انحياز التيار المستمر في الترانزستورات - BJTs

انحياز التيار المستمر في الترانزستورات - BJTs

بعبارات بسيطة ، يمكن تعريف التحيز في BJTs على أنه عملية يتم فيها تنشيط BJT أو تشغيله من خلال تطبيق حجم أصغر للتيار المستمر عبر أطراف القاعدة / الباعث بحيث يكون قادرًا على إجراء قدر أكبر نسبيًا من DC عبر محطات باعثها المجمعة.



يخضع عمل الترانزستور ثنائي القطب أو BJTs على مستويات التيار المستمر إلى عدة عوامل ، بما في ذلك مجموعة من نقاط التشغيل على خصائص الأجهزة.

ضمن القسم 4.2 الموضح في هذه المقالة ، سوف نتحقق من التفاصيل المتعلقة بهذا النطاق من نقاط التشغيل لمكبرات الصوت BJT. بمجرد حساب إمدادات التيار المستمر المحددة ، يمكن إنشاء تصميم دائرة لتحديد نقطة التشغيل المطلوبة.





يتم فحص مجموعة متنوعة من هذه التكوينات في هذه المقالة. سيحدد كل نموذج منفرد تمت مناقشته بالإضافة إلى ذلك استقرار النهج ، مما يعني بالضبط مدى حساسية النظام لمعلمة معينة.

على الرغم من فحص العديد من الشبكات في هذا القسم ، إلا أن هناك تشابهًا أساسيًا واحدًا بين تقييمات كل تكوين ، بسبب الاستخدام المتكرر التالي للعلاقة الأساسية الحاسمة:



في معظم الحالات ، يحدث أن يكون IB الحالي هو أول كمية يجب تحديدها. بمجرد تحديد IB ، فإن علاقات Eqs. (4.1) عبر (4.3) يمكن تنفيذها للحصول على باقي الكميات المعنية.

ستظهر أوجه التشابه في التقييمات بسرعة مع تقدمنا ​​في الأقسام التالية.

معادلات IB متطابقة جدًا للعديد من التصميمات بحيث يمكن اشتقاق صيغة واحدة من الأخرى ببساطة عن طريق إزالة أو إدراج عنصر أو عنصرين.

الهدف الرئيسي من هذا الفصل هو إنشاء درجة من فهم ترانزستور BJT والذي سيمكنك من تنفيذ تحليل DC لأي دائرة تقريبًا بها مضخم BJT كعنصر.

4.2 نقطة التشغيل

الكلمة متحيز يظهر في عنوان هذه المقالة مصطلح متعمق يشير إلى تنفيذ جهد التيار المستمر ، وتحديد مستوى ثابت للتيار والجهد في BJTs.

بالنسبة لمكبرات الصوت BJT ، ينتج عن التيار المستمر والجهد نقطة التشغيل على الخصائص التي تحدد المنطقة التي تصبح مثالية للتضخيم المطلوب للإشارة المطبقة. نظرًا لأن نقطة التشغيل تكون نقطة محددة مسبقًا على الخصائص ، فيمكن أيضًا الإشارة إليها على أنها نقطة هادئة (يُشار إليها اختصارًا باسم Q-point).

'الهدوء' بالتعريف يعني الصمت ، السكون ، المستقر. يوضح الشكل 4.1 خاصية الإخراج القياسية لـ BJT التي لها 4 نقاط التشغيل . يمكن تطوير دائرة التحيز لإنشاء BJT عبر إحدى هذه النقاط أو غيرها داخل المنطقة النشطة.

يشار إلى التقديرات القصوى على خصائص الشكل 4.1 من خلال خط أفقي لأعلى تيار جامع ICmax وخط عمودي على أعلى جهد من المجمع إلى الباعث VCEmax.

يتم تحديد الحد الأقصى للطاقة من منحنى PCmax في نفس الشكل. في الطرف السفلي من الرسم البياني يمكننا أن نرى منطقة القطع ، المحددة بواسطة IB ≤ 0μ ، ومنطقة التشبع ، المحددة بواسطة VCE-VCEsat.

يمكن أن تكون وحدة BJT متحيزة خارج هذه الحدود القصوى المشار إليها ، ولكن نتيجة هذه العملية قد تؤدي إلى تدهور كبير في عمر الجهاز أو انهيار كامل للجهاز.

