Mengapa Vbe konstan 0,7 untuk transistor di wilayah aktif?

11

Saya akan mengambil contoh penguat emitor sederhana yang umum . Lupakan tentang bias dan hal-hal lain untuk saat ini, tetapi fokuslah pada inti dari rangkaian ini. Seperti yang saya pahami, tegangan antara simpul dasar dan simpul emitor bervariasi yang pada akhirnya diperkuat oleh transistor, menyebabkan inverted (versi yang diperkuat) dari sinyal asli muncul pada simpul pengumpul.

Saat ini, saya sedang mengerjakan buku; Sedra / Smith, Mikroelektronika.

Sepanjang bab yang saya kerjakan, dikatakan bahwa di wilayah aktif, Vbe diasumsikan 0,7V . Ini tidak masuk akal bagi saya, bagaimana bisa Vbe tetap konstan ketika itu sendiri adalah variabel input untuk tahap penguat? Ini mungkin mulai masuk akal bagi saya jika saya melihat pada tahap CE dengan resistor emitor (degenerasi emitor), di mana tegangan yang tersisa dapat dijatuhkan di resistor. Tapi ini bukan masalahnya, jadi terangkanlah aku!

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

midnightBlue
sumber
4
Sebagai catatan: jangan pernah menganggap transistor bipolar sebagai penguat U ke U. Transistor bipolar adalah penguat arus (iB) ke arus (iC) (iC = hFE * iB). Jika Anda meletakkan sumber tegangan ideal di basis transistor tanpa membatasi iB saat ini, Anda akan menggoreng transistor.
Chris
Bahkan jika Anda melakukannya (sumber tegangan di pangkalan tanpa membatasi arus), dengan menghormati batas-batas Vbe dari transistor? Bukankah persamaan arus transistor pada dasarnya Ic = Isexp (Vbe / Vt) (menunjukkan transistor lebih tergantung pada tegangan?). Saya pikir Anda benar mengatakan bahwa output adalah arus, tetapi saya pikir inputnya adalah tegangan. Karenanya saya percaya itu adalah transkonduktor.
midnightBlue
Saya kira ini masalah perspektif . Anda bisa mengganti vBE dengan rPI * iB dan persamaannya tergantung pada saat ini. Tapi yang benar-benar membuat pembawa di dalam aliran bipolar adalah pembawa yang disuntikkan di pangkalan. Ditambah banyak orang membuat kesalahan ini: "oh, saya hanya akan menaruh 1V pada Vbe dan transistor akan menyala", hanya untuk mengetahuinya fried.Vbe adalah dioda di mana Anda menyuntikkan arus yang longsoran yang jauh lebih besar. Sekarang, transistor CMOS benar-benar sumber arus yang dikendalikan tegangan, sebuah transkonduktor.
Chris
Saya kira itu bisa menjadi perspektif. Saya sebenarnya tidak cukup tahu untuk mengatakan. Arus yang longsoran yang lebih besar adalah cara yang menarik untuk memikirkannya.
tengah
Itu bukan 0,7V konstan, dan kutipan Anda tidak mengatakan sebaliknya. Ini cukup konstan dalam sekitar +/- 10% dari itu, untuk transistor NPN sinyal kecil, jadi 0.7V digunakan sebagai asumsi penyederhanaan, yang sebenarnya dikatakan oleh kutipan Anda. Untuk transistor saya biasanya menggunakannya bervariasi antara 0,2-0,65V.
user207421

Jawaban:

18

Menghilangkan persamaan arus kolektor:

iC=ISevBEVT

hasil:

vBE=VTlniCIS

Sebagai contoh, mari

VT=25mV

IS=1fA

IC=1mA

Dengan nilai-nilai ini, temukan itu

VBE=0.691V

Sekarang, gandakan arus kolektor dan temukan itu

VBE=0.708V

Meningkatkan arus kolektor 100% hanya meningkatkan tegangan basis-emitor 2,45%

Jadi, sementara itu tidak benar bahwa tegangan basis-emitor adalah konstan, itu bukan perkiraan yang buruk untuk menganggapnya konstan pada rentang arus kolektor yang relatif luas.

Alfred Centauri
sumber
10

Vbe dalam transistor silikon, bertindak seperti silikon dioda. Forward Voltage Drop, setelah sejumlah arus dilewati, naik tajam. Meningkatkan arus membuat perbedaan Vf diabaikan pada titik itu.

masukkan deskripsi gambar di sini

Perhatikan bahwa Vf berbeda untuk Germanium Diode, dan Transistor, secara alami.

Pejalan kaki
sumber
4

Model Ebers-Moll untuk arus emitor dalam transistor bipolar adalah:

