ทำไม Vbe จึงมีค่าคงที่ 0.7 สำหรับทรานซิสเตอร์ในพื้นที่แอคทีฟ

ฉันจะใช้ตัวอย่างของการที่เรียบง่ายเครื่องขยายเสียงอีซีแอลที่พบบ่อย ลืมเรื่องการให้น้ำหนักและสิ่งต่าง ๆ ในตอนนี้ แต่ให้ความสำคัญกับปมของวงจรนี้ ตามที่ฉันเข้าใจมันแรงดันไฟฟ้าระหว่างโหนดฐานและโหนดตัวส่งจะแปรผันซึ่งท้ายที่สุดก็จะถูกขยายโดยทรานซิสเตอร์ทำให้เกิดการกลับหัว (รุ่นที่ขยาย) ของสัญญาณดั้งเดิมให้ปรากฏที่โหนดตัวสะสม

ตอนนี้ฉันกำลังอ่านหนังสืออยู่ Sedra / Smith, ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ตลอดบทที่ผมทำงานผ่านมันบอกว่าในภูมิภาคที่ใช้งานอยู่ Vbe จะถือว่าเป็น 0.7V สิ่งนี้ไม่สมเหตุสมผลสำหรับฉัน Vbe จะคงที่ได้อย่างไรเมื่อตัวเองเป็นตัวแปรอินพุตสำหรับสเตจแอมป์ นี่อาจทำให้ฉันรู้สึกว่าถ้าฉันมองไปที่เวที CE กับตัวต้านทานตัวปล่อยความร้อน (emitter ความเสื่อม) ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่เหลืออาจลดลงทั่วตัวต้านทาน แต่นี่ไม่ใช่กรณีดังนั้นสอนฉัน!

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

สมการกระแสสะสมสะสม:

อัตราผลตอบแทน:

ตัวอย่างเช่นให้

ด้วยค่าเหล่านี้พบว่า

ทีนี้ให้สะสมกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและหามัน

การเพิ่มตัวสะสมกระแสไฟฟ้า 100% เท่านั้นเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของอิมิเตอร์พื้นฐาน 2.45%

ดังนั้นในขณะที่มันไม่เป็นความจริงที่แรงดันไฟฟ้าฐาน - อีซีแอลเป็นค่าคงที่มันไม่ได้เป็นการประมาณที่ไม่ดีในการพิจารณาค่าคงที่ในช่วงที่ค่อนข้างกว้างของกระแสสะสม

Vbe ในทรานซิสเตอร์ซิลิคอนทำหน้าที่เหมือนซิลิคอนไดโอด แรงดันไปข้างหน้าตกหลังจากผ่านจำนวนหนึ่งของกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การเพิ่มกระแสทำให้ Vf แตกต่างเล็กน้อย ณ จุดนั้น

โปรดทราบว่า Vf นั้นแตกต่างกันไปสำหรับ Germanium Diodes และ Transistors

รุ่น Ebers-Moll สำหรับกระแสอีซีแอลในทรานซิสเตอร์สองขั้วคือ:

$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}$

$I_e$$V_t\ \approx 26mV$$V_{be}$$I_{es} = 10^{-12}$

พล็อต Ebers-Moll

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

ระดับ Fermi เป็นพลังงานเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ (หรือหลุม) ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ระดับเฟอร์มีแสดงในอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) และอาจถูกมองว่าเป็นตัวแทนของแรงดันไฟฟ้าที่เห็นโดยอิเล็กตรอน

Intrinsic silicon (และเจอร์เมเนียม) มีระดับ Fermi อยู่ครึ่งทางระหว่างขอบด้านบนของแถบวาเลนซ์และขอบด้านล่างของแถบตัวนำ

เมื่อคุณเติมซิลิคอนลงใน P-type คุณจะต้องเพิ่มรูจำนวนมาก ตอนนี้คุณมีสถานะผู้ให้บริการที่พร้อมใช้งานมากขึ้นใกล้กับด้านบนของแถบเวเลนซ์และสิ่งนี้จะผลักดันให้ระดับเฟอร์มีใกล้กับขอบวงเวเลนซ์ ในทำนองเดียวกันเมื่อคุณเพิ่ม N-type คุณจะเพิ่มอิเล็กตรอนจำนวนมากซึ่งจะสร้างสถานะของพาหะที่มีจำนวนมากขึ้นใกล้กับแถบการนำและผลักระดับ Fermi ให้ใกล้กับขอบของตัวนำ