تقييد القيم بين المنطقة النشطة المشار إليها ، يمكن للمرء اختيار مجموعة متنوعة من مناطق أو نقاط التشغيل . عادةً ما تعتمد نقطة Q المحددة على المواصفات المقصودة للدائرة.

ومع ذلك ، يمكننا بالتأكيد أن نأخذ في الاعتبار بعض الفروق بين عدد النقاط الموضحة في الشكل 4.1 لتقديم بعض التوصيات الأساسية فيما يتعلق نقطة التشغيل ، وبالتالي ، دائرة التحيز.

إذا لم يتم تطبيق أي تحيز ، فسيظل الجهاز في البداية مغلقًا تمامًا ، مما يتسبب في أن تكون نقطة Q عند A - أي صفر تيار عبر الجهاز (و 0 V عبره). نظرًا لأنه من الضروري تحيز BJT لتمكينه من الاستجابة للنطاق الكامل لإشارة إدخال معينة ، فقد لا تبدو النقطة A مناسبة.

بالنسبة للنقطة B ، عند توصيل إشارة بالدائرة ، سيُظهر الجهاز تباينًا في التيار والجهد عبر نقطة التشغيل ، مما يمكّن الجهاز من الاستجابة (وربما تضخيم) كل من التطبيقات الإيجابية والسلبية لإشارة الإدخال.

عندما يتم استخدام إشارة الإدخال على النحو الأمثل ، من المحتمل أن يتغير الجهد والتيار لـ BJT ..... ومع ذلك قد لا يكون كافياً لتنشيط الجهاز في حالة قطع أو تشبع.

قد تساعد النقطة C في بعض الانحراف الإيجابي والسلبي لإشارة الخرج ، ولكن قد يكون حجم الذروة إلى الذروة مقيدًا بالقرب من VCE = 0V / IC = 0 مللي أمبير.

وبالمثل ، قد يتسبب العمل عند النقطة C في القليل من القلق فيما يتعلق بالخطية نظرًا لحقيقة أن الفجوة بين منحنيات IB يمكن أن تتغير بسرعة في هذه المنطقة بالذات.

بشكل عام ، من الأفضل بكثير تشغيل الجهاز الذي يكون فيه كسب الجهاز متسقًا (أو خطيًا) ، لضمان أن يظل التضخيم في التأرجح الكلي لإشارة الإدخال منتظمًا.

النقطة B هي منطقة تظهر تباعد خطي أعلى ولهذا السبب نشاط خطي أكبر ، كما هو مبين في الشكل 4.1.

تحدد النقطة D الجهاز نقطة التشغيل قريبة من أعلى مستويات الجهد والطاقة. وبالتالي يتم تقييد تأرجح جهد الخرج عند الحد الإيجابي عندما لا يفترض تجاوز الحد الأقصى للجهد.

نتيجة لذلك ، تبدو النقطة B مثالية نقطة التشغيل فيما يتعلق بالكسب الخطي وأكبر تغيرات الجهد والتيار الممكنة.

سوف نصف هذا بشكل مثالي لمكبرات الإشارة الصغيرة (الفصل 8) ومع ذلك ، ليس دائمًا لمكبرات الطاقة ، .... سنتحدث عن هذا لاحقًا.

ضمن هذا الخطاب ، سأركز بشكل أساسي على تحيز الترانزستور فيما يتعلق بوظيفة تضخيم الإشارة الصغيرة.

هناك عامل انحياز آخر بالغ الأهمية يجب النظر إليه. بعد أن صممت وحيّزت BJT مع المثل الأعلى نقطة التشغيل ، يجب أيضًا تقييم تأثيرات درجة الحرارة.

سيتسبب نطاق الحرارة في انحراف حدود الجهاز مثل كسب تيار الترانزستور (ac) وتيار تسرب الترانزستور (ICEO). ستؤدي نطاقات درجات الحرارة المتزايدة إلى حدوث تيارات تسرب أكبر في BJT ، وبالتالي ستعمل على تعديل مواصفات التشغيل التي تحددها شبكة التحيز.

