Transistorvorspannung

Transistor-Vorspannung heißt der Prozess, bei dem die Betriebsspannung oder der Strom eines Transistors auf den richtigen Wert eingestellt wird, so dass jedes AC-Eingangssignal durch den Transistor korrekt verstärkt werden kann

Der Transistor hängt bei Dauerbetrieb sehr stark von seinem Basisstrom, der Kollektorspannung und dem Kollektorstrom ab und muss daher, wenn er als Linearverstärker arbeiten soll, richtig vorgespannt sein, um einen geeigneten Arbeitspunkt zu haben.

Um diesen richtigen Betriebspunkt einzustellen, ist die richtige Auswahl von Vorwiderständen und Lastwiderständen erforderlich, um die entsprechenden Eingangsstrom- und Kollektorspannungsbedingungen bereitzustellen. Der richtige Vorspannungspunkt für einen Bipolartransistor, entweder NPN oder PNP, liegt in der Regel irgendwo zwischen den beiden Extremen des Betriebs, da er entweder „fully-ON“ oder „fully-OFF“ entlang seiner Lastlinie ist. Dieser zentrale Betriebspunkt wird als „Ruhepunkt“ (Quiescent Operating Point), kurz Q-Punkt, bezeichnet.

Wenn ein Bipolartransistor so vorgespannt ist, dass der Q-Punkt nahe der Mitte seines Arbeitsbereichs liegt, also etwa auf halbem Weg zwischen Cut-Off und Sättigung, wird gesagt, dass er als Class-A-Verstärker arbeitet. Diese Betriebsart erlaubt es, den Ausgangsstrom um den Q-Punkt des Verstärkers herum verzerrungsfrei zu erhöhen und zu verringern, während das Eingangssignal durch einen kompletten Zyklus schwingt. Mit anderen Worten, der Ausgangsstrom fließt für die vollen 360^o des Eingangszyklus.

Wie stellen wir also diese Q-Punkt-Vorspannung eines Transistors ein? Die korrekte Vorspannung des Transistors wird durch ein Verfahren erreicht, das allgemein als Basis Vorspannung bekannt ist.

Bevor wir uns aber mit den möglichen unterschiedlichen Transistorvorspannungen beschäftigen, erinnern wir uns zunächst an die Transistor-Grundschaltung und die damit verbundenen Spannungen und Ströme, wie auf der linken Seite dargestellt.

Die Einstellung des „DC Vorspannungspegels“ oder „kein Eingangspegel“ besteht darin, den Q-Punkt des Transistors korrekt einzustellen, sodass der Kollektorstrom (I_C) auf einen konstanten und stationären Wert eingestellt wird, ohne dass ein Eingangssignal an der Basis des Transistors anliegt.

Dieser stationäre oder DC-Betriebspunkt wird durch die Werte der DC-Versorgungsspannung (Vcc) und den Wert der an die Transistoren angeschlossenen Vorspannwiderstände eingestellt.

Da es sich bei den Transistoren um stationäre Gleichströme handelt, hilft der Einsatz von Koppel- und Bypass-Kondensatoren, den Vorspannungsaufbau für eine Transistorstufe zu blockieren, der sich auf die Vorspannungsbedingungen der nächsten auswirkt. Basisvorspannungsnetzwerke können für Common-Base (CB), Common-Collector (CC) oder Common-Emitter (CE) Transistor-Konfigurationen verwendet werden. In diesem einfachen Transistor-Vorspannungs-Tutorial werden wir die verschiedenen Vorspannungsanordnungen für einen Common Emitter Verstärker betrachten.

Basis-Vorspannung eines Common Emitter-Verstärkers

Eine der am häufigsten verwendeten Vorspannungsschaltungen für eine Transistorschaltung ist die Eigenvorspannung, bei der ein oder mehrere Vorspannwiderstände zur Einstellung der DC-Anfangswerte von Transistorströmen verwendet werden ( I_B ), ( I_C ) und ( I_E ).

Die beiden häufigsten Formen der Transistorvorspannung sind Beta-abhängig und Beta-unabhängig. Transistor-Vorspannungen sind weitgehend abhängig vom Transistor-Beta, (β), wobei die Vorspannung für einen Transistor nicht unbedingt gleich der für einen anderen sein muss. Die Vorspannung der Transistoren kann entweder über einen einzigen Rückkopplungswiderstand oder über ein einfaches Spannungsteilernetz erfolgen, um die erforderliche Vorspannung bereitzustellen.

Im Folgenden finden Sie fünf Beispiele für Transistor-Basisvorspannungskonfigurationen bei einer einzigen Versorgung (Vcc).

