5.3: Зміщення випромінювача з двома постачанням

Для належного функціонування перехід колектор-базовий повинен бути зворотним зміщеним, а перехід база-випромінювач повинен бути зміщеним вперед. Для транзистора NPN це означає, що колектор повинен бути на найвищому потенціалі, база дещо нижча, а емітер - на найнижчому потенціалі з трьох. Один із способів зробити це - подати на колектор звичайну позитивну подачу, але замість того, щоб використовувати другий потенціал біля основи, основа прив'язується до землі через резистор. Необхідне зміщення вперед на базі-випромінювач потім досягається шляхом підключення випромінювача до негативного джерела живлення. Ця конфігурація схеми показана на малюнку\(\PageIndex{1}\) за допомогою пристрою NPN. Ми будемо називати це зміщенням випромінювача з двома постачанням.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зміщення випромінювача з двома джерелами, версія NPN.

Ми можемо вивести рівняння для струму колектора, застосувавши КВЛ до петлі базового випромінювача:

\[V_{EE} = V_{R_B} +V_{BE}+V_{R_E} \nonumber \]

\[V_{EE} = I_B R_B+V_{BE}+I_E R_E \nonumber \]

Нагадуючи, що\(I_B = I_C/ \beta\) і\(I_E \approx I_C\),

\[V_{EE} = (I_C/ \beta )R_B+V_BE+ I_C R_E \nonumber \]

Рішення для\(I_C\) нас приїжджаємо

\[I_C = \frac{∣V_{EE}∣−V_{BE}}{R_E+R_B / \beta} \label{5.1} \]

Абсолютне значення було додано до напруги живлення випромінювача, тому немає плутанини щодо знака цього потенціалу в рівнянні.

Що слід звернути увагу на Equation\ ref {5.1} полягає в тому, що\( \beta \) лише частково визначає струм колектора. Насправді, якщо ми можемо зробити\(R_E \gg R_B/ \beta\), то рівняння зводиться до

\[I_C \approx \frac{∣V_{EE}∣−V_{BE}}{R_E} \label{5.2} \]

Домогтися\(R_E \gg R_B/ \beta\) обумовлення відносно легко. З огляду на типові значення\( \beta \), це буде в тому випадку, якщо приблизно\(R_E\) дорівнює або більше ніж\(R_B\). Те, що ми знаходимо в цьому випадку, полягає в тому, що майже вся подача випромінювача падає,\(R_E\) щоб встановити\(I_C\) стабільність, практично не\( \beta \) граючи ролі. Якщо\( \beta \) зміниться, результатом буде зворотна зміна\(I_B\) з\(I_C\) залишеним значною мірою незмінним.

Тепер, коли у нас є струм колектора, будь-який інший струм або напруга в ланцюзі можна вивести шляхом застосування закону Ома, КВЛ і тому подібного. Наприклад, знайти\(V_C\), напруга від колектора до землі,

\[V_C = V_{CC} − V_{R_C} \nonumber \]

\[V_C = V_{CC} − I_C R_C \nonumber \]

І знайти напругу колектор-емітер транзистора\(V_{CE}\),

\[V_{CE} = V_{CC}+∣V_{EE}∣−V_{RC} −V_{RE} \\ V_{CE} = V_{CC}+∣V_{EE}∣−I_C R_C −I_C R_E \\ V_{CE} = V_{CC}+∣V_{EE}∣−I_C (R_C+R_E ) \label{5.3} \]

Зверніть увагу, що також\(V_{CE}\) можна знайти через\(V_{CE} = V_C − V_E\). Падіння напруги по контуру база-емітер дає

\[V_E = −V_{R_B} −V_{BE} \nonumber \]

\[V_E = −I_B R_B −V_{BE} \nonumber \]

Крім того, для нашої переваги розробити лінію навантаження постійного струму для цієї конфігурації. Лінія навантаження може служити «перевіркою осудності» для наших обчислень. Щоб знайти кінцеві точки,\(I_{C(sat)}\) є максимальний струм і буде відбуватися при\(V_{CE} = 0\). Якщо ми уявляємо, що струм зростає,\(V_{CE}\) коли руйнується, врешті-решт вся наявна напруга живлення впаде через\(R_C\) і\(R_E\). Таким чином

\[I_{C(sat)} = \frac{V_{CC}+∣V_{EE}∣}{R_C+R_E} \label{5.4} \]

