산업기술
산업 제조
트랜지스터 스위칭 회로는 바이어스 없이 작동하지만 아날로그 회로는 바이어스 없이 작동하는 경우가 드뭅니다. 몇 가지 예 중 하나는 증폭 AM(진폭 변조) 감지기가 있는 "TR One, 하나의 트랜지스터 라디오" TR One, Ch 9입니다. 해당 회로의 베이스에 바이어스 저항이 없다는 점에 유의하십시오. 이 섹션에서는 선택된 이미터 전류 IE를 설정할 수 있는 몇 가지 기본 바이어스 회로를 살펴봅니다. 원하는 이미 터 전류 IE가 주어지면 RB, RE 등의 바이어스 저항 값이 필요합니까?
가장 간단한 바이어스 적용 기본 편향 베이스와 베이스 배터리 V 사이의 저항기 BB . 새로운 바이어스 전원 대신 기존 VCC 전원을 사용하는 것이 편리합니다. 베이스 바이어싱을 사용하는 오디오 증폭기 단계의 예는 "하나의 트랜지스터가 있는 크리스탈 라디오 . . . "수정 라디오, Ch 9. 베이스에서 배터리 단자까지의 저항에 유의하십시오. 유사한 회로가 아래 그림에 나와 있습니다. 아래 그림의 트랜지스터에서 배터리, RB 및 VBE 다이오드 강하를 포함하는 루프에 대한 KVL(Kirchhoff의 전압 법칙) 방정식을 작성하십시오. 실제로는 VCC이지만 기본 공급에 VBB를 사용합니다. β가 크면 IC =IE라는 근사치를 만들 수 있습니다. 실리콘 트랜지스터 VBE≅0.7V용.
베이스 바이어스
실리콘 소신호 트랜지스터는 일반적으로 100-300 범위의 β를 갖습니다.
계산 예:
β=100 트랜지스터가 있다고 가정할 때 1mA의 이미터 전류를 생성하기 위해 베이스 바이어스 저항의 값은 얼마입니까? RB에 대한 IE 베이스 바이어스 방정식을 풀고 β, VBB, VBE 및 IE를 대입하면 930kΩ이 됩니다. 가장 가까운 표준값은 910kΩ입니다.
910kΩ 저항의 이미 터 전류는 얼마입니까? 무작위로 β=300 트랜지스터를 얻는다면 이미 터 전류는 얼마입니까?
에미터 전류는 표준값 910kΩ 저항을 사용하여 거의 변화가 없습니다. 그러나 β가 100에서 300으로 변경됨에 따라 이미 터 전류는 3배가 되었습니다. 이것은 컬렉터 전압이 VCC 근처에서 접지 근처로 스윙할 것으로 예상되는 경우 전력 증폭기에서 허용되지 않습니다. 그러나 마이크로볼트에서 약 1볼트까지의 낮은 레벨 신호의 경우 바이어스 포인트는 (100·300)=173의 제곱근의 β에 대해 중심이 될 수 있습니다. 바이어스 포인트는 여전히 상당한 양만큼 드리프트합니다. 그러나 낮은 수준의 신호는 잘리지 않습니다.
베이스 바이어스는 전력 증폭기에 사용되는 높은 이미 터 전류에 적합하지 않습니다. 베이스 바이어스 이미터 전류는 온도가 안정적이지 않습니다.
열폭주 높은 에미터 전류로 인해 온도가 상승하여 에미터 전류가 증가하여 온도가 더 높아집니다.
온도와 베타로 인한 바이어스의 변화는 아래 그림과 같이 베이스 바이어스 저항의 VBB 끝을 컬렉터로 이동하여 줄일 수 있습니다. 이미 터 전류가 증가하면 RC 양단의 전압 강하는 증가하고 VC는 감소하고 베이스로 피드백되는 IB는 감소합니다. 이것은 차례로 에미터 전류를 감소시켜 원래의 증가를 수정합니다.