สำหรับระดับยาสลบมักพบในชุมทางเบส - อิมิตเตอร์ความแตกต่างของระดับเฟอร์มีระหว่างด้าน P และ N คือ 0.7 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนเดินทางจาก N ไป P ทิ้งพลังงาน 0.7 eV (ในรูปแบบของโฟตอน: นี่คือที่ไดโอดเปล่งแสงได้รับแสง: วัสดุและยาสลบถูกเลือกเช่นนั้นความแตกต่างในระดับเฟอร์มีข้ามทางแยก ก่อให้เกิดโฟตอนที่ความยาวคลื่นที่ต้องการตามที่กำหนดโดยสมการของพลังค์) ในทำนองเดียวกันอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จาก P ถึง N จะต้องรับ 0.7 eV ที่ไหนสักแห่ง

ในระยะสั้น Vbe เป็นเพียงความแตกต่างในระดับ Fermi ทั้งสองด้านของทางแยก

นี่คือสารกึ่งตัวนำ 101 วัสดุซึ่งคุณต้องเข้าใจก่อนที่จะไปไกลกว่านี้ ความจริงที่ว่ามันคือ 101 ไม่ได้หมายความว่ามันง่ายหรือง่าย: มันใช้เวลาสองภาคเรียนของแคลคูลัสสองภาคเรียนของเคมีสองภาคเรียนของฟิสิกส์และภาคการของสมการเชิงอนุพันธ์เพื่อวางรากฐานที่จำเป็นสำหรับทฤษฎีเซมิคอนดักเตอร์ คลาสที่อธิบายทั้งหมดข้างต้นในรายละเอียดเต็มไปด้วยเลือด

$V_{BE} = 0.7V$

$V_{BE}$

คำถามที่ดี. Vbe ที่เสนอราคา oft 0.7V เป็นเพียงการประมาณ ถ้าคุณวัด Vbe ของทรานซิสเตอร์ที่กำลังขยายมันจะแสดง Vbe ของ 0.7V หรือที่นั่นในมัลติมิเตอร์ แต่ถ้าคุณสามารถซูมเข้าที่ 0.7 ได้เช่นเดียวกับออสซิลโลสโคปคุณจะเห็นการเปลี่ยนแปลงรอบ ๆ ดังนั้นในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งอาจเป็น 0.6989V หรือ 0.70021V เป็นสัญญาณอินพุตที่อยู่บนอคตินั้น - สัญญาณที่คุณต้องการขยาย - ขึ้นอยู่กับจุดอคตินั้น ๆ

$v_{BE}$$v_{BE}$$v_{ce}$

$v_{BE}$$V_{BE}$$v_{BE}=V_{BE} + v_{be}$$V_{BE}$$0.7V$$v_{be}$

คำถามของคุณยอดเยี่ยม

ในทางทฤษฎีแล้วทรานซิสเตอร์จะปิดอย่างเต็มที่สำหรับ Ube <0.7V ใด ๆ และจะเปิดเต็มที่สำหรับ Ube ใด ๆ > = 0.7V ในทรานซิสเตอร์พลังงานต่ำบางตัว Ube ในอุดมคตินี้สามารถ 0.6V หรือ 0.65V

ในทางปฏิบัติอุเบะสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0V ถึง 3V ยิ่งขึ้นสำหรับทรานซิสเตอร์กำลังสูง ในทางปฏิบัติทรานซิสเตอร์จะเปิดได้เล็กน้อยสำหรับ Ube> 0 และยังคงเพิ่มความเปิดกว้างของมันต่อเมื่อเพิ่ม Ube

อย่างไรก็ตามตามที่กล่าวไว้การพึ่งพาของ Ice หรือดีกว่ากล่าวว่า Rce จาก Ube นั้นไม่ใช่เส้นตรงอย่างหนักหลังจากจุดที่กำหนดและดังนั้นการเพิ่มขึ้นของน้ำแข็งไม่ได้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของ Ube อย่างมาก แต่ก็มีเช่นนั้น

0.7V ที่ต่ำกว่าการเพิ่มขึ้นของน้ำแข็งสามารถค่อนข้างเป็นเส้นตรงและขึ้นอยู่กับทรานซิสเตอร์

Ube สูงสุดที่สูงสุดน้ำแข็งได้อย่างง่ายดาย 2.5V ถึง 3V สำหรับทรานซิสเตอร์พลังงานขนาดใหญ่และน้ำแข็งมากกว่า 25A