IeIeseVbeVt

IeVt 26mVVbeIes=1012

Plot Ebers-Moll

masukkan deskripsi gambar di sini

Vbe

VbeVbe

Vbe

VbeVbe

Bitrex
sumber
Oke, jadi apa yang akan terjadi ketika sinyal input amplifier sederhana saya naik di atas 0.7V? Apakah Anda mengatakan transistor akan dipaksa untuk jenuh?
midnightBlue
@ user1255592 Ini tidak akan terjadi tepat di 0,7 volt di sirkuit nyata (mungkin lebih rendah) tetapi jika Anda terus menarik tegangan basis sehubungan dengan ground di sirkuit itu, ya itulah yang akan terjadi.
Bitrex
@ user1255592 Dalam amplifier emitor bersama dengan degenerasi emitor, Vbe juga bervariasi, tetapi resistor emitor memberikan umpan balik untuk menjaga perjalanan Vbe dalam kisaran yang sangat kecil, dan transistor tetap berada di wilayah aktif. Dalam rangkaian seperti itu, masuk akal untuk menggunakan perkiraan volt "0,7", karena penyimpangan dari nilai ini karena sinyalnya sangat kecil (walaupun itu harus terjadi agar transistor menguatkan.)
Bitrex
Terima kasih balasannya! Itu mulai masuk akal, jadi seperti apa tipikal tegangan untuk konfigurasi transistor ini? Sekitar 0,5V? Apakah ini alasan bagus mengapa kami menggunakan resistor emitor? Saya terus mendengar bahwa menambahkan penghambat emitor = membuat sirkuit lebih linier. Secara linier, apakah ini berarti pelebaran rentang tegangan input? EDIT: Saya pikir Anda baru saja menjawab pertanyaan saya secara bersamaan!
midnightBlue
Jadi, berapa banyak yang akan Anda katakan input akan bervariasi dalam emitor umum sederhana dengan degenerasi? Apakah benar mengatakan bahwa satu-satunya permainan yang saya miliki adalah antara 0,5V hingga 0,7V? Jadi, apakah itu ide yang baik untuk mengatakan bahwa tegangan biasing DC dasar yang baik adalah 0.6V?
midnightBlue
3

Tingkat Fermi adalah energi rata-rata elektron seluler (atau lubang) dalam bahan semikonduktor. Tingkat Fermi dinyatakan dalam elektron volt (eV), dan dapat dipandang mewakili tegangan yang terlihat oleh elektron.

Silikon intrinsik (dan germanium) memiliki tingkat Fermi di tengah antara tepi atas pita valensi dan tepi bawah pita konduksi.

Saat Anda menggunakan silikon untuk tipe-P, Anda menambahkan banyak lubang. Sekarang Anda memiliki lebih banyak negara operator yang tersedia di dekat bagian atas pita valensi, dan ini mendorong tingkat Fermi turun dekat ke tepi pita valensi. Demikian pula, ketika Anda menggunakan tipe N, Anda menambahkan banyak elektron, yang menciptakan lebih banyak status pembawa yang tersedia di dekat pita konduksi, dan mendorong level Fermi dekat dengan tepi pita konduksi.

Untuk level doping yang biasanya ditemukan di persimpangan basis-emitor, perbedaan level Fermi antara sisi P dan N adalah sekitar 0,7 electron-volts (eV). Ini berarti bahwa elektron yang bergerak dari N ke P melepaskan energi 0,7 eV (dalam bentuk foton: Di sinilah dioda pemancar cahaya mendapatkan cahayanya: bahan dan doping dipilih sedemikian rupa sehingga perbedaan tingkat Fermi melintasi persimpangan) menimbulkan foton pada panjang gelombang yang diinginkan, seperti yang ditentukan oleh persamaan Planck). Demikian pula, elektron yang bergerak dari P ke N harus mengambil 0,7 eV di suatu tempat.

Singkatnya, Vbe pada dasarnya hanyalah perbedaan tingkat Fermi di dua sisi persimpangan.

Ini adalah bahan Semikonduktor 101, karena Anda harus memahami ini sebelum melangkah lebih jauh. Fakta bahwa itu 101 TIDAK berarti itu sederhana, atau mudah: Dibutuhkan dua semester kalkulus, dua semester kimia, dua semester fisika, dan satu semester persamaan diferensial, untuk meletakkan dasar prasyarat untuk teori semikonduktor. kelas yang menjelaskan semua hal di atas dalam detail berdarah.

John R. Strohm
sumber
Dijelaskan dengan anggun. Terima kasih tuan yang baik atas wawasan Anda. Ini telah membuka mata saya pada ilmu material semikonduktor. Dan telah memberi saya pemahaman dasar yang lebih baik tentang pergerakan energi. Saya pasti akan menindaklanjutinya dengan beberapa studi. Apakah Anda memiliki rekomendasi sumber daya untuk itu?
RedDogAlpha
Ambil kelas bahan semikonduktor dan perangkat yang kompeten di sekolah teknik yang baik. Rencanakan, seperti yang saya katakan, dua semester kalkulus, dua semester kimia, dua semester fisika, dan satu semester persamaan diferensial. Saya beruntung: saya mengambil kelas dari seorang pria yang (a) menyukai materi (b) senang mengajar (c) BENAR-BENAR pandai mengajar. Saya kemudian menemukan bahwa kata pada dirinya adalah bahwa Anda bekerja dua kali lebih keras untuk kelas di kelasnya seperti yang lain, dan itu sepadan dengan usaha.
John R. Strohm
1

VBE=0.7V

VBE

nidhin
sumber
OP bertanya secara spesifik ketika tidak ada basis resistor.
sherrellbc
1

Pertanyaan bagus. Vbe yang sering dikutip dari 0,7V hanyalah perkiraan. Jika Anda mengukur Vbe dari transistor yang secara aktif menguatkan itu akan menunjukkan Vbe 0,7V atau sekitar multimeter, tetapi jika Anda dapat memperbesar 0,7 itu, seperti yang Anda bisa dengan osