Voltage-Divider Bias in BJT-circuits - Meer stabiliteit zonder bètafactor

Het voorspannen van de klemmen van een bipolaire transistor met behulp van een berekend resistief delernetwerk om optimale prestaties en schakelrespons te garanderen, wordt spanningsdeler-voorspanning genoemd.

In de eerdere vooringenomen ontwerpen dat we de bias huidige I hebben geleerd CQ en spanning V CEQ waren een functie van de huidige winst (β) van de BJT.

Maar omdat we weten dat β kwetsbaar kan zijn voor temperatuurveranderingen, met name voor siliciumtransistors, en ook de werkelijke waarde van bèta vaak niet goed wordt geïdentificeerd, kan het raadzaam zijn om een ​​spanningsdeler-bias in het BJT-circuit te ontwikkelen die mogelijk minder is gevoelig voor temperaturen, of gewoon onafhankelijk van BJT beta zelf.

De voorspanning van de spanningsdeler van Fig. 4.25 kan als een van deze ontwerpen worden beschouwd.

Bij onderzoek met een exacte basis de gevoeligheid voor variaties in bèta ziet er erg bescheiden uit. Als de schakelingsvariabelen correct zijn uitgewerkt, zijn de niveaus van I CQ en V CEQ kan vrijwel volledig onafhankelijk zijn van bèta.

Onthoud uit eerdere uitleg dat een Q-punt wordt gekenmerkt met een vast niveau van ICQ en VCEQ, zoals aangetoond in Fig. 4.26.

De mate van I BQ kan veranderen afhankelijk van de variaties in de bèta, maar het werkpunt rond de kenmerken geïdentificeerd door I CQ en V CEQ kan gemakkelijk ongewijzigd blijven als de juiste circuitrichtlijnen worden toegepast.

Zoals hierboven vermeld, vindt u een aantal benaderingen die kunnen worden gebruikt om de opstelling van de spanningsdeler te onderzoeken.

De reden achter de selectie van specifieke namen voor dit circuit zal tijdens onze analyse duidelijk worden en zal in de toekomstige berichten worden besproken.

De allereerste is de exacte techniek die kan worden uitgevoerd op elke opstelling van de spanningsdeler.

De tweede heet de benaderende methode, en de implementatie ervan wordt mogelijk wanneer aan bepaalde factoren is voldaan. De benaderende benadering maakt een veel directere analyse mogelijk met minimale inspanning en tijd.

Bovendien kan dit erg handig zijn voor de 'ontwerpmodus' waar we het in de latere secties over zullen hebben.
Over het algemeen, sinds de 'benaderende benadering' zou met de meeste voorwaarden kunnen worden gewerkt en moet daarom met hetzelfde niveau van aandacht worden geëvalueerd als de 'exacte methode'.

Exacte analyse

Laten we leren hoe de methode van exacte analyse kan worden geïmplementeerd met de volgende uitleg

Verwijzend naar de volgende afbeelding, zou de ingangszijde van het netwerk kunnen worden gereproduceerd zoals afgebeeld in Fig. 4.27 voor de gelijkstroomanalyse.

De Thévenin-equivalent netwerk voor het ontwerp aan de linkerkant van de BJT-basis B kan dan worden bepaald op een manier zoals hieronder geïllustreerd:

RTh ​ De ingangsvoedingspunten worden vervangen door een gelijkwaardige kortsluiting zoals weergegeven in Fig. 4.28 hieronder.

ETh: De voedingsspanningsbron V DC wordt teruggevoerd naar het circuit en de open circuit Thévenin-spanning zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding 4.29 wordt geëvalueerd zoals hieronder weergegeven:

Door de regel van de spanningsdeler te implementeren, komen we tot de volgende vergelijking:

Vervolgens, door het Thévenin-ontwerp opnieuw te creëren zoals geïllustreerd in figuur 4.30, evalueren we I BQ door eerst de spanningswet van Kirchhoff met de klok mee toe te passen voor de lus:

ETh - IBRTh - VBE - IERE = 0

Zoals we weten IE = (β + 1) B. Het vervangen in de bovenstaande lus en het oplossen van I B. geeft:

Vergelijking. 4.30

Op het eerste gezicht voel je misschien Eq. (4.30) ziet er heel anders uit dan de andere vergelijkingen die tot nu toe zijn ontwikkeld, maar bij nadere beschouwing zal blijken dat de teller slechts een verschil is van twee voltniveaus, terwijl de noemer het resultaat is van basisweerstand + emitterweerstand, wat wordt gereflecteerd door (β + 1) en lijkt ongetwijfeld erg op Vgl. (4,17) ( Base Emitter Loop ​

Zodra IB is berekend met de bovenstaande vergelijking, kan de rest van de magnitudes in het ontwerp worden geïdentificeerd via dezelfde methode als we deden voor het emitter-bias-netwerk, zoals hieronder wordt weergegeven:

Vergelijking (4,31)

Een praktijkvoorbeeld oplossen (4.7)
Bereken de DC-voorspanning V DIT en de huidige I C in het hieronder getoonde spanningsdelernetwerk Afb.4.31

Figuur 4.31 Beta-gestabiliseerd circuit voor Voorbeeld 4.7.

Geschatte analyse

In de bovenstaande sectie hebben we de 'exacte methode' geleerd, hier zullen we de 'benaderende methode' bespreken voor het analyseren van de spanningsdeler van een BJT-circuit.