Feste Basisvorspannung eines Transistors

Die dargestellte Schaltung wird als „Fixed Base Bias Circuit“ (feste Basisvorspannung9 bezeichnet, da der Transistor-Basisstrom I_B für vorgegebene Vcc-Werte konstant bleibt und somit auch der Arbeitspunkt der Transistoren festbleiben muss. Dieses Zwei-Widerstands-Vorspannnetz wird verwendet, um den anfänglichen Betriebsbereich des Transistors mit einer festen Stromvorspannung zu bestimmen.

Diese Art der Transistorvorspannung ist auch beta-abhängig, da der stationäre Betriebszustand eine Funktion des Transistors beta β ist, so dass der Vorspannungspunkt über einen weiten Bereich für Transistoren des gleichen Typs variiert, da die Eigenschaften der Transistoren nicht exakt gleich sind.

Die Emitterdiode des Transistors wird durch Anlegen der erforderlichen positiven Basisvorspannung über den Strombegrenzungswiderstand R_B vorgespannt. Bei einem Standard-Bipolartransistor beträgt der Spannungsabfall des Vorwärts-Basis-Emitter 0,7V. Dann ist der Wert von R_B einfach: (V_CC – V_BE)/I_B wobei I_B als I_C/β definiert ist.

Bei dieser Art der Vorspannung bleiben die Vorspannungen und Ströme im Transistorbetrieb nicht stabil und können stark variieren. Auch die Temperatur des Transistors kann den Arbeitspunkt negativ beeinflussen.

Kollektor-Feedback-Vorspannung eines Transistors

 

Diese selbstvorspannende Kollektor-Feedback-Konfiguration ist eine weitere Beta-abhängige Vorspannungsmethode, die nur zwei Widerstände benötigt, um die erforderliche DC-Vorspannung für den Transistor bereitzustellen. Die Kollektor-Basis-Feedback-Konfiguration stellt sicher, dass der Transistor immer im aktiven Bereich vorgespannt ist, unabhängig vom Wert von Beta (β), da die DC-Basisvorspannung von der Kollektorspannung V_C abgeleitet wird was eine gute Stabilität bietet.

In dieser Schaltung wird der Basis-Vorspannungswiderstand R_B an den Transistorkollektor C und nicht an die Versorgungsspannungsschiene Vcc angeschlossen. Steigt nun der Kollektorstrom, sinkt die Kollektorspannung, wodurch der Grundantrieb reduziert wird und der Kollektorstrom automatisch reduziert wird, um den Q-Punkt der Transistoren konstant zu halten. Also erzeugt diese Methode der Kollektor-Rückkopplungsvorspannung eine negative Rückkopplung, da es eine Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang über den Widerstand R_B gibt.

Die Vorspannung ergibt sich aus dem Spannungsabfall am Lastwiderstand R_L. Wenn also der Laststrom steigt, kommt es zu einem größeren Spannungsabfall über R_L und einer entsprechend reduzierten Kollektorspannung, V_C, was zu einem entsprechenden Abfall des Basisstroms, I_B führt, was wiederum I_C wieder normalisiert.

Die umgekehrte Reaktion tritt auch auf, wenn der Kollektorstrom der Transistoren geringer wird. Diese Methode wird als Selbstvorspannung bezeichnet, wobei die Stabilität der Transistoren bei dieser Art von Rückkopplungsvorspannung für die meisten Verstärkerentwürfe im Allgemeinen gut ist.

Transistorvorspannung mit zwei Rückkopplungen

  

Das Hinzufügen eines zusätzlichen Widerstandes zum Basisvorspannungsnetz der vorherigen Konfiguration verbessert die Stabilität noch mehr in Bezug auf Beta Schwankungen (β), durch Erhöhung des Stroms, der durch die Basisvorspannungswiderstände fließt.

Der durch R_B1 fließende Strom wird in der Regel auf einen Wert von ca. 10% des Kollektorstroms, I_C, eingestellt. Natürlich muss er auch größer sein als der Basisstrom, der für den Mindestwert von Beta, β, benötigt wird.

Einer der Vorteile dieser Art der Selbstvorspannung besteht darin, dass die Widerstände sowohl eine automatische Vorspannung als auch ein Rƒ Feedback liefern.

Transistor-Vorspannung mit Emitter-Feedback

Diese Art der Transistor-Vorspannung, die oft als Selbst-Emitter-Vorspannung bezeichnet wird, verwendet sowohl Emitter- als auch Basis-Kollektor-Rückkopplung, um den Kollektorstrom noch stärker zu stabilisieren, da die Widerstände R_B1 und R_E sowie der Basis-Emitter-Übergang des Transistors effektiv in Reihe mit der Versorgungsspannung V_CC geschaltet sind.

