トランジスタのDCバイアス– BJT

簡単に言えば、BJTのバイアスは、BJTがベース/エミッタ端子全体に小さい大きさのDCを適用することによってアクティブ化またはスイッチオンされるプロセスとして定義でき、BJTは比較的大きい大きさのDCをそのコレクタエミッタ端子。

DCレベルでのバイポーラトランジスタまたはBJTの動作は、次の範囲を含むいくつかの要因によって支配されます。 動作点 デバイスの特性について。

この記事で説明されているセクション4.2では、この範囲に関する詳細を確認します。 動作点 BJTアンプ用。指定されたDC電源が計算されると、必要な動作点を決定するための回路設計を作成できます。

この記事では、このようなさまざまな構成について説明します。さらに、説明するすべてのモデルは、アプローチの安定性、つまり、システムが特定のパラメーターに対してどれだけ敏感であるかを特定します。

このセクションでは多数のネットワークを調べますが、重要な基本関係を次のように繰り返し使用するため、各構成の評価間に1つの基本的な類似点があります。

ほとんどの場合、ベース電流IBは、確立する必要のある最初の量です。 IBが特定されると、式の関係は次のようになります。 （4.1）から（4.3）を実装して、問題の残りの数量を取得できます。

評価の類似点は、次のセクションに進むにつれてすぐに明らかになります。

IBの式は、多くの設計で非常に同一であるため、1つまたは2つの要素を削除または挿入するだけで、一方の式をもう一方の式から導出できます。

この章の主な目的は、BJT増幅器を要素として持つほぼすべての回路のDC解析を実装できるようにするBJTトランジスタのある程度の理解を確立することです。

4.2動作点

言葉 バイアス この記事のタイトルに表示されているのは、DC電圧の実装を意味し、BJTの電流と電圧の固定レベルを決定するための詳細な用語です。

BJTアンプの場合、結果として生じるDC電流と電圧は 動作点 適用された信号の必要な増幅に理想的になる領域を確立する特性について。動作点は、たまたま特性上所定の点であるため、静止点（Q点と略記）とも呼ばれます。

「静止」とは、定義上、沈黙、静けさ、座りがちなことを意味します。図4.1は、4個のBJTの標準出力特性を示しています。 動作点 。バイアス回路は、これらのポイントの1つまたはアクティブ領域内の他のポイントにBJTを確立するように開発できます。

最大定格は、最大コレクタ電流ICmaxの水平線と、最大コレクタ-エミッタ間電圧VCEmaxの垂直線を介して、図4.1の特性に示されています。

最大電力制限は、同じ図の曲線PCmaxから識別されます。グラフの下端には、IB≤0μで識別されるカットオフ領域と、VCE≤VCEsatで識別される飽和領域が表示されます。

BJTユニットは、これらの示された上限の外側にバイアスされる可能性がありますが、そのようなプロセスの結果、デバイスの寿命が大幅に低下したり、デバイスが完全に故障したりする可能性があります。

示されたアクティブ領域間の値を制限すると、さまざまなものを選択できます。 手術領域またはポイント 。選択されるQポイントは通常、回路の意図された仕様に依存します。

それでも、図4.1に示されているポイントの数のいくつかの違いを考慮に入れて、 動作点 、したがって、バイアス回路。

バイアスが印加されていない場合、デバイスは最初は完全にオフのままになり、QポイントがAになります。つまり、デバイスを流れる電流がゼロになります（デバイスの両端に0Vが流れます）。 BJTにバイアスをかけて、特定の入力信号の全範囲に反応できるようにすることが不可欠であるため、ポイントAは適切に見えない場合があります。

ポイントBの場合、信号が回路に接続されると、デバイスは電流と電圧の変化を示します。 動作点 、デバイスが入力信号の正と負の両方のアプリケーションに応答（およびおそらく増幅）できるようにします。

入力信号が最適に使用されると、BJTの電圧と電流が変化する可能性があります。ただし、デバイスをカットオフまたは飽和状態にするのに十分ではない場合があります。

ポイントCは、出力信号の特定の正および負の偏差を助ける可能性がありますが、ピークツーピークの大きさは、VCE = 0V / IC = 0mAの近くに制限される可能性があります。

同様に、ポイントCで作業すると、この特定の領域でIB曲線間のギャップが急速に変化する可能性があるため、非線形性に関してほとんど心配する必要はありません。

一般的に言えば、入力信号の全体的な振幅の増幅が均一に保たれることを保証するために、デバイスのゲインがかなり一貫している（または線形である）デバイスを操作する方がはるかに優れています。

点Bは、図4.1に示すように、より高い線形間隔を示し、そのためより大きな線形活動を示す領域です。

ポイントDはデバイスを確立します 動作点 最高の電圧と電力レベルに近い。したがって、最大電圧を超えないように想定されている場合、正の限界での出力電圧振幅は制限されます。

結果としてポイントBは完璧に見えます 動作点 線形ゲインと可能な限り最大の電圧および電流変動に関して。

これについては、理想的には小信号アンプ（第8章）で説明しますが、必ずしもパワーアンプではない場合もあります。これについては後で説明します。

この談話の中で、私は主に小信号増幅機能に関してトランジスタにバイアスをかけることに焦点を合わせます。

検討する必要のあるもう1つの非常に重要なバイアス要因があります。理想的なBJTを決定し、バイアスをかけた 動作点 、温度の影響も評価する必要があります。

熱範囲により、トランジスタ電流ゲイン（ac）やトランジスタリーク電流（ICEO）などのデバイス境界がずれます。温度範囲が大きくなると、BJTのリーク電流が大きくなるため、バイアスネットワークによって確立された動作仕様が変更されます。