Аналогічно\(V_{CE(cutoff)}\) відбувається при\(I_C = 0\). Це означає, що не буде потенціалів поперек\(R_C\) і\(R_E\). Тому\(V_{CE}\) «поглинає» все наявне напруга джерела.

\[V_{CE (cutoff )} = V_{CC}+∣V_{EE} ∣ \label{5.5} \]

Не намагайтеся запам'ятати всі з безлічі представлених рівнянь. Є просто занадто багато варіацій на тему, і це буде тільки гірше, коли інші конфігурації зміщення введені. Замість цього пам'ятайте, як знайти струм колектора, а потім отримаєте звичку застосовувати закон Ома і КВЛ, щоб вивести все, що вам може знадобитися.

На цьому етапі закликається всеосяжний приклад.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Припускаючи\( \beta = 100\), побудуйте точку Q (\(I_C\)і\(V_{CE}\)) на лінії навантаження для схеми малюнка\(\PageIndex{2}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схема для прикладу\(\PageIndex{1}\).

Використання рівняння\ ref {5.1}:

\[I_C = \frac{∣V_{EE} ∣−V_{BE}}{R_E+R_B / \beta} \nonumber \]

\[I_C = \frac{10 −0.7}{2.7k \Omega +5.1 k \Omega /100} \nonumber \]

\[I_C = 3.38 mA \nonumber \]

Відзначаючи відносні розміри\(R_E\) і\(R_B\), наближення повинно бути близьким.

\[I_C = \frac{∣V_{EE} ∣−V_{BE}}{R_E} \nonumber \]

\[I_C = \frac{10 −0.7}{2.7 k \Omega} \nonumber \]

\[I_C = 3.44 mA \nonumber \]

Для пошуку\(V_{CE}\) ми можемо використовувати рівняння, отримане вище (Equation\ ref {5.3}).

\[V_{CE} = V_{CC} +∣V_{EE}∣− I_C(R_C+R_E ) \nonumber \]

\[V_{CE} = 20 V+10 V −3.38mA(3.3 k \Omega +2.7k \Omega ) \nonumber \]

\[V_{CE} = 9.72 V \nonumber \]

Тепер обчислимо кінцеві точки лінії навантаження:

\[I_{C(sat)} = \frac{V_{CC}+∣V_{EE} ∣}{R_C+R_E} \nonumber \]

\[I_{C(sat)} = \frac{20 V+10V}{3.3K \Omega +2.7K \Omega} \nonumber \]

\[I_{C(sat)} = 5 mA \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = V_{CC} +∣V_{EE}∣ \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = 20 V+−10 V \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = 30 V \nonumber \]

Лінія навантаження для схеми в прикладі\(\PageIndex{1}\) показана на рис\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Лінія навантаження постійного струму для ланцюга рис\(\PageIndex{2}\).

Зверніть увагу на пропорції між напругою і струмом для точки Q. Напруга становить трохи менше однієї третини від максимуму, тоді як струм становить трохи більше двох третин від його максимуму.

5.3.1: Перевірка стабільності

Було висловлено твердження, що схеми зміщення випромінювачів з двома постачанням, подібні до однієї Малюнок,\(\PageIndex{1}\) потенційно мають стабільну точку Q. Якби ми мали намітити другу точку Q для великої зміни\( \beta \), вона навряд чи повинна рухатися, тим самим вказуючи на дуже високу стабільність. Наприклад, подвоєння\( \beta \) до 200 призводить до\(I_C = 3.41\) mA та\(V_{CE} = 9.53\) V. Нова точка Q окантована трохи ближче до насичення, створюючи приблизно 1% зміни струму для 100% зміни\( \beta \). Зрозуміло, що ця конфігурація може спричинити дуже невеликі зміни в точці Q, незважаючи на дуже великі зміни\( \beta \).

5.3.2: Комп'ютерне моделювання

Схема зміщення випромінювача з двома джерелами на малюнку\(\PageIndex{4}\) моделюється за допомогою функції зміщення постійного струму. Швидка оцінка показує, що ми очікуємо близько 2 мА струму колектора (9,3 В/4,7 к\( \Omega \)) і напруга колектора близько 8 вольт (15 В − 2 мА\(\cdot\) 3,6 к\( \Omega \)). Ми також очікуємо невеликого негативного потенціалу в базі\(−I_BR_B\)). Враховуючи типові\( \beta \) значення для 2N3904 (200-ish при цьому струмі, поверніться до аркуша даних), ми очікуємо базового струму приблизно від 10 до 15\(\mu\) А, залишаючи нам приблизно −0,1 вольт.\(V_B\) Напруга випромінювача була б приблизно на 0,7 вольт менше, ніж це, можливо, −0,8 вольт або близько того.

