht zur V _CC- Versorgung zurückgeführt wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Diese Schaltung trägt zur erheblichen Verbesserung der Stabilität bei. Wenn der Wert von I _C ansteigt, steigt die Spannung an R _L an und daher steigt auch die V _CE an. Dies wiederum verringert den Basisstrom I _B . Diese Aktion kompensiert den ursprünglichen Anstieg etwas.

Der erforderliche Wert von R _{B, der} benötigt wird, um den Nullsignal-Kollektorstrom I _{C zu ergeben,} kann wie folgt berechnet werden.

Der Spannungsabfall über R _L wird sein

$$ R_L = (I_C + I_B) R_L \ cong I_C R_L $$

Aus der Figur,

$$ I_C R_L + I_B R_B + V_ {BE} = V_ {CC} $$

Oder

$$ I_B R_B = V_ {CC} - V_ {BE} - I_C R_L $$

Deshalb

$$ R_B = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE} - I_C R_L} {I_B} $$

Oder

$$ R_B = \ frac {(V_ {CC} - V_ {BE} - I_C R_L) \ beta} {I_C} $$

Wir haben KVL angewendet

$$ (I_B + I_C) R_L + I_B R_B + V_ {BE} = V_ {CC} $$

Oder

$$ I_B (R_L + R_B) + I_C R_L + V_ {BE} = V_ {CC} $$

Deshalb

$$ I_B = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE} - I_C R_L} {R_L + R_B} $$

Da V _BE nahezu unabhängig vom Kollektorstrom ist, erhalten wir

$$ \ frac {d I_B} {d I_C} = - \ frac {R_L} {R_L + R_B} $$

Wir wissen das

$$ S = \ frac {1 + \ beta} {1 - \ beta (d I_B / d I_C)} $$

Deshalb

$$ S = \ frac {1 + \ beta} {1 + \ beta \ left (\ frac {R_L} {R_L + R_B} \ right)} $$

Dieser Wert ist kleiner als (1 + β), der für eine Schaltung mit fester Vorspannung erhalten wird. Somit ergibt sich eine Verbesserung der Stabilität.

Diese Schaltung liefert eine negative Rückkopplung, die die Verstärkung des Verstärkers verringert. Somit wird die erhöhte Stabilität des Kollektors gegenüber der Basisvorspannungsschaltung auf Kosten der Wechselspannungsverstärkung erhalten.

Vorspannung mit Kollektor-Rückkopplungswiderstand

Bei diesem Verfahren ist das eine Ende des Basiswiderstands R _B mit der Basis und das andere mit dem Kollektor verbunden, wie der Name schon sagt. In dieser Schaltung wird der Nullsignal-Basisstrom durch V _{CB bestimmt,} jedoch nicht durch V _CC .

Es ist klar, dass V _CB den Basis-Emitter-Übergang vorwärts vorspannt und daher der Basisstrom I _B durch R _B fließt . Dies bewirkt, dass der Nullsignal-Kollektorstrom in der Schaltung fließt. Die folgende Abbildung zeigt die Vorspannung mit Kollektor-Rückkopplungswiderstandsschaltung.

Der erforderliche Wert von R _{B, der} benötigt wird, um den Nullsignalstrom I _C zu ergeben, kann wie folgt bestimmt werden.

$$ V_ {CC} = I_C R_C + I_B R_B + V_ {BE} $$

Oder

$$ R_B = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE} - I_C R_C} {I_B} $$

$$ = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE} - \ beta I_B R_C} {I_B} $$

Da $ I_C = \ beta I_B $

Alternative,

$$ V_ {CE} = V_ {BE} + V_ {CB} $$

Oder

$$ V_ {CB} = V_ {CE} - V_ {BE} $$

Schon seit

$$ R_B = \ frac {V_ {CB}} {I_B} = \ frac {V_ {CE} - V_ {BE}} {I_B} $$

$$ I_B = \ frac {I_C} {\ beta} $$

Mathematisch,

Stabilitätsfaktor $ S <(\ beta + 1) $

Daher bietet dieses Verfahren eine bessere thermische Stabilität als die feste Vorspannung.

