Методы смещения транзистора

Смещение в транзисторных цепях осуществляется с помощью двух источников постоянного тока V _BB и V _CC . Экономично сводить источник постоянного тока к одному источнику вместо двух, что также упрощает схему.

Обычно используемые методы смещения транзистора

• Метод базового резистора
• Коллектор на базовый уклон
• Смещение с резистором обратной связи коллектора
• Смещение делителя напряжения

Все эти методы имеют один и тот же базовый принцип получения требуемых значений 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. Требуемый нулевой базовый ток сигнала обеспечивается V _CC, который протекает через R _B. Основание эмиттерного соединения смещено вперед, так как база положительна по отношению к эмиттеру.

Требуемое значение нулевого базового тока сигнала и, следовательно, тока коллектора (как I _C = βI _B ) может быть выполнено путем выбора правильного значения базового резистора RB. Следовательно, значение R _B должно быть известно. На рисунке ниже показано, как выглядит метод смещения схемы с базовым резистором.

Пусть I _C будет требуемым нулевым током коллектора 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 же

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

Следовательно

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

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

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

Мы знаем, что V _CC является фиксированной известной величиной, и I _B выбирается при некотором подходящем значении. Поскольку R _B может быть найден напрямую, этот метод называется методом фиксированного смещения .

Фактор стабильности

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

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

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

Подставляя вышеуказанное значение в предыдущее уравнение,

Коэффициент устойчивости, $S = \ beta + 1$

Таким образом, коэффициент устойчивости при фиксированном смещении равен (β + 1), что означает, что I _C изменяется (β + 1) в разы по сравнению с любым изменением I _CO .

преимущества

• Схема проста.
• Требуется только один резистор R _E.
• Условия смещения устанавливаются легко.
• Эффект нагрузки отсутствует, так как резистор отсутствует в соединении база-эмиттер.

Недостатки

• Стабилизация плохая, поскольку выделение тепла невозможно остановить.

• Коэффициент устойчивости очень высок. Так что есть большие шансы на тепловое убегание.

Стабилизация плохая, поскольку выделение тепла невозможно остановить.

Коэффициент устойчивости очень высок. Так что есть большие шансы на тепловое убегание.

Следовательно, этот метод используется редко.

Коллектор на базовый уклон

Схема смещения между коллектором и базой такая же, как и схема смещения базы, за исключением того, что резистор R _B базы 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 базовый ток I _B. Это действие несколько компенсирует первоначальное увеличение.

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

Падение напряжения на R _L будет

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

С рисунка

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

Или же

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

Следовательно

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

Или же

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

Применяя КВЛ мы имеем

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

Или же

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

Следовательно

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

Поскольку V _BE практически 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 с фиксированным смещением. Таким образом, наблюдается улучшение стабильности.

Эта схема обеспечивает отрицательную обратную связь, которая уменьшает усиление усилителя. Таким образом, повышенная устойчивость коллектора к цепи смещения базы достигается за счет усиления напряжения переменного тока.

Смещение с резистором обратной связи коллектора

В этом способе базовый резистор R _B имеет один конец, соединенный с базой, а другой с коллектором, как следует из его названия. В этой схеме нулевой базовый ток сигнала определяется V _CB, но не V _CC .

Ясно, что V _CB смещает прямое соединение база-эмиттер, и, следовательно, ток I _B базы протекает через R _B. Это заставляет ток коллектора нулевого сигнала течь в цепи. На рисунке ниже показано смещение цепи резистора обратной связи коллектора.

Требуемое значение R _B, необходимое для выдачи нулевого тока сигнала I _C, может быть определено следующим образом.

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

Или же

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

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

Так как $I_C = \ beta I_B$

С другой стороны,

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

Или же

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

поскольку

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

куда

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

Математически,

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

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

Значения Q-точки для цепи 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, так как для нее нужен только один резистор.
• Эта схема обеспечивает некоторую стабилизацию для меньших изменений.

Недостатки

• Схема не обеспечивает хорошую стабилизацию.
• Схема обеспечивает отрицательную обратную связь.

Метод смещения делителя напряжения

Среди всех методов обеспечения смещения и стабилизации наиболее предпочтительным является метод смещения делителя напряжения . Здесь используются два резистора R ₁ и R ₂ , которые подключены к V _CC и обеспечивают смещение. Резистор R _E, используемый в эмиттере, обеспечивает стабилизацию.

Название делителя напряжения происходит от делителя напряжения, образованного R ₁ и R ₂ . Падение напряжения на прямой R ₂ смещает 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, поэтому можно с достаточной точностью предположить, что ток, протекающий через R ₂ , также равен I ₁ .

Теперь давайте попробуем вывести выражения для тока коллектора и напряжения коллектора.

Ток коллектора, I _ц

Из схемы видно, что

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

Следовательно, напряжение на сопротивлении R ₂ составляет

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

Применяя закон напряжения Кирхгофа к базовой цепи,

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

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

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

Так как I _E ≈ I _C ,

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

Из вышеприведенного выражения видно, что I _C не зависит от β. V _BE очень мала, и V _C вообще не влияет на I _BE . Таким образом, I _C в этой схеме практически не зависит от параметров транзистора и, следовательно, достигается хорошая стабилизация.

Напряжение коллектора-эмиттера, V _CE

Применяя закон напряжения Кирхгофа на стороне коллектора,

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

Так как я _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, тогда ток коллектора I _C уменьшается, что вызывает падение напряжения на R _E, чтобы увеличиваться. Поскольку падение напряжения на R ₂ составляет V ₂ , которое не зависит от I _C , значение V _BE уменьшается. Уменьшенное значение I _B стремится восстановить I _C к исходному значению.

Коэффициент стабильности

Уравнение для коэффициента устойчивости этой схемы получается как

Коэффициент стабильности = $S = \ frac {(\ beta + 1) (R_0 + R_3)} {R_0 + R_E + \ beta R_E}$

$$= (\ beta + 1) \ times \ frac {1 + \ frac {R_0} {R_E}} {\ beta + 1 + \ frac {R_0} {R_E}}$$

куда

$$R_0 = \ frac {R_1 R_2} {R_1 + R_2}$$

Если отношение R ₀ / R _E очень мало, тогда R0 / RE можно пренебречь по сравнению с 1, и коэффициент стабильности становится

Коэффициент стабильности = $S = (\ beta + 1) \ times \ frac {1} {\ beta + 1} = 1$

Это наименьшее возможное значение S и приводит к максимально возможной термостабильности.