Wie berechnet man die Vorspannung des Spannungsteilertransistors?

Normalerweise weißt du was$V_\text{CC}$ist und Sie tun in diesem Fall. Es ist$V_\text{CC}=10\:\text{V}$.

Sie entscheiden in der Regel auch über den Ruhestrom,$I_{\text{C}_Q}$, für den CE-Verstärker, um zu wissen, was man damit fahren muss (er steht selten alleine) und etwas aus dem Datenblatt für den BJT zu wissen. Schauen wir uns zum Beispiel dieses Datenblatt an: PN2222A .

Dies legt eine Grenze basierend auf dem ungünstigsten Fall fest$V_\text{CE}$, was in diesem Fall vielleicht ein paar Volt weniger als bei uns sein könnte$V_\text{CC}$. Wollen wir den Temperaturanstieg des BJT auf einen Worst Case begrenzen$30^\circ\text{C}$, dann bedeutet das$I_{\text{C}_\text{MAX}}\approx 18 \:\text{mA}$. Betrachtet man die folgenden Kurven:

Wir können eine sehr bequeme (und vielleicht vernünftige) Kurve bei sehen$I_{\text{C}_Q}=10\:\text{mA}$. Ich persönlich denke, dass dies das Maximum ist, das ich für dieses Gerät akzeptieren würde. Es reicht unterhalb der Temperaturanstiegsbegrenzungen aus, damit ich mich besser fühle, und es hat auch ein schönes Kurvenverhalten im Diagramm. Nennen wir es also so.

(Das Ergebnis davon ist, dass ich nicht dorthin gelangen kann$I_{\text{C}_Q}=100\:\text{mA}$mit dem PN2222A in einem TO-92-Gehäuse. Es steht Ihnen jedoch völlig frei, ein anderes Gerät mit einem anderen Datenblatt und anderen Kurven und Fähigkeiten auszuwählen, wenn Sie das Bedürfnis nach einem so hohen Ruhestrom wie angegeben haben.)

Ich möchte im Allgemeinen, dass der DC-Punkt für den Emitter mindestens ist$1\:\text{V}$über dem Boden, um die Temperaturstabilität aufgrund des Wechselstroms des Emitters zu unterstützen$r_e=\frac{k\cdot T}{q\cdot I_\text{C}}$Abhängigkeit von T. More ist für diesen Zweck besser. Aber mehr schneidet auch in den verfügbaren Kollektorspannungshub ein.

Hier kommt ein gewisses Urteilsvermögen ins Spiel. Das Erfordernis einer großen Kollektorschwingung impliziert auch eine große Variation des Kollektorstroms selbst. Und das wirkt sich aus$r_e$, zu. (Nicht nur die Temperatur, sondern auch der Kollektorstrom.) Auch hier gilt: Je mehr Spannung Sie dem DC-Ruhepunkt des Emitters geben können, desto besser. Ja, es schneidet in die Kollektorschwingung ein ... aber das bedeutet auch weniger Schwankungen des Kollektorstroms und daher ... mehr Stabilität.

Sie haben nichts über die Last gesagt, die hier gefahren werden muss. Ich gehe also davon aus, dass überhaupt keine Last vorhanden ist. (Oder nicht viel.) Wir werden es also nur für den maximal möglichen Schwung entwerfen, wenn wir einige andere Entscheidungen berücksichtigen, die wir noch treffen müssen.

Neben dem DC-Emitterspannungswert gibt es auch das Minimum$V_\text{CE}$für BJT. Ich sehe zumindest gerne$2\:\text{V}$reserviert (teilweise wegen des Early-Effekts und teilweise, weil er das Gerät gut aus der Sättigung hält). Wie viel Sie bereit sind zu opfern, hängt jedoch auch davon ab, was Sie tun$V_\text{CE}$ist zufälligerweise. Ich denke, ich bleibe dabei$V_{\text{CE}_\text{MIN}}=2\:\text{V}$.

Jetzt kann ich ausrechnen, dass die minimale Kollektorspannung ist$V_{\text{C}_\text{MIN}}=1\:\text{V}+2\:\text{V}=3\:\text{V}$. Das bedeutet, ich habe insgesamt$V_\text{CC}-V_{\text{C}_\text{MIN}}=7\:\text{V}$beim Sammler zu arbeiten. Der Mittelpunkt ist halb so groß, also sollte die Kollektorruhespannung auf eingestellt werden$V_{\text{C}_\text{Q}}=1\:\text{V}+2\:\text{V}+\frac{7}{2}\:\text{V}=6.5\:\text{V}$. Dies ergibt einen maximalen Schwung von$\pm\: 3.5\:\text{V}$beim Kollektor.

Aus Abbildung 11 auf dem oben angegebenen Datenblatt kann ich das ersehen$V_{\text{BE}_\text{Q}}\approx 700\:\text{mV}$bei$I_{\text{C}_Q}=10\:\text{mA}$. So$V_{\text{B}_\text{Q}}\approx 1.7\:\text{V}$.