สิ่งหนึ่งที่แน่นอน: ในการใช้งานแบบอะนาล็อกการพึ่งพาของน้ำแข็งจากอุเบะต้องได้รับการพิจารณาอย่างแน่นอนส่วนใหญ่สำหรับพลังงานสูงหรือทรานซิสเตอร์ในปัจจุบัน

ดูที่ 2N5302 ซึ่งมี Ube = 3V ที่ Ice = 30A และ Uce = 4V

ในตอนท้ายของการโพสต์นี้คุณจะรู้วิธีคำนวณแรงดันเกนของไบโพลาร์

ให้ตรวจสอบตาราง Vbe กับ Collector ปัจจุบันสำหรับไบโพลาร์ในจินตนาการ:

VBE Ic

0.4 1uA

ประกาศ 0.458 10uA 58mV Vbe เพิ่มเติมให้กระแสได้มากกว่า 10 เท่าอย่างแน่นอน

0.516 100uA

0.574 1mA

0.632 10mA

0.690 100mA [ทรานซิสเตอร์มีความร้อนดังนั้นกระแสอาจจะวิ่งหนีและละลายทรานซิสเตอร์ (ความเสี่ยงที่รู้จักกันกับไบโพลาร์ที่มีความเอนเอียงกับแรงดันเบสคงที่)]

0.748 1AMP ทรานซิสเตอร์ร้อน

0.806 10Amps ทรานซิสเตอร์ร้อน

เราสามารถใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้วในปัจจุบันมากกว่า 1uA ถึง 10Amps สะสมในปัจจุบันได้หรือไม่? ใช่ถ้าเป็นทรานซิสเตอร์พลังงาน และในกระแสที่สูงกว่านี้ตารางที่ดี - แสดง 58 milliVolts มากขึ้น Vbe สร้างกระแสได้มากขึ้น 10 เท่า --- สูญเสียความแม่นยำเนื่องจากซิลิคอนจำนวนมากมีความต้านทานเชิงเส้นและเครื่องมือติดตามโค้งจะแสดงให้เห็นว่า

ขนาดเล็กกว่า 58mV เปลี่ยนไปอย่างไร Vbe Ic 0.2 volts 1nanoAmp (ประมาณ 3 ปัจจัยจาก 58mV ต่ำกว่า 1uA ที่ 0.4v) 0.226 2.718 nanoAmp (ฟิสิกส์ 0.026v ให้ E ^ 1 มากขึ้นฉัน) 0.218 2.000 nanoAmp 0.236 4.000 nanoAmp 0.254 8.000 nanoAmp 18mV ในการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า)

ตกลงตารางที่เพียงพอ ให้ดูทรานซิสเตอร์สองขั้วคล้ายกับหลอดสุญญากาศหรือมอสเฟต ............... ในฐานะตัวแปลงสัญญาณซึ่งการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าอินพุตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกระแสไฟขาออก

สองขั้วนั้นสนุกในการใช้งานเพราะเรารู้ว่าการ transconductance สำหรับสองขั้วใด ๆ ถ้าเรารู้ว่าตัวเก็บกระแส DC (นั่นคือไม่มีสัญญาณอินพุต AC)

สำหรับชวเลขเราใช้ชื่อนี้ว่า 'gM' หรือ 'gm' เนื่องจาก databooks หลอดสุญญากาศใช้ตัวแปร "transconductance ร่วมกัน" เพื่ออธิบายวิธีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของ Grid ปัจจุบัน Plate เราสามารถให้เกียรติ Lee deForest ได้โดยใช้ gm สำหรับเรื่องนี้

gm ของ bipolar ที่ 25 องศาเซนติเกรดและรู้ kt / q คือ 0.026 volts คือ -------> Ic / 0.026 และถ้ากระแส Collector อยู่ที่ 0.026 amps (26 milliAmps) gm คือ 1 แอมป์ ต่อโวลต์

ดังนั้น 1 มิลลิโวลต์ PP บนฐานทำให้เกิด AC 1 คอลเลกชัน PP ปัจจุบัน 1 ไม่สนใจความเพี้ยนซึ่งคุณสามารถทำนายได้ด้วย Taylor Series หรืองานเขียนของ Barry Gilbert ใน IP2 และ IP3 สำหรับไบโพลาร์

สมมติว่าเรามีตัวต้านทาน 1Kohm จากตัวสะสมถึง +30 โวลต์ถือ 26mA Vce คือ 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 โวลต์ดังนั้นไบโพลาร์อยู่ในภูมิภาค "เชิงเส้น" กำไรของเราคืออะไร

อัตราขยายคือ gm * Rcollector หรือ 1 amp/volt * 1,000 ohms หรือ Av = 1,000x

คำถามของคุณคือ:

Vbe จะมีค่าคงที่ได้อย่างไรเมื่อมันเป็นตัวแปรอินพุตสำหรับแอมป์สเตจ

คำตอบง่าย ๆ ก็คือไม่ใช่:

1. $V_{BE}$ไม่คงที่อย่างคงที่ในพื้นที่แอคทีฟ แต่เพื่อจุดประสงค์ในการวิเคราะห์ DC ของวงจรเราสามารถสันนิษฐานได้ว่ามันปลอดภัย คำตอบสำหรับคำถามของคุณส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การพัฒนา (ดีมาก) คำอธิบายทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังสมมติฐานนี้ อย่างไรก็ตามฉันคิดว่าคุณกำลังมองหาอย่างอื่น
2. $V_{BE}$ อาจเป็น "ตัวแปรอินพุต" ของคุณ แต่จากมุมมอง BJT สิ่งที่เกี่ยวข้องคืออะไร $I_b$. ข้อควรจำ: BJT เป็นอุปกรณ์เครื่องขยายเสียงในปัจจุบัน แน่นอนคุณสามารถได้รับกำไรจากแรงดันไฟฟ้า แต่หลังจากที่เหมาะสมให้น้ำหนักและการโหลด

แต่ตอนนี้ฉันจะพยายามตอบสิ่งที่ฉันเชื่อว่าเป็นข้อสงสัยที่แท้จริงของคุณ ฉันคิดว่าคุณกำลังผสมแนวคิดจากการวิเคราะห์ DC และการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็กของวงจร

สิ่งที่คุณเรียกว่า "ตัวแปรตัวแปร" มีอันที่จริงส่วนประกอบ AC ด้านบนของส่วนประกอบ DC:

ส่วนประกอบ DC มีเพียงสำหรับการให้น้ำหนักฐาน นั่นคือ "ค่าคงที่$V_{BE}$"คุณกำลังอ้างถึง แต่ (และนี่คือส่วนที่สำคัญ) ส่วนประกอบ AC คือสัญญาณที่เราต้องการขยายและแน่นอนมันไม่คงที่เลย

ฉันคิดว่าตอนนี้คุณสามารถเห็นว่าความสับสนของคุณมาจากไหน ไม่ต้องกังวลมันเป็นเรื่องสับสนทั่วไป ฉันมักจะคิดว่าครูและหนังสือส่วนใหญ่ไม่ได้ทำงานที่ดีในการอธิบายวิธีการคิดในแง่ของการวิเคราะห์ DC เทียบกับการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็กและสมมติฐานที่ควรนำมาใช้ในแต่ละคน

ข้อสรุปทั้งหมด:

1. เมื่อวิเคราะห์วงจร DC เราไม่สนใจสัญญาณ AC (จริง ๆ แล้วเราตั้งค่าเป็นศูนย์) และถือว่า $V_{BE}$จะคงที่ที่ 0.7V หากเราต้องการความแม่นยำมากขึ้นเราสามารถคำนวณจริงได้$V_{BE}$ ค่าสอดคล้องกับของจริง $I_b$. สิ่งนี้จะกำหนดจุดนิ่งของแอมพลิฟายเออร์ (ค่า DC ที่สัญญาณ AC ผันผวนไปรอบ ๆ )

2. เมื่อวิเคราะห์วงจรสัญญาณขนาดเล็กเราไม่สนใจแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (อันที่จริงเราตั้งค่าทั้งหมดให้เป็นศูนย์) และเพียงแค่มุ่งเน้นไปที่สัญญาณ AC ซึ่งไม่คงที่ สังเกตได้อย่างไร$R_c$ กลายเป็นดินในแผนภาพวงจรด้านล่างเพราะ $V_{cc}$ถูกตั้งค่าเป็นศูนย์สำหรับวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ โปรดสังเกตความละเอียดอ่อน: สัญญาณ AC มักจะถูกเรียกว่า$v_{BE}$ในขณะที่อคติ DC คือ $V_{BE}$.

หมายเหตุ: คุณสามารถหาแหล่งสำหรับแผนภาพข้างต้นที่นี่