وهذا يعني أن نمط الشبكة يحتاج أيضًا إلى تسهيل مستوى من استقرار درجة الحرارة لضمان أن تكون تأثيرات التغيرات في درجات الحرارة بأقل قدر من التحولات في نقطة التشغيل . يمكن اشتراط صيانة نقطة التشغيل بعامل استقرار ، S ، يشير إلى مستوى الانحرافات في نقطة التشغيل الناتجة عن تغير درجة الحرارة.

يُنصح باستخدام دائرة مثبَّتة على النحو الأمثل ، وسيتم هنا تقييم الميزة الثابتة للعديد من دوائر التحيز الأساسية. لكي يكون BJT متحيزًا داخل منطقة التشغيل الخطية أو الفعالة ، يجب استيفاء النقاط الواردة أدناه:

1. يجب أن يكون تقاطع القاعدة-الباعث متحيزًا للأمام (جهد المنطقة p موجب بشدة) ، مما يتيح جهد التحيز الأمامي من 0.6 إلى 0.7 فولت.

2. يجب أن يكون تقاطع مجمع القاعدة متحيزًا عكسيًا (منطقة n موجبة بشدة) ، مع بقاء جهد التحيز العكسي عند بعض القيمة داخل الحدود القصوى لـ BJT.

[تذكر أنه من أجل التحيز الأمامي ، سيكون الجهد عبر تقاطع pn ص -إيجابي ، وبالنسبة للتحيز العكسي يتم عكسه ن -إيجابي. يجب أن يمنحك هذا التركيز على الحرف الأول طريقة لتذكر قطبية الجهد الأساسي بسهولة.]

عادةً ما يتم تقديم العملية في مناطق القطع والتشبع والخطية لخاصية BJT كما هو موضح أدناه:

1. عملية المنطقة الخطية:

تقاطع القاعدة-الباعث متحيز للأمام

قاعدة جامع تقاطع عكسي متحيز

2. عملية قطع المنطقة:

تقاطع قاعدة باعث عكسي متحيز

3. عملية منطقة التشبع:

تقاطع القاعدة-الباعث متحيز للأمام

تقاطع قاعدة جامع متحيز للأمام

4.3 دائرة الانحراف الثابت

تم تصميم دائرة التحيز الثابت في الشكل 4.2 بنظرة عامة بسيطة وغير معقدة إلى حد ما لتحليل انحياز التيار المستمر في الترانزستور.

على الرغم من أن الشبكة تستخدم ترانزستور NPN ، إلا أن الصيغ والحسابات يمكن أن تعمل بشكل متساوٍ مع إعداد ترانزستور PNP ببساطة عن طريق إعادة تكوين مسارات التدفق الحالية وأقطاب الجهد.

الاتجاهات الحالية للشكل 4.2 هي الاتجاهات الحالية الحقيقية ، ويتم تحديد الفولتية من خلال التعليقات التوضيحية العامة المزدوجة.

لتحليل التيار المستمر ، يمكن فصل التصميم عن مستويات التيار المتردد المذكورة ببساطة عن طريق تبديل المكثفات بمكافئ دائرة مفتوحة.

علاوة على ذلك ، يمكن تقسيم VCC للإمداد بالتيار المستمر إلى زوجين من الإمدادات المنفصلة (فقط لإجراء التقييم) كما ثبت في الشكل 4.3 فقط للسماح بتفكيك دارات الإدخال والإخراج.

ما يفعله هذا هو تقليل الارتباط بين الاثنين مع IB الحالي الأساسي. يعتبر الفراق شرعيًا بلا شك ، كما هو مبين في الشكل 4.3 حيث يتم توصيل VCC مباشرة إلى RB و RC تمامًا كما في الشكل 4.2.

ثابت التحيز BJT الدائرة

انحياز قاعدة - باعث إلى الأمام

انحياز قاعدة - باعث إلى الأمام

دعنا أولاً نحلل حلقة دارة القاعدة - الباعث الموضحة أعلاه في الشكل 4.4. إذا طبقنا معادلة جهد كيرشوف في اتجاه عقارب الساعة للحلقة ، فإننا نشتق المعادلة التالية:

يمكننا أن نرى أن قطبية الجهد تنخفض عبر RB كما هو محدد من خلال اتجاه IB الحالي. يوفر لنا حل معادلة IB الحالي النتيجة التالية:

المعادلة (4.4)

المعادلة (4.4) هي بالتأكيد معادلة يمكن حفظها بسهولة ، ببساطة عن طريق تذكر أن تيار القاعدة هنا يصبح التيار المار عبر RB ، وعن طريق تطبيق قانون أوم وفقًا للتيار الذي يساوي الجهد عبر RB مقسومًا على المقاومة RB .