Die Q-Punkt-Werte für die Schaltung sind wie folgt dargestellt

$$ I_C = \ frac {V_ {CC} - V_ {BE}} {R_B / \ beta + R_C} $$

$$ V_ {CE} = V_ {CC} - I_C R_C $$

Vorteile

Die Schaltung ist einfach, da nur ein Widerstand benötigt wird.
Diese Schaltung bietet eine gewisse Stabilisierung für kleinere Änderungen.

Nachteile

Die Schaltung bietet keine gute Stabilisierung.
Die Schaltung liefert eine negative Rückkopplung.

Spannungsteiler-Vorspannungsmethode

Unter allen Methoden zur Bereitstellung von Vorspannung und Stabilisierung ist die voltage divider bias methodist der prominenteste. Hier werden zwei Widerstände R ₁ und R ₂ verwendet, die mit V _{CC verbunden sind} und eine Vorspannung bereitstellen. Der im Emitter verwendete Widerstand R _E sorgt für eine Stabilisierung.

Der Name Spannungsteiler stammt von dem durch R ₁ und R ₂ gebildeten Spannungsteiler . Der Spannungsabfall über R _{2 in} Vorwärtsrichtung spannt den Basis-Emitter-Übergang vor. Dies bewirkt, dass der Basisstrom und damit der Kollektorstrom unter den Nullsignalbedingungen fließt. Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung des Spannungsteiler-Vorspannungsverfahrens.

Angenommen, der durch den Widerstand R ₁ fließende Strom ist I ₁ . Da der Basisstrom I _B sehr klein ist, kann daher mit angemessener Genauigkeit angenommen werden, dass der durch R ₂ fließende Strom auch I _{1 ist} .

Versuchen wir nun, die Ausdrücke für Kollektorstrom und Kollektorspannung abzuleiten.

Kollektorstrom, I _C.

Aus der Schaltung ist ersichtlich, dass

$$ I_1 = \ frac {V_ {CC}} {R_1 + R_2} $$

Daher wird die Spannung über den Widerstand R ₂ ist

$$ V_2 = \ left (\ frac {V_ {CC}} {R_1 + R_2} \ right) R_2 $$

Anwenden des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes auf die Basisschaltung,

$$ V_2 = V_ {BE} + V_E $$

$$ V_2 = V_ {BE} + I_E R_E $$

$$ I_E = \ frac {V_2 - V_ {BE}} {R_E} $$

Da I _E ≈ I _C ,

$$ I_C = \ frac {V_2 - V_ {BE}} {R_E} $$

Aus dem obigen Ausdruck ist ersichtlich, dass I _C nicht von β abhängt. V _BE ist sehr klein, so dass I _C überhaupt nicht von V _BE betroffen ist . Somit ist I _C in dieser Schaltung nahezu unabhängig von Transistorparametern und somit wird eine gute Stabilisierung erreicht.

Kollektor-Emitter-Spannung, V _CE

Anwenden des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes auf die Kollektorseite,

$$ V_ {CC} = I_C R_C + V_ {CE} + I_E R_E $$

Da ich _E ≅ I _C.

$$ = I_C R_C + V_ {CE} + I_C R_E $$

$$ = I_C (R_C + R_E) + V_ {CE} $$

Deshalb,

$$ V_ {CE} = V_ {CC} - I_C (R_C + R_E) $$

R _E bietet eine ausgezeichnete Stabilisierung in dieser Schaltung.

$$ V_2 = V_ {BE} + I_C R_E $$

Angenommen, die Temperatur steigt an, dann nimmt der Kollektorstrom I _C ab, wodurch der Spannungsabfall über R _E zunimmt. Da der Spannungsabfall über R ₂ V _{2 ist} , was unabhängig von I _{C ist} , nimmt der Wert von V _BE ab. Der reduzierte Wert von I _B neigt dazu, I _C auf den ursprünglichen Wert zurückzusetzen.