배터리, RC, RB 및 VBE 강하를 포함하는 루프에 대한 KVL 방정식을 작성하십시오. IC≅IE 및 IB≅IE/β로 대체합니다. IE를 풀면 IE CFB 바이어스 방정식이 생성됩니다. IB를 풀면 IB CFB-편향 방정식이 생성됩니다.
수집가 피드백 편향.
계산 예:
1mA의 이미 터 전류, 4.7K 컬렉터 부하 저항 및 β=100인 트랜지스터에 필요한 콜렉터 피드백 바이어스 저항을 찾으십시오. 컬렉터 전압 VC를 찾으십시오. VCC와 접지 사이의 대략 중간이어야 합니다.
460kΩ 콜렉터 피드백 바이어스 저항에 가장 가까운 표준 값은 470kΩ입니다. 470KΩ 저항으로 이미 터 전류 IE를 찾으십시오. β=100 및 β=300인 트랜지스터의 에미터 전류를 다시 계산합니다.
베타가 100에서 300으로 변경됨에 따라 이미 터 전류가 0.989mA에서 1.48mA로 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 1.02mA에서 3.07mA로 증가한 이전 베이스 바이어스 회로보다 개선된 것입니다. 수집기 피드백 편향은 베타 변형과 관련하여 기본 편향보다 두 배 안정적입니다.
아래 그림과 같이 이미터 회로에 저항 RE를 삽입하면 변성이 발생합니다. , 부정적인 피드백이라고도 함 . 이는 온도 변화, 저항 허용 오차, 베타 변동 또는 전원 공급 허용 오차로 인한 이미터 전류 IE의 변화에 반대합니다. 일반적인 허용 오차는 다음과 같습니다. 저항기 - 5%, 베타 - 100-300, 전원 공급기 - 5%. 이미 터 저항이 전류 변화를 안정화시키는 이유는 무엇입니까? RE 양단의 전압 강하 극성은 컬렉터 배터리 VCC로 인한 것입니다. (-) 배터리 단자에 가장 가까운 저항의 끝은 (-), (+) 단자에 가장 가까운 끝은 (+)입니다. RE의 (-) 끝은 VBB 배터리를 통해 연결되고 RB는 베이스에 연결됩니다. RE를 통한 전류 흐름이 증가하면 기본 회로에 적용되는 음의 전압 크기가 증가하여 기본 전류가 감소하고 이미 터 전류가 감소합니다. 감소하는 이미터 전류는 원래 증가를 부분적으로 보상합니다.
이미 터 바이어스
베이스 바이어스 배터리 VBB는 위 그림에서 베이스를 바이어스하기 위해 VCC 대신 사용됩니다. 나중에 우리는 에미터 바이어스가 더 낮은 베이스 바이어스 배터리에서 더 효과적이라는 것을 보여줄 것입니다. 한편, 구성 요소의 극성에 주의하면서 베이스 이미 터 회로를 통해 루프에 대한 KVL 방정식을 작성합니다. 우리는 IB≅IE/β를 대입하고 이미 터 전류 IE를 풉니다. 이 방정식은 RB에 대해 풀 수 있습니다. 방정식:RB 이미 터 바이어스, 위 그림.
방정식을 적용하기 전에 위의 그림인 RB 이미터 바이어스 및 IE 이미터 바이어스를 사용하기 전에 RC 및 RE에 대한 값을 선택해야 합니다. RC는 컬렉터 공급 VCC 및 대략 에미터 전류 IE라고 가정하는 원하는 컬렉터 전류 IC와 관련이 있습니다.
일반적으로 VC의 바이어스 포인트는 VCC의 절반으로 설정됩니다. 그러나 이미 터 저항 RE의 전압 강하를 보상하기 위해 더 높게 설정할 수 있습니다. 컬렉터 전류는 우리가 요구하거나 선택하는 것입니다. 애플리케이션 및 트랜지스터 정격에 따라 마이크로 암페어에서 암페어까지 다양할 수 있습니다. 소신호 트랜지스터 회로의 일반적인 IC =1mA를 선택합니다.