Коротше кажучи, для правильно спроектованої схеми цього типу ми\(V_B\) очікуємо, що вона буде досить близькою до 0 В і\(V_E\) буде приблизно −0,7 вольт.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схема моделювання зміщення випромінювача з двома джерелами живлення.

Результати наведені на рис\(\PageIndex{5}\). Напруги вузлів узгоджуються з нашими оцінками. Вузол 3 - напруга колектора, дуже близьке до оцінки. Результати для базової напруги (вузол 2) і напруги емітера (вузол 1) також відповідають оцінкам.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Результати моделювання ланцюга зміщення випромінювача з двома джерелами живлення.

5.3.3: Зміщення випромінювача з двома джерелами PNP

Хоча можна створити PNP-версію схем зміщення, просто помінявши пристрій, а потім змінивши ознаки джерел живлення, прийнято «перевертати» всю схему зверху вниз, щоб випромінювач накручувався зверху, а колектор знизу. Однією з переваг цього є те, що в мультитранзисторной схемою всі струми зміщення постійного струму «біжать вниз по сторінці», тобто струми колектора протікають з верхньої частини сторінки в нижню частину сторінки. \(\PageIndex{6}\)На малюнку показана схема зміщення випромінювача з двома джерелами PNP.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Схема зміщення випромінювача з двома живленням PNP.

Усі рівняння струму пристрою та рівняння компонентної напруги, отримані для версії NPN, будуть триматися для версії PNP. Відмінності, які слід пам'ятати, поляритет напруги буде змінений (те, що було позитивним у NPN, є негативним у PNP), а поточні напрямки будуть змінені (наприклад, звичайний струм надходить у колектор NPN, але з колектора PNP. Наприклад, в NPN ми очікуємо, що базовий струм буде надходити в базовий термінал. Це створює невелике негативне напруга біля основи і трохи більше негативна напруга (на 0,7 В) у випромінювача. У ПНП базовий струм витікає з підстави. Це створює невелику позитивну напругу в базі і призводить до того, що випромінювач буде трохи більш позитивним (на 0,7 В). Це, мабуть, найкраще ілюструється прикладом.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Припускаючи\( \beta = 100\), визначте точку Q і кінцеві точки лінії навантаження ланцюга Рис\(\PageIndex{7}\).

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Схема для прикладу\(\PageIndex{2}\).

По-перше, зверніть увагу, що це PNP, звернений догори дном, тому випромінювач знаходиться вгорі. Використання рівняння\ ref {5.1}:

\[I_C = \frac{∣V_{EE}∣−V_{BE}}{R_E+R_B / \beta} \nonumber \]

\[I_C = \frac{15−0.7}{10 k \Omega +15k \Omega /100} \nonumber \]

\[I_C = 1.409mA \nonumber \]

Як перехресної перевірки, відзначаючи відносні розміри\(R_E\) і\(R_B\), наближення повинно бути близьким.

\[I_C = \frac{∣V_{EE}∣−V_{BE}}{R_E} \nonumber \]

\[I_C = \frac{15 −0.7}{10 k \Omega} \nonumber \]

\[I_C = 1.43 mA \nonumber \]

Для пошуку\(V_{CE}\) ми можемо використовувати Equation\ ref {5.3} з невеликою модифікацією.

\[V_{CE} = V_{EE} + ∣V_{CC}∣−I_C (R_C+R_E ) \nonumber \]

\[V_{CE} = 15V+25 V −1.409mA(12 k \Omega +10k \Omega ) \nonumber \]

\[V_{CE} = 9V \nonumber \]

Завершуємо картину визначенням кінцевих точок лінії навантаження.

\[I_{C(sat)} = \frac{V_{EE} + ∣V_{CC}∣}{R_C+R_E} \nonumber \]

\[I_{C(sat)} = \frac{10 V+25V}{12 K \Omega +10 K \Omega} \nonumber \]

\[I_{C(sat)} = 1.818mA \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = V_{EE}+∣V_{CC}∣ \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = 15 V+25 V \nonumber \]

\[V_{CE (cutoff )} = 40 V \nonumber \]

Точка Q становить близько 3/4th максимального струму і 1/4 від максимальної напруги.