これは、ネットワークパターンが温度安定性のレベルを促進して、温度変動の影響が最小限のシフトで行われるようにする必要があることを意味します。 動作点 。この動作点の維持は、温度変化によって引き起こされる動作点の偏差のレベルを示す安定係数Sで規定できます。

最適に安定化された回路が推奨され、いくつかの重要なバイアス回路の安定した機能がここで評価されます。 BJTが線形または有効動作領域内でバイアスされるためには、以下の点が満たされている必要があります。

1.ベース-エミッタ接合は順方向にバイアスされている必要があり（p領域電圧は強く正）、約0.6〜0.7Vの順方向バイアス電圧を可能にします。

2.ベース-コレクタ接合は逆バイアス（n領域が強く正）である必要があり、逆バイアス電圧はBJTの最大制限内のある値にとどまります。

[順方向バイアスの場合、p-n接合の両端の電圧は次のようになることに注意してください。 p -正、逆バイアスの場合は逆になります n -ポジティブ。この最初の文字に焦点を当てることで、本質的な電圧極性を簡単に思い出すことができます。]

BJT特性のカットオフ、飽和、および線形領域での動作は、通常、以下に説明するように表されます。

1.1。 線形領域操作：

ベース-エミッタ接合の順方向バイアス

ベース-コレクタ接合の逆バイアス

二。 カットオフ領域操作：

ベース-エミッタ接合逆バイアス

3.3。 飽和領域操作：

ベース-エミッタ接合の順方向バイアス

ベース-コレクタ接合の順方向バイアス

4.3固定バイアス回路

図4.2の固定バイアス回路は、トランジスタのDCバイアス分析の非常に単純で単純な概要を使用して設計されています。

ネットワークはNPNトランジスタを実装していますが、式と計算は、電流の流路と電圧の極性を再構成するだけで、PNPトランジスタのセットアップでも同様に効果的に機能します。

図4.2の電流方向は本物の電流方向であり、電圧はユニバーサル二重添え字注釈によって識別されます。

DC解析の場合、コンデンサを同等の開回路と交換するだけで、設計を前述のACレベルから分離できます。

さらに、DC電源VCCは、入力回路と出力回路の分割を可能にするために、図4.3に示すように、2つの別々の電源（評価を実行するためのみ）に分割できます。

これにより、2つの間のリンクがベース電流IBで最小化されます。図4.2に示すように、VCCがRBとRCに直接接続されている図4.3に示すように、パーティングは間違いなく正当です。

ベースエミッターの順方向バイアス

まず、上記の図4.4に示したベース-エミッタ回路ループを分析してみましょう。ループに対してキルヒホッフの電圧方程式を時計回りに実装すると、次の方程式が導き出されます。

電流IBの方向によって決定されるように、RBの両端の電圧降下の極性を確認できます。現在のIBの方程式を解くと、次の結果が得られます。

式（4.4）

式（4.4）は、ここでのベース電流がRBを通過する電流になることを思い出し、電流がRBの両端の電圧を抵抗RBで割った値に等しいオームの法則を適用するだけで、簡単に覚えられる式です。 。

RBの両端の電圧は、一端の印加電圧VCCからベース-エミッタ接合（VBE）の両端の電圧降下を差し引いたものです。
また、電源VCCとベース-エミッタ間電圧VBEは固定量であるため、ベースでの抵抗RBの選択により、スイッチングレベルのベース電流の量が決まります。

コレクター-エミッターループ

図4.5は、コレクタエミッタ回路ステージを示しています。ここでは、電流ICの方向と、RCの両端の対応する極性が示されています。
コレクタ電流の値は、次の式からIBに直接関係していることがわかります。

式（4.5）

ベース電流はRBの量に依存し、ICは定数βを介してIBとリンクしているため、ICの大きさは抵抗RCの関数ではないことがわかります。

RCを他の値に調整しても、BJTのアクティブ領域が維持されている限り、IBまたはICのレベルに影響を与えることはありません。
そうは言っても、VCEの大きさはRCレベルによって決定されることがわかります。これは、考慮すべき重要なことかもしれません。

図4.5に示されている閉ループを横切って時計回りにキルヒホッフの電圧法則を使用すると、次の2つの方程式が生成されます。

式（4.6）

これは、固定バイアス回路内のBJTのコレクタエミッタ両端の電圧が、RC両端に形成される電圧降下に相当する供給電圧であることを示しています。
一重および二重添え字表記を一目で確認するには、次のことを思い出してください。

VCE = VC-VE --------（4.7）

ここで、VCEはコレクタからエミッタに流れる電圧を示し、VCとVEはそれぞれコレクタとエミッタからグランドに向かって流れる電圧です。しかし、ここでは、VE = 0 Vなので、

VCE = VC --------（4.8）
また、私たちが持っているので、
VBE = VB-AND --------（4.9）
そしてVE = 0なので、最終的に次のようになります。
VBE = VB --------（4.10）

次の点に注意してください。

VCEのように電圧レベルを測定するときは、次の図に示すように、電圧計の赤いプローブをコレクタピンに、黒いプローブをエミッタピンに配置してください。

VCは、コレクタからグランドに流れる電圧を意味し、その測定手順も次の図に示すとおりです。

この場合、上記の両方の読み取り値は類似していますが、回路ネットワークが異なると、さまざまな結果が表示される可能性があります。

これは、2つの測定値の読み取り値のこの違いが、BJTネットワークで発生する可能性のある障害を診断する際に重要であることが判明する可能性があることを意味します。

実用的なBJTバイアスの例を解く

図4.7の固定バイアス構成について、以下を評価します。

与えられた：
（a）IBQおよびICQ。
（b）VCEQ。
（c）VBおよびVC。
（d）VBC。

次の章では、 BJT飽和。

参照

トランジスタバイアス