계산 예:
RC 값을 계산하고 가까운 표준 값을 선택합니다. 컬렉터 부하 저항의 10-50%인 이미 터 저항은 일반적으로 잘 작동합니다.
870k가 선택된 RB에 대해 883k 저항이 계산되었습니다. β=100에서 IE는 1.01mA입니다.
β=300의 경우 이미 터 전류는 아래 표에 나와 있습니다.
β=100, β=300에 대한 이미터 전류 비교.
위의 표는 VBB =10V의 경우 이미 터 바이어스가 이미 터 전류를 안정화시키는 데 그다지 효과적이지 않다는 것을 보여줍니다. 이미 터 바이어스 예제는 이전 기본 바이어스 예제보다 낫지 만 많이는 아닙니다. 효과적인 에미터 바이어스의 핵심은 베이스 공급 VBB를 에미터 바이어스의 양에 더 가깝게 낮추는 것입니다.
에미터 전류 곱하기 에미터 저항인 반올림:IERE =(1mA)(470) =0.47V. 또한 VBE =0.7V를 극복해야 합니다. 따라서 VBB>(0.47 + 0.7)V 또는>1.17V가 필요합니다. 에미터 전류가 벗어나면 이 수치는 고정 베이스 공급 VBB와 비교하여 변경되어 베이스 전류 IB와 에미터 전류 IE를 수정합니다. VB>1.17V에 대한 좋은 값은 2V입니다.
83k의 계산된 기본 저항은 이전 883k보다 훨씬 낮습니다. 표준 값 목록에서 82k를 선택합니다. β=100 및 β=300에 대한 82k RB의 이미터 전류는 다음과 같습니다.
아래 표의 이전 바이어스 회로 예와 β=100 및 β=300에서 VBB =2V인 이미터 바이어스에 대한 이미터 전류를 비교하면 1.75mA에서 상당한 개선을 볼 수 있지만 컬렉터의 1.48mA만큼 좋지는 않습니다. 피드백.
β=100, β=300에 대한 이미터 전류 비교.
에미터 바이어스의 성능을 향상시키려면 에미터 저항 RE를 높이거나 베이스 바이어스 공급 VBB를 줄이거나 둘 다.
예를 들어 이미 터 저항을 910Ω의 가장 가까운 표준 값으로 두 배로 늘립니다.
계산된 RB =39k는 표준 값 저항입니다. β =100의 경우 IE를 다시 계산할 필요가 없습니다. β =300의 경우 다음과 같습니다.
910 이미 터 저항이있는 이미 터 바이어스 회로의 성능이 훨씬 향상되었습니다. 아래 표를 참조하십시오.
β=100, β=300에 대한 이미터 전류 비교.
연습으로 이미터 저항을 다시 470Ω으로 되돌리고 기본 바이어스 전원을 1.5V로 낮추는 이미터 바이어스 예제를 다시 작업합니다.
33k 기본 저항은 표준 값이며 β =100에서 이미 터 전류는 정상입니다. β =300에서 이미 터 전류는 다음과 같습니다.
아래 표는 1mA 및 1.38mA의 운동 결과를 이전 예와 비교한 것입니다.
β=100, β=300에 대한 이미터 전류 비교.
에미터-바이어스 방정식은 더 나은 정확도를 위해 포함된 내부 에미터 저항과 함께 아래 그림에서 반복되었습니다. 내부 에미터 저항은 트랜지스터 패키지에 포함된 에미터 회로의 저항입니다. 이 내부 저항 rEE는 (외부) 이미 터 저항 RE가 작거나 0일 때 중요합니다. 내부 저항 REE의 값은 아래 표의 이미터 전류 IE의 함수입니다.
rEE의 파생
rEE =KT/IE m 여기서:K=1.38×10 -23 와트-초/ o C, 볼츠만 상수 T=켈빈 단위의 온도 ≅300. 나E =이미터 전류 m =실리콘 rEE의 경우 1에서 2까지 다양 ≅ 0.026V/IE =26mV/IE
참고로 26mV 근사치는 아래 그림의 방정식 rEE로 나열됩니다.