Der Nachteil dieser Emitter-Rückkopplungskonfiguration ist, dass der Ausgang aufgrund der Basiswiderstandsverbindung eine geringere Verstärkung aufweist, da die Kollektorspannung den Strom bestimmt, der durch den Rückkopplungswiderstand fließt, wobei R_B1 eine sogenannte „degenerative Rückkopplung“ erzeugt.

Der vom Emitter fließende Strom, I_E (eine Kombination aus I_C + I_B) bewirkt einen Spannungsabfall über R_E in einer solchen Richtung, dass er den Basis-Emitter-Übergang umgekehrt vorspannt.

Steigt also der Emitterstrom, steigt auch der Spannungsabfall I*R_E. Da die Polarität dieser Spannungsumkehrung den Basis-Emitter-Übergang vorspannt, nimmt I_B automatisch ab. Daher steigt der Emitterstrom weniger stark an, als wenn es keinen selbstvorspannenden Widerstand gegeben hätte.

Die Widerstandswerte sind in der Regel so eingestellt, dass der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R_E ca. 10% von V_CC und der durch den Widerstand R_B1 fließende Strom 10% des Kollektorstromes I_C beträgt.

Diese Art der Transistorvorspannung funktioniert am besten bei relativ niedrigen Versorgungsspannungen.

Spannungsteiler Transistor Vorspannung

Der Common Emittertransistor wird über ein Spannungsteiler-Netzwerk vorgespannt, um die Stabilität zu erhöhen. Der Name dieser Vorspannungskonfiguration kommt daher, dass die beiden Widerstände R_B1 und R_B2 ein Spannungs- oder Potentialteiler-Netzwerk über die Versorgung bilden, wobei ihr Mittelpunkt an die Transistor-Basisklemme wie abgebildet angeschlossen ist.

Diese Spannungsteiler-Vorspannungskonfiguration ist die am weitesten verbreitete Transistor-Vorspannungsmethode, da die Emitterdiode des Transistors durch die am Widerstand R_B2 abfallende Spannung vorgespannt wird. Außerdem macht die Vorspannung des Spannungsteilernetzes die Transistorschaltung unabhängig von Änderungen bei Beta, da die Spannungen an der Transistorbasis, am Emitter und am Kollektor von externen Schaltungswerten abhängen.

Zur Berechnung der am Widerstand R_B2 entwickelten Spannung und damit der an der Basisklemme angelegten Spannung verwenden wir einfach die Spannungsteilerformel für Widerstände in Reihe.

Im Allgemeinen ist der Spannungsabfall am Widerstand R_B2 wesentlich geringer als beim Widerstand R_B1. Dann ist die Basisspannung der Transistoren V_B in Bezug auf die Masse eindeutig gleich der Spannung über R_B2.

Der durch den Widerstand R_B2 fließende Strom wird in der Regel auf den 10-fachen Wert des erforderlichen Basisstroms I_B eingestellt, so dass er keinen Einfluss auf den Spannungsteilerstrom oder Änderungen von Beta hat.

Das Ziel von Transistor Vorspannung ist es, einen bekannten Q-Punkt festzulegen, damit der Transistor effizient arbeitet und ein unverzerrtes Ausgangssignal erzeugt. Die korrekte Vorspannung des Transistors stellt auch seinen ursprünglichen AC-Arbeitsbereich mit praktischen Vorspannungsschaltungen unter Verwendung eines Zwei- oder Vier-Widerstands-Vorspannungsnetzes her.

In bipolaren Transistorschaltungen wird der Q-Punkt durch (V_CE, I_C) für die NPN-Transistoren oder (V_EC, I_C) für PNP-Transistoren dargestellt. Die Stabilität des Basisvorspannungsnetzes und damit des Q-Punktes wird in der Regel unter Berücksichtigung des Kollektorstroms in Abhängigkeit von Beta (β) und Temperatur beurteilt.

Wir haben hier kurz fünf verschiedene Konfigurationen für die „Vorspannung eines Transistors“ mit Widerstandsnetzwerken betrachtet. Wir können aber auch einen Transistor mit Siliziumdioden, Zenerdioden oder aktiven Netzwerken vorspannen, die alle mit dem Basisanschluss des Transistors verbunden sind, oder indem wir den Transistor über eine doppelten Stromversorgung vorspannen.