Ich möchte, dass der Widerstandsteilerstrom so hoch ist, dass er relativ zum erforderlichen Basisstrom steif ist (da der Basisstrom mit dem Signal variiert). Dies bedeutet tendenziell, dass es ungefähr ist$\frac{1}{10}$th von$I_{\text{C}_Q}$, oder ungefähr$1\:\text{mA}$. So,$R_\text{B1}=\frac{10\:\text{V}-1.7\:\text{V}}{1\:\text{mA}}=8.3\:\text{k}\Omega$Und$R_\text{B2}=\frac{1.7\:\text{V}}{1\:\text{mA}-100\:\mu\text{A}}=1.889\:\text{k}\Omega$. Ich runde diese auf Werte in der Nähe und entscheide mich dafür$R_\text{B1}=8.2\:\text{k}\Omega$Und$R_\text{B2}=1.8\:\text{k}\Omega$.

An dieser Stelle kann ich auch rechnen$R_\text{E}=\frac{1\:\text{V}}{10\:\text{mA}+100\:\mu\text{A}}\approx 99\:\Omega$. Der nächste Wert ist eindeutig$R_\text{E}=100\:\Omega$. Ähnlich,$R_\text{C}=\frac{10\:\text{V}-6.5\:\text{V}}{10\:\text{mA}}=350\:\Omega$. Da ich im Voraus weiß, dass der Basisstrom wahrscheinlich etwas niedriger sein wird, als ich geschätzt habe ($100\:\mu\text{A}$), die Basisspannung wird etwas höher sein und damit der Ruhestrom wahrscheinlich nur etwas höher und ich werde einen etwas niedrigeren Wert wählen, indem ich den Standardwert von wähle$R_\text{C}=330\:\Omega$.

Dies deutet auf einen Gewinn von ca$A_V=\frac{330\:\Omega}{100\:\Omega}\approx 3.3$. (Es wird etwas weniger sein, vielleicht eher$3.2$, wegen$r_e\approx 3\:\Omega$.) Wenn mehr Verstärkung benötigt wird, muss dem Emitter ein AC-Verstärkungszweig hinzugefügt werden (ein Vorwiderstand und ein Kondensator zur Masse des Emitters). Ihre Schaltung lässt dies jedoch nicht zu. Das ist also Ihre Gewinnschätzung.

Wenn Sie neugierig sind, können Sie den geschätzten Basisstrom mithilfe der folgenden Gleichung berechnen (abgeleitet aus dem Thevenin-Spannungsgesetz, das sich vom Thevenin-Äquivalent an der Basis über den Emitter und den Emitterwiderstand zur Erde bewegt):

Jetzt ist es Ihre Aufgabe, einen BJT und das zugehörige Datenblatt auszuwählen, das für den von Ihnen ausgewählten Ruhekollektorstrom geeignet ist. Denken Sie an die damit verbundene Verlustleistung - Sie können hier kein Gerät im TO-92-Gehäuse verwenden. Aber Sie können den obigen Prozess fortsetzen und dabei hier und da Ihre eigenen Entscheidungen treffen. Berechnen Sie dann die Widerstandswerte.

Ich habe gehört, dass ungefähr Ue = 0,2 * Ucc und ungefähr Rb2 = Ube / 10 * Ib

Ja, das ist eine häufig verwendete Design- Faustregel .

aber ich würde gerne wissen, wie man es mit dem, was mir gegeben wurde, richtig berechnet oder wie man diese Annäherungen erhält oder zumindest woher diese Zahlen stammen, damit ich es verstehen kann und nicht nur zufällige Werte einwerfe.

Angenommen, Sie wissen nur, dass Ucc = 10 V und „daher“ Uce = 5 V sind, können Sie keine Widerstandswerte „richtig“ berechnen, es sei denn, Sie treffen andere willkürliche Entscheidungen. Sie haben entschieden, dass Ic 100 mA sein wird, aber das gibt Ihnen kein Ue, also wissen Sie nicht, was Ub sein wird. Daher können Sie die Werte von Rb1 und Rb2 nicht bestimmen.

Sie müssen entscheiden, welche Spannung Sie für Ue wollen. Für eine maximale Ausgangsspannungsschwankung sollte sie so niedrig wie möglich sein, aber dies beeinträchtigt die Stabilität. Für maximale Stabilität sollte er so hoch wie möglich sein, aber dies reduziert den Ausgangsspannungshub. Sie müssen also Kompromisse eingehen.

Ue = 0,2 * Ucc ist eine mögliche Wahl. In diesem Fall ist es sinnvoll, weil es viel größer ist als die Basis-Emitter-Spannung, sodass es eine gute Stabilität bietet, während es (hoffentlich) den Ausgangsspannungshub nicht zu sehr reduziert.

Es ist jedoch möglicherweise nicht die beste Wahl. Diese Regel wurde in den Tagen der Germanium-Transistoren entwickelt, die ungenaue Eigenschaften hatten und anfällig für thermisches Durchgehen waren. Moderne Siliziumtransistoren haben im Allgemeinen engere Toleranzen und eine bessere thermische Stabilität, sodass sie nicht so viel Emitterdegeneration benötigen .