내부 이미터 저항 rEE가 포함된 이미터 바이어스 방정식이 포함됩니다.
위 그림에서 보다 정확한 에미터-바이어스 방정식은 KVL 방정식을 작성하여 유도할 수 있습니다. 또는 이전 그림의 IE 이미터 바이어스 및 RB 이미터 바이어스 방정식으로 시작하여 RE를 rEE+RE로 대체합니다. 결과는 위의 그림에서 각각 IE EB 및 RB EB 방정식입니다.
rEE를 포함하여 이전 예제 이미 터 바이어스에서 RB 계산을 다시 실행하고 결과를 비교하십시오.
계산에 rEE를 포함하면 아래 표와 같이 기본 저항 RB의 값이 낮아집니다. 위가 아니라 표준 값 82k 저항 아래로 떨어집니다.
계산된 RB에 대한 rEE 포함 효과
RE용 바이패스 커패시터
이미 터 바이어스의 한 가지 문제는 출력 신호의 상당 부분이 이미 터 저항 RE(아래 그림)에서 떨어 진다는 것입니다. 에미터 저항 양단의 이 전압 강하는 베이스와 직렬이고 입력 신호와 비교하여 극성이 반대입니다. (이것은 게인이 <1인 일반적인 컬렉터 구성과 유사합니다.) 이 퇴화는 베이스에서 컬렉터로의 게인을 심각하게 감소시킵니다. AC 신호 증폭기의 솔루션은 커패시터로 이미 터 저항을 우회하는 것입니다. 이것은 커패시터가 AC 신호에 대해 짧기 때문에 AC 이득을 복원합니다. DC 에미터 전류는 에미터 저항에서 여전히 퇴화되어 DC 전류를 안정화합니다.
AC 게인 감소를 방지하려면 Cbypass가 필요합니다.
바이패스 커패시터의 값은 증폭할 가장 낮은 주파수에 따라 다릅니다.
무선 주파수의 경우 Cbpass는 작습니다. 20Hz까지 확장되는 오디오 증폭기의 경우 클 것입니다. 바이패스 커패시터에 대한 "경험상의 법칙"은 리액턴스가 이미 터 저항의 1/10 이하여야 한다는 것입니다. 커패시터는 증폭되는 가장 낮은 주파수를 수용하도록 설계되어야 합니다. 20Hz ~ 20kHz를 커버하는 오디오 증폭기용 커패시터는 다음과 같습니다.
내부 이미터 저항 rEE는 바이패스 커패시터에 의해 바이패스되지 않습니다.
안정적인 이미 터 바이어스에는 아래 그림과 같이 저전압 베이스 바이어스 전원이 필요합니다. 기본 공급 VBB의 대안은 컬렉터 공급 VCC를 기반으로 하는 전압 분배기입니다.
전압 분배기 바이어스는 기본 배터리를 전압 분배기로 대체합니다.
설계 기법은 먼저 이미 터 바이어스 설계를 수행한 다음 Thevenin의 정리를 사용하여 전압 분배기 바이어스 구성으로 변환하는 것입니다. [TK1] 단계는 아래 그림에 그래픽으로 표시됩니다. 값을 할당하지 않고 전압 분배기를 그립니다. 디바이더를 베이스에서 느슨하게 풉니다. (트랜지스터의 베이스는 부하입니다.) Thevenin의 정리를 적용하여 단일 등가 저항 Rth와 전압 소스 Vth를 생성합니다.
