Wie funktioniert dieser mit einer Diode vorgespannte BJT?

Die Shockley-Diodengleichung, die so ausgedrückt wird, dass Sie die Diodenspannung als Funktion des Diodenstroms erhalten, sieht folgendermaßen aus:

Abgesehen von der Temperatur,$V_T$, sind die beiden Schlüsselparameter, die das Verhalten der Diode bestimmen, der Emissionskoeffizient,$\eta$, und der Sättigungsstrom,$I_\text{SAT}$. Es stellt sich heraus, dass$I_\text{SAT}$ist auch stark temperaturabhängig. Aber unter der Annahme, dass die Temperatur konstant ist, bei$T=27^\circ\text{C}$, wir können nehmen$V_T\approx 26\:\text{mV}$und kümmern Sie sich nur um die spezifischen Werte von$\eta$Und$I_\text{SAT}$. Das Modell habe ich in LTspice bereitgestellt$\eta=1.752$Und$I_\text{SAT}=2.52\:\text{nA}$.

Ich habe auch die Vorgabe untersucht$\beta$für das Modell 2N3904 in LTspice. Es ist$\beta=300$.

Hier ist eine Simulation, die den Lastwiderstand über den von Ihnen angegebenen weiten Bereich variiert ($1\:\Omega$Zu$100\:\text{M}\Omega$) und zeigt ein paar interessante Details:

Bitte beachten Sie, dass ich eine .STEP-Karte verwende, um den Lastwiderstandswert automatisch zu ändern. Auf diese Weise muss ich keine separaten Läufe machen und Antworten einzeln aufschreiben. Stattdessen kann ich einfach nützliche Informationen darstellen.

Ich habe mich entschieden, drei verschiedene Werte zu zeichnen. Die grüne Linie ist die Diodenspannung. Die dunkelblaue Linie ist der Strom der Diode (auch der Basisstrom des BJT). Und die rote Linie ist der berechnete BJT$\beta$Wert.

Bevor wir zu tief in die Materie eintauchen, schauen wir uns ein paar Handberechnungen an. Zunächst einmal, aus der obigen Gleichung, für jeden$10\:\text{X}$Änderung des Diodenstroms, die ich erwarten kann$1.752\cdot 26\:\text{mV}\cdot \ln\left(10\right)\approx 105 \:\text{mV}$Änderung der Diodenspannung. Das sollte die ungefähre Steigung der dunkelblauen Linie sein. Wir können auch einen beliebigen Wert für die Diodenspannung berechnen. Nehmen wir an, wir wollen dies für erarbeiten$I_D=1\:\mu\text{A}$. Ich würde rechnen$1.752\cdot 26\:\text{mV}\cdot \ln\left(1+\frac{1\:\mu\text{A}}{2.52\:\text{nA}}\right)\approx 273 \:\text{mV}$. Suchen Sie nun auf der rechten Seite das Häkchen für „1e-006A“ und bewegen Sie sich nach links, bis es die dunkelblaue Linie schneidet . Gehen Sie jetzt von dieser Kreuzung direkt nach unten, bis Sie die grüne Linie finden. Beachten Sie, dass dies ungefähr ist$270\:\text{mV}$. Sehr nah an der Vorhersage.

Wenn Sie nun die Kurven untersuchen, werden Sie einige interessante Details entdecken. Die rote Linie sollte flach sein$\beta=300$, ist es aber nicht. Dies liegt daran, dass der BJT Probleme mit Stromüberlastung und ohmschem Widerstand hat , die unter anderem die eigentliche Funktion erschweren$\beta$. Es erreicht keine Wohnung$\beta\approx 300$bis die Ladung ungefähr ist$1\:\text{k}\Omega$(entspricht ca$I_C\approx 8.3\:\text{mA}$.) Wenn Sie das OnSemi-Datenblatt für den 2N3904 untersuchen , sehen Sie Folgendes:

Was zeigt Ihnen, dass die$\beta$beginnt etwa bei diesem Kollektorstrom abzunehmen. Das ist also ungefähr das, was zu erwarten ist.

Mit niedriger$\beta$(in der obigen Tabelle nach links bewegend) erfährt die Diode selbst schnell wachsende Ströme ( relativ zum Strom des Kollektors). Sie würden also erwarten, dass die Diode eine Änderung der Steigung für ihre Diodenspannung zeigt, wenn Sie von ungefähr gehen$1\:\text{k}\Omega$bis etwa$100\:\Omega$. Und tatsächlich sehen Sie diese Veränderung ungefähr in dieser Region. Aber die Diode scheint bemerkenswert flach zu sein, von nur ein wenig dazwischen$100\:\Omega$Und$1\:\text{k}\Omega$bis ein bisschen dazwischen$1\:\text{M}\Omega$Und$10\:\text{M}\Omega$. Das sind mehr als sechs Größenordnungen! Vielleicht sogar sieben! Nicht schlecht.

Wenn die Ströme in der Diode sehr klein werden, treten andere neue Effekte auf. Dazu gehören die Bildung von Emitter-Basis-Oberflächenkanälen; die Rekombination von Oberflächenträgern und die Rekombination von Trägern in der Emitter-Basis-Raumladungsschicht. Also noch einmal, es ist nicht "flach", da diese neuen Effekte beginnen, im Regime mit sehr niedrigem Strom zu dominieren.

Ich überlasse es Ihnen, die Karte zu inspizieren. Hoffentlich gehen Sie von dieser Erfahrung etwas entspannter mit der ganzen Situation ab.

Die Schaltung ist stromsparend.

Bei 100 K Ohm im Kollektor beträgt der Kollektorstrom höchstens 9 V / 100.000, und wenn wir einen 100.000-Ohm-Widerstand als 10 uA / Volt betrachten, haben wir höchstens 90 uA durch den Kollektor.

Nehmen Sie ein Beta von 100X an (ziemlich wahrscheinlich für dieses Stromniveau), und der Basisstrom beträgt 0,9 uA.

Bedenken Sie, dass Ihre Diode wahrscheinlich 0,6 V bei 1 mA hat.

Das fällt um 0,058 Volt für jeden 10-fachen Abfall des Diodenstroms.

Erwarten Sie bei 1 uA 0,6 V - 3 * 0,058 ==== (0,6 - 0,2) == 0,4 V über der Diode.

Diese 0,058 Volt pro 10: 1-Stromänderung sind jedoch NUR WAHR, wenn der Diodenübergang ein abrupter Übergang ist. Was nur ein theoretisches Modell ist. (Siehe "Jonk" -Antwort für eine realistischere Zahl für den 10: 1-Effekt)

Verwenden Sie also den Simulator, um Ihr SPICE-Modell der Diode zu testen:

• bei 100 mA (0,1 Ampere)

• bei 10mA

• bei 1mA

• bei 0,1mA

• bei 0,01mA

• bei 1uA

• bei 0,1 uA

• bei 0,01 uA

• bei 1 Nanoampere

und bitte fügen Sie diese Ergebnisse zu Ihrer Frage hinzu, damit wir alle lernen können.

Und danke dir.