Способы смещения транзисторов

Смещение в транзисторных схемах осуществляется с помощью двух источников постоянного тока V _BB и V _CC . Экономично свести к минимуму источник постоянного тока до одного источника вместо двух, что также упрощает схему.

Обычно используемые методы смещения транзисторов:

Метод базового резистора
Смещение коллектора к базе
Смещение с помощью резистора обратной связи коллектора
Смещение делителя напряжения

Все эти методы имеют один и тот же основной принцип получения требуемого значения I _B и I _C из V _CC в условиях нулевого сигнала.

Метод базового резистора

В этом методе резистор R _B с высоким сопротивлением подключается к базе, как следует из названия. Требуется базовый ток нулевого сигнала обеспечивается V _CC , которая протекает через R _B . Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, так как база положительна по отношению к эмиттеру.

Требуемое значение базового тока нулевого сигнала и, следовательно, ток коллектора (как I _C = βI _B ) может быть обеспечено протеканием путем выбора правильного значения базового резистора RB. Следовательно, необходимо знать значение R _B.На рисунке ниже показано, как выглядит схема смещения с помощью базового резистора.

Пусть I _C будет требуемым током коллектора нулевого сигнала. Следовательно,

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

Рассматривая замкнутую цепь от V _CC , базы, эмиттера и земли, применяя закон напряжения Кирхгофа, мы получаем,

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

Или

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

Следовательно

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

Поскольку V _BE обычно довольно мало по сравнению с V _CC , первым можно пренебречь с небольшой ошибкой. Затем,

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

Мы знаем, что V _CC - фиксированная известная величина, а I _B выбрана с некоторым подходящим значением. Поскольку R _B можно найти напрямую, этот метод называетсяfixed bias method.

Фактор устойчивости

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

В методе смещения с фиксированным смещением I _B не зависит от I _C, так что,

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

Подставляя указанное выше значение в предыдущее уравнение,

Фактор устойчивости, $ S = \ beta + 1 $

Таким образом, коэффициент устойчивости при фиксированном смещении равен (β + 1), что означает, что I _C изменяется в (β + 1) раз больше, чем любое изменение I _CO .

Преимущества

Схема простая.
Требуется только один резистор R _E.
Условия смещения устанавливаются легко.
Отсутствует эффект нагрузки, так как на переходе база-эмиттер отсутствует резистор.

Недостатки

Стабилизация плохая, выделение тепла невозможно остановить.
Фактор стабильности очень высокий. Таким образом, высока вероятность теплового побега.

Следовательно, этот метод используется редко.

Смещение коллектора к базе

Схема смещения коллектор-база такая же, как и схема смещения базы, за исключением того, что резистор базы R _B возвращается к коллектору, а не к источнику питания V _CC, как показано на рисунке ниже.

Эта схема помогает значительно улучшить стабильность. Если значение I _C увеличивается, напряжение на R _L увеличивается, и, следовательно, V _CE также увеличивается. Это , в свою очередь , уменьшает ток базы I _B . Это действие несколько компенсирует первоначальное увеличение.

Требуемое значение R _B, необходимое для получения нулевого сигнала коллектора тока I _C, можно рассчитать следующим образом.

Падение напряжения на R _L будет

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

Из рисунка,

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

Или

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

Следовательно

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

Или

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

Применяя КВЛ, мы имеем

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

Или

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

Следовательно

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

Поскольку V _BE почти не зависит от тока коллектора, мы получаем

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

Мы знаем это

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

Следовательно

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

Это значение меньше, чем (1 + β), которое получается для цепи фиксированного смещения. Таким образом, наблюдается улучшение стабильности.

Эта схема обеспечивает отрицательную обратную связь, которая снижает коэффициент усиления усилителя. Таким образом, повышенная устойчивость цепи коллектора к базе смещения достигается за счет увеличения переменного напряжения.

Смещение с помощью резистора обратной связи коллектора

В этом методе базовый резистор R _B одним концом подключен к базе, а другой - к коллектору, как следует из его названия. В этой схеме базовый ток нулевого сигнала определяется V _CB, но не V _CC .

Совершенно очевидно , что V _СВ вперед смещает база-эмиттер и , следовательно , ток базы I _B протекает через R _B . Это заставляет ток коллектора нулевого сигнала течь в цепи. На рисунке ниже показано смещение со схемой резистора обратной связи коллектора.

Требуемое значение R _B, необходимое для получения тока I _C нулевого сигнала, можно определить следующим образом.

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

Или

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

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

Поскольку $ I_C = \ beta I_B $

В качестве альтернативы,

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

Или

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

поскольку

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

куда

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

Математически,

Фактор устойчивости, $ S <(\ beta + 1) $

Следовательно, этот метод обеспечивает лучшую термическую стабильность, чем фиксированное смещение.

Значения точки Q для схемы показаны как

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

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

Преимущества

Схема проста, нужен только один резистор.
Эта схема обеспечивает некоторую стабилизацию для меньших изменений.

Недостатки

Схема не обеспечивает хорошей стабилизации.
Схема дает отрицательную обратную связь.

Метод смещения делителя напряжения

Среди всех методов обеспечения смещения и стабилизации voltage divider bias methodсамый известный. Здесь используются два резистора R ₁ и R ₂ , которые подключены к V _CC и обеспечивают смещение. Используемый в эмиттере резистор R _E обеспечивает стабилизацию.

Название делитель напряжения происходит от делителя напряжения, образованного резисторами R ₁ и R ₂ . Падение напряжения на R ₂ смещает в прямом направлении переход база-эмиттер. Это вызывает ток базы и, следовательно, ток коллектора в условиях нулевого сигнала. На рисунке ниже показана схема метода смещения делителя напряжения.

Предположим, что ток, протекающий через сопротивление R _1, равен I ₁ . Поскольку базовый ток I _B очень мал, можно с достаточной точностью предположить, что ток, протекающий через R ₂ , также равен I ₁ .

Теперь попробуем вывести выражения для тока коллектора и напряжения коллектора.

Ток коллектора, I _C

Из схемы видно, что,

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

Следовательно, напряжение на сопротивлении R ₂ равно

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

Применяя закон напряжения Кирхгофа к базовой цепи,

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

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

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

Поскольку I _E ≈ I _C ,

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

Из приведенного выше выражения очевидно, что I _C не зависит от β. V _BE очень мало , что я _C не затронуты V _BE вообще. Таким образом, I _C в этой схеме почти не зависит от параметров транзистора и, следовательно, достигается хорошая стабилизация.

Напряжение коллектор-эмиттер, В _CE

Применяя закон напряжения Кирхгофа к стороне коллектора,

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

Поскольку I _E ≅ I _C

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

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

Следовательно,

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

R _E обеспечивает отличную стабилизацию в этой цепи.

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

Предположим, что происходит повышение температуры, затем ток коллектора I _C уменьшается, что приводит к увеличению падения напряжения на R _E.Поскольку падение напряжения на R ₂ равно V ₂ , которое не зависит от I _C , значение V _BE уменьшается. Уменьшенное значение I _B имеет тенденцию восстанавливать I _C до исходного значения.