Thevenin의 정리는 전압 분배기를 단일 전원 Vth 및 저항 Rth로 변환합니다.
Thevenin 등가 저항은 배터리(VCC)가 0(접지)으로 감소된 부하 지점(화살표)에서의 저항입니다. 즉, R1||R2입니다. Thevenin 등가 전압은 개방 회로 전압(부하 제거)입니다. 이 계산은 분압기 비율 방법에 의한 것입니다. R1은 Rth와 Vth에 대한 한 쌍의 방정식에서 R2를 제거하여 얻습니다. R1의 방정식은 알려진 양 Rth, Vth, Vcc로 표시됩니다. Rth는 이미 터 바이어스 설계의 바이어스 저항인 RB입니다. R2에 대한 방정식은 R1 및 Rth로 표시됩니다.
이 이전 이미 터 바이어스 예를 전압 분배기 바이어스로 변환하십시오.
전압 분배기 바이어스로 변환된 이미터 바이어스 예.
이 값은 이미 터 바이어스 예에 대해 이전에 선택되거나 계산되었습니다.
VCC , VBB , RB 를 대체하면 전압 분배기 바이어스 구성에 대해 R1 및 R2가 생성됩니다.
R1은 220K의 표준 값입니다. 38.8k에 해당하는 R2에 대한 가장 가까운 표준 값은 39k입니다. 이것은 우리가 그것을 계산하기에 충분히 IE를 변경하지 않습니다. 예시 문제 1. 아래 그림에서 캐스코드 증폭기의 바이어스 저항을 계산합니다. VB2는 공통 이미 터 스테이지의 바이어스 전압입니다. VB1은 공통 베이스 스테이지가 에미터를 11.5-0.7=10.8V, 약 11V로 유지하기를 원하기 때문에 11.5에서 상당히 높은 전압입니다. (RB1 양단의 전압 강하를 고려하면 10V가 됩니다.) 즉, 공통 베이스 단은 공통 이미 터 단의 컬렉터에 대한 저항을 대신하는 부하입니다. 우리는 1mA 이미터 전류를 원합니다.
캐스코드 증폭기에 대한 바이어스입니다.
2. 캐스코드 증폭기의 기본 바이어스 저항을 20V의 VCC에 의해 구동되는 전압 분배기 바이어스 저항으로 변환합니다.
최종 회로도는 "Practical Analog Circuits" 장, "Class A cascode 증폭기 . . . ” 캐스코드, 9장 .
검토:
<울>
편향 방정식 요약.
관련 워크시트:
<울>산업기술
NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들과 협력자들은 트랜지스터의 결함을 감지하고 계산하는 매우 민감한 방법을 고안하고 테스트했습니다. 이는 차세대 장치를 위한 새로운 재료를 개발하는 반도체 산업에서 시급한 문제입니다. 이러한 결함은 트랜지스터 및 회로 성능을 제한하고 제품 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적인 트랜지스터는 디지털 용도로 기본적으로 스위치입니다. 켜져 있으면 전류가 반도체의 한쪽에서 다른 쪽으로 흐릅니다. 끄면 전류가 멈춥니다. 이러한 작업은
증폭 기능이 있는 전자 회로는 BJT가 바이어싱을 거치면 더 효율적으로 수행할 수 있습니다. 일반적으로 이 프로세스에는 장치를 원하는 상태로 전환하는 단자에 외부 전압을 적용하는 작업이 포함됩니다. 많은 회로 설계에는 일반적으로 올바른 입력 전류 및 전압 레벨을 분배하는 저항기가 있습니다. 다양한 BJT 바이어싱 기술은 특정 특성을 제공하는 반면 다른 기술은 열 폭주를 방지합니다. 실제로 이것은 증폭 애플리케이션에 매우 유용합니다. 이 기사는 BJT 바이어싱 기본 사항 및 회로 구현을 안내합니다. 그럼 살펴보겠습니다! BJT 바