Wenn Sie Bipolartransistorschaltungen entwerfen möchten, müssen Sie wissen, wie diese vorgespannt werden. Beim Vorspannen wird ein Transistor auf eine bestimmte Weise mit Strom versorgt, damit der Transistor so funktioniert, wie Sie es möchten. Es gibt hauptsächlich fünf Klassen von Verstärkern - Klasse A, Klasse B, Klasse AB, Klasse C und Klasse D. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Vorspannung des Transistors in einer gemeinsamen Emitterkonfiguration für den Verstärkerbetrieb mit linearer Audiofrequenzklasse A. Das Ausgangssignal ist das gleiche wie das Eingangssignal, jedoch verstärkt.
Die Grundlagen
Damit ein normaler Siliziumtransistor im aktiven Modus (der in den meisten Verstärkerschaltungen verwendet wird) arbeitet, muss seine Basis an eine Spannung angeschlossen werden, die mindestens 0,7 V (für Siliziumbauelemente) höher als der Emitter ist. Nach dem Anlegen dieser Spannung schaltet sich der Transistor ein und der Kollektorstrom beginnt zu fließen, wobei zwischen Kollektor und Emitter ein Abfall von 0,2 V bis 0,5 V auftritt. Im aktiven Modus ist der Kollektorstrom ungefähr gleich dem Basisstrom multipliziert mit der Stromverstärkung (hfe, β) eines Transistors.
Ib = Ic / hfe Ic = Ib * hfe
Dieser Vorgang ist im PNP-Transistor umgekehrt, er hört auf zu leiten, wenn eine bestimmte Spannung an seine Basis angelegt wird. Erfahren Sie hier mehr über NPN-Transistoren und PNP-Transistoren.
Feste Vorspannung
Der einfachste Weg, einen BJT vorzuspannen, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. R1 stellt die Basisvorspannung bereit und der Ausgang wird zwischen R2 und dem Kollektor über einen DC-Sperrkondensator übertragen, während der Eingang über einen DC-Sperrkondensator der Basis zugeführt wird. Diese Konfiguration sollte nur in einfachen Vorverstärkern und niemals in Endstufen verwendet werden, insbesondere nicht mit einem Lautsprecher anstelle von R2.
Um den Transistor vorzuspannen, müssen wir die Versorgungsspannung (Ucc), die Basis-Emitter-Spannung (Ube, 0,7 V für Silizium, 0,3 für Germaniumtransistoren), den erforderlichen Basisstrom (Ib) oder den Kollektorstrom (Ic) und die kennen Stromverstärkung des Transistors (hfe, β).
R1 = (Ucc - Ube) / Ib R1 = (Ucc - Ube) / (Ic / hfe)
Der Wert von R2 für eine optimale Verstärkung und Verzerrung kann geschätzt werden, indem die Versorgungsspannung durch den Kollektorstrom dividiert wird. Die Verstärkung des Verstärkers mit diesem Wert von R2 ist um den Wert der Stromverstärkung des Transistors (hfe, β) hoch. Nach dem Hinzufügen einer Last zum Ausgang, z. B. eines Lautsprechers oder der nächsten Verstärkungsstufe, fällt die Ausgangsspannung aufgrund von R2 ab und die Last fungiert als Spannungsteiler. Es wird empfohlen, dass die Lastimpedanz oder die Eingangsimpedanz der nächsten Stufe mindestens viermal größer als R2 ist. Die Koppelkondensatoren sollten bei der niedrigsten Betriebsfrequenz weniger als 1/8 der Lastimpedanz oder der Eingangsimpedanz der folgenden Stufe liefern.
Spannungsteiler-Vorspannung / Selbstvorspannung
Die folgende Abbildung ist die am häufigsten verwendete Vorspannungskonfiguration. Sie ist temperaturstabil und bietet eine sehr gute Verstärkung und Linearität. In HF-Verstärkern kann R3 durch eine HF-Drossel ersetzt werden. Zusätzlich zu einem einzelnen Basiswiderstand (R1) und einem Kollektorwiderstand (R3) haben wir einen zusätzlichen Basiswiderstand (R2) und einen Emitterwiderstand (R4). R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und werden zusammen mit dem Spannungsabfall an R4 auf die Basisspannung (Ub) der Schaltung eingestellt. Die Berechnungen sind komplizierter, da mehr Komponenten und Variablen zu berücksichtigen sind.
Zuerst beginnen wir mit der Berechnung des Widerstandsverhältnisses des Basisspannungsteilers, diktiert durch die unten gezeigte Formel. Um die Berechnungen zu starten, müssen wir die Werte des Kollektorstroms und der Widerstände R2 und R4 schätzen. Der Widerstand R4 kann so berechnet werden, dass er bei dem gewünschten Kollektorstrom um 0,5 V bis 2 V abfällt, und R2 ist so eingestellt, dass er 10 bis 20 Mal größer als R4 ist. Bei Vorverstärkern liegt R4 normalerweise im Bereich von 1k-2k Ohm.
Das nicht entkoppelte R4 verursacht eine negative Rückkopplung, verringert die Verstärkung, verringert die Verzerrung und verbessert die Linearität. Die Entkopplung mit einem Kondensator erhöht die Verstärkung, daher wird empfohlen, einen Kondensator mit großem Wert und einem kleinen Widerstand in Reihe zu verwenden.