الجهد عبر RB هو الجهد المطبق VCC في أحد الطرفين أقل من الانخفاض عبر تقاطع القاعدة إلى المشع (VBE).
أيضًا ، نظرًا لحقيقة أن العرض VCC والجهد الأساسي المشع VBE عبارة عن كميات ثابتة ، فإن اختيار المقاوم RB في القاعدة يحدد مقدار التيار الأساسي لمستوى التبديل.

جامع - باعث حلقة

جامع - باعث حلقة

يوضح الشكل 4.5 مرحلة دائرة باعث المجمع ، حيث تم تقديم اتجاه الدائرة المتكاملة الحالية والقطبية المقابلة عبر RC.
يمكن اعتبار قيمة تيار المجمع مرتبطة مباشرة بـ IB من خلال المعادلة:

المعادلة (4.5)

قد تجد أنه من المثير للاهتمام أن ترى أنه نظرًا لأن التيار الأساسي يعتمد على كميات RB ، و IC مرتبط بـ IB من خلال ثابت β ، فإن حجم IC ليس دالة للمقاومة RC.

لن ينتج عن ضبط RC لبعض القيم الأخرى أي تأثير على مستوى IB أو حتى IC ، طالما يتم الحفاظ على المنطقة النشطة لـ BJT.
ومع ذلك ، ستجد أن حجم VCE يتحدد بواسطة مستوى RC ، وقد يكون هذا أمرًا مهمًا يجب مراعاته.

إذا استخدمنا قانون الجهد Kirchhoff في اتجاه عقارب الساعة عبر الحلقة المغلقة الموضحة في الشكل 4.5 ، فإنه ينتج المعادلتين التاليتين:

المعادلة (4.6)

يشير هذا إلى أن الجهد عبر باعث المجمع لـ BJT داخل دائرة انحياز ثابتة هو جهد الإمداد المكافئ للقطرة المتكونة عبر RC
لإلقاء نظرة سريعة على تدوين الرمز الفردي والمزدوج ، تذكر ما يلي:

VCE = VC - VE -------- (4.7)

حيث يشير VCE إلى الجهد المتدفق من المجمع إلى الباعث ، VC و VE هما الفولتية التي تمر من المجمع والباعث نحو الأرض على التوالي. لكن هنا ، بما أن VE = 0 V ، لدينا

VCE = VC -------- (4.8)
أيضًا لأن لدينا ،
VBE = VB - AND -------- (4.9)
ولأن VE = 0 ، نحصل أخيرًا على:
VBE = VB -------- (4.10)

يرجى تذكر النقاط التالية:

أثناء قياس مستويات الجهد مثل VCE ، تأكد من وضع مسبار الفولتميتر الأحمر على دبوس المجمع والمسبار الأسود على دبوس الباعث كما هو موضح في الشكل التالي.

يشير VC إلى مرور الجهد من المجمع إلى الأرض ، كما أن إجراء القياس الخاص به كما هو موضح في الشكل التالي.

في الحالة الحالية ، ستكون كلتا القراءات أعلاه متشابهة ، ولكن بالنسبة لشبكات الدوائر المختلفة ، يمكن أن تظهر نتائج متفاوتة.

هذا يعني أن هذا الاختلاف في القراءات بين القياسين يمكن أن يكون حاسمًا أثناء تشخيص خطأ محتمل في شبكة BJT.

قياس VCE و VC في شبكة BJT

حل مثال عملي لانحياز BJT

قم بتقييم ما يلي من أجل تكوين الانحياز الثابت بالشكل 4.7.

معطى:
(أ) IBQ و ICQ.
(ب) VCEQ.
(ج) VB و VC.
(د) VBC.

حل مشكلة انحياز DC

في الفصل التالي سنتعرف على تشبع BJT.

المرجعي

ترانزستور التحيز




السابق: UP DOWN Logic Sequence Controller Circuit التالي: ما هو تشبع الترانزستور