31
EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ Circuits and Electronics บทที8 การไบอัสทรานซิสเตอร์ Transistor Biasing สาขาวิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลพระนคร

EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอเิลก็ทรอนิกส์Circuits and Electronics

บทที ่8 การไบอสัทรานซิสเตอร์Transistor Biasing

สาขาวชิาวศิวกรรมคอมพวิเตอร์คณะวศิวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยัเทคโนโลยรีาชมงคลพระนคร

Page 2: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Biasing

Biasing: Applying DC voltages to a transistor in order to turn it on so that it can amplify AC signals.

Page 3: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Operating Point

The DC input establishes an operating or quiescent point called the Q-point.

Page 4: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

The Three Operating Regions

• Active or Linear Region Operation

• Base–Emitter junction is forward biased• Base–Collector junction is reverse biased

• Cutoff Region Operation

• Base–Emitter junction is reverse biased

• Saturation Region Operation

• Base–Emitter junction is forward biased• Base–Collector junction is forward biased

Page 5: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

DC Biasing Circuits

Fixed-bias circuitEmitter-stabilized bias circuitCollector-emitter loopVoltage divider bias circuitDC bias with voltage feedback

Page 6: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Fixed Bias

Page 7: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

From Kirchhoff’s voltage law:

Solving for base current:

+VCC – IBRB – VBE = 0

B

BECCB

R

VVI

The Base-Emitter Loop

Page 8: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Collector current:

From Kirchhoff’s voltage law:

BC II

CCCCCE RIVV

Collector-Emitter Loop

Page 9: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

CR

CCV

CsatI

VCE

V 0

Saturation

When the transistor is operating in saturation, current through the transistor is at its maximum possible value.

Page 10: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

ICsat

IC = VCC / RC

VCE = 0 V

VCEcutoff

VCE = VCC

IC = 0 mA

The Q-point is the operating point where the value of RB sets the

value of IB that controls the values of VCE and IC .

The load line end points are:

Load Line Analysis

Page 11: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

The Effect of VCC on the Q-Point

Page 12: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

The Effect of RC on the Q-Point

Page 13: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

The Effect of IB on the Q-Point

Page 14: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Emitter-Stabilized Bias Circuit

Adding a resistor (RE) to the emitter circuit stabilizes the bias circuit.

Page 15: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

From Kirchhoff’s voltage law:

01 EBBEBBCC R)I(βVRIV

0 RIVRIV EEBEBBCC

EB

BECCB

)R(βR

VVI

1

Since IE = ( + 1)IB:

Solving for IB:

Base-Emitter Loop

Page 16: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

From Kirchhoff’s voltage law:0 VR I V R I CCCCCEEE

Since IE IC:

) R (R – I V V ECCCCCE

Also:

EBEBRCCB

CCCCECEC

EEE

VV R – I V V

RIVV V V

R I V

Collector-Emitter Loop

Page 17: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Improved Biased Stability

Stability refers to a condition in which the currents and voltages remain fairly constant over a wide range of temperatures and transistor Beta ( ) values.

Adding RE to the emitter improves the stability of a transistor.

Page 18: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

VCEcutoff: ICsat:

The endpoints can be determined from the load line.

mA0 I

V V

C

CCCE

ERCR

CCV

CI

VCE

V0

Saturation Level

Page 19: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Voltage Divider Bias

This is a very stable bias circuit.The currents and voltages are nearly independent of any variations in .

Page 20: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Where IB << I1 and I1 I2 :

Where RE > 10R2:

From Kirchhoff’s voltage law:

21

CC2B

RR

VRV

E

EE

R

VI

BEBE VVV

EECCCCCE RI RI V V

)R (RIV V

II

ECCCCCE

CE

Approximate Analysis

Page 21: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Transistor Saturation Level

EC

CCCmaxCsat

RR

VII

Cutoff: Saturation:

mA0 I

VV

C

CCCE

V0 VCE

ER

CR

CCV

CI

Load Line Analysis

Voltage Divider Bias Analysis

Page 22: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

DC Bias With Voltage Feedback

Another way to improve the stability of a bias circuit is to add a feedback path from collector to base.

In this bias circuit the Q-point is only slightly dependent on the transistor beta, .

Page 23: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

)Rβ(RR

VVI

ECB

BECCB

From Kirchhoff’s voltage law:

0EEBEBBCCCC R–I–VR–IRI – V

Where IB << IC: CBCC IIII'

Knowing IC = IB and IE IC, the

loop equation becomes:

0 EBBEBBCBCC RβIVRIR – β–V

Solving for IB:

Base-Emitter Loop

Page 24: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Applying Kirchoff’s voltage law:

IE + VCE + I’CRC – VCC = 0

Since IC IC and IC = IB:

IC(RC + RE) + VCE – VCC =0

Solving for VCE:

VCE = VCC – IC(RC + RE)

Collector-Emitter Loop

Page 25: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Base-Emitter Bias Analysis

Transistor Saturation Level

EC

CCCmaxCsat

RR

VII

Cutoff Saturation

mA0 I

VV

C

CCCE

V0 VCE

ER

CR

CCV

CI

Load Line Analysis

Base-Emitter Bias Analysis

Page 26: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Transistors with only the DC source applied can

be used as electronic switches.

Transistor Switching Networks

Page 27: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Transistor switching times:

dron ttt

fsoff ttt

Switching Time

Page 28: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

C

CCCsat

R

VI

dc

CsatB

β

II

Csat

CEsatsat

I

VR

CEO

CCcutoff

I

VR

Saturation current:

To ensure saturation:

Emitter-collector

resistance at

saturation and cutoff:

Switching Circuit Calculations

Page 29: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

Troubleshooting Hints

Approximate voltages

– VBE .7 V for silicon transistors– VCE 25% to 75% of VCC

Test for opens and shorts with an ohmmeter. Test the solder joints.Test the transistor with a transistor tester or a curve tracer.Note that the load or the next stage affects the transistor operation.

Page 30: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider

PNP Transistors

The analysis for pnp transistor biasing circuits is the same as that for npntransistor circuits. The only difference is that the currents are flowing in the opposite direction.

Page 31: EN2042102 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์weerayuth.in.th/docFiles/EN2042102/2561/ch08.pdf · EN2042102 วงจร ... Voltage Divider