We kunnen de ingangstrap van een op BJT gebaseerd spanningsdelernetwerk tekenen zoals weergegeven in figuur 4.32 hieronder.

De weerstand Ri kan worden beschouwd als het weerstandsequivalent tussen basis- en aardingslijn van het circuit, en RE als de weerstand tussen emitter en aarde.

Uit onze eerdere discussies [Vgl. (4.18)] we weten dat de weerstand die wordt gereproduceerd of gereflecteerd tussen basis / emitter van de BJT wordt uiteengezet door de vergelijking Ri = (β + 1) RE.

Als we een situatie beschouwen waarin Ri aanzienlijk groter is dan de weerstand R2, zal IB relatief kleiner zijn dan I2 (onthoud dat stroom altijd probeert te vinden en naar de richting van minimale weerstand te bewegen), en dus zal I2 ongeveer gelijk worden aan I1.

Aangezien de geschatte waarde van IB in wezen nul is in verhouding tot I1 of I2, dan kunnen I1 = I2 en R1 en R2 worden beschouwd als serie-elementen.

Figuur 4.32 Partiële bias-schakeling voor het berekenen van de geschatte basisspanning V B. ​

De spanning over R2, die oorspronkelijk de basisspanning zou zijn, kan worden geëvalueerd zoals hieronder wordt weergegeven, door het regelnetwerk voor spanningsdeler toe te passen:

Nu sinds Ri = (β + 1) RE ≅ b OPNIEUW, de voorwaarde die bevestigt of de uitvoering van de benaderende methode al dan niet haalbaar is, wordt bepaald door de vergelijking:

Simpel gezegd, als de waarde RE maal de waarde van β, niet minder is dan 10 keer de waarde van R2, dan kan het toegestaan ​​zijn om de benaderende analyse met optimale precisie uit te voeren

Nadat VB is geëvalueerd, kan de VE-magnitude worden bepaald door de vergelijking:

terwijl de emitterstroom kan worden berekend door de formule toe te passen:

De spanning van collector tot emitter kan worden geïdentificeerd door de volgende formule te gebruiken:

VCE = VCC - ICRC - IERE

Maar sinds IE ≅ IC, we komen tot de volgende vergelijking:

Opgemerkt moet worden dat in de reeks berekeningen die we hebben gemaakt van Eq. (4.33) tot en met Eq. (4.37) ,, het element β is nergens aanwezig en IB is niet berekend.

Dit houdt in dat het Q-punt (zoals vastgesteld door I CQ en V CEQ ) als resultaat is niet afhankelijk van de waarde van β
Praktijkvoorbeeld (4.8):

Laten we de analyse toepassen op onze eerdere Figuur 4.31 , gebruikmakend van een benaderende benadering, en vergelijk oplossingen voor ICQ en VCEQ.

Hier zien we dat het niveau van VB identiek is aan dat van ETh, zoals geëvalueerd in ons vorige voorbeeld 4.7. Wat dat in feite betekent, is dat het verschil tussen de geschatte analyse en exacte analyse wordt beïnvloed door RTh, die verantwoordelijk is voor het scheiden van ETh en VB in de exacte analyse.

Doorgaan,

Volgend voorbeeld 4.9

Laten we de exacte analyse van Voorbeeld 4.7 uitvoeren als β wordt verlaagd tot 70, en het verschil ontdekken tussen de oplossingen voor ICQ en VCEQ.

Oplossing
Dit voorbeeld mag niet worden opgevat als een vergelijking tussen exacte versus benaderende strategieën, maar alleen om de mate te testen waarin het Q-punt kan bewegen in het geval dat de grootte van β met 50% wordt verminderd. RTh en ETh worden als hetzelfde gegeven:

Door de resultaten in tabelvorm te rangschikken, krijgen we het volgende:

Uit de bovenstaande tabel kunnen we duidelijk opmaken dat het circuit relatief niet reageert op de verandering in β-niveaus. Ondanks het feit dat de β-magnitude aanzienlijk is verminderd met 50%, van de waarde van 140 naar 70, hoewel de waarden van ICQ en VCEQ in principe hetzelfde zijn.

Volgend voorbeeld 4.10

Evalueer de niveaus van I CQ en V CEQ voor het spanningsdelernetwerk zoals getoond in Afb. 4.33 door de exact en bij benadering benaderingen en vergelijk de resulterende oplossingen.

In het huidige scenario zijn de voorwaarden gegeven in Vgl. (4.33) is misschien niet tevreden, maar de antwoorden kunnen ons helpen om het verschil in de oplossing te identificeren met de voorwaarden van Vgl. (4.33) niet in aanmerking genomen.
Figuur 4.33 Spanningsdeler netwerk voor Voorbeeld 4.10.

Oplossen met exacte analyse:

Oplossen met behulp van geschatte analyse:


Uit de bovenstaande evaluaties kunnen we het verschil zien tussen de resultaten die zijn bereikt met exacte en benaderende methoden.

De resultaten laten zien dat ik CQ is ongeveer 30% hoger voor de benaderende methode, terwijl V CEQ is 10% lager. Hoewel de resultaten niet helemaal identiek zijn, gezien het feit dat βRE slechts 3 keer groter is dan R2, zijn de resultaten eigenlijk ook niet te ver uit elkaar.

Zei dat we voor onze toekomstige analyse voornamelijk zullen vertrouwen op de Eq. (4.33) om maximale gelijkenis tussen de twee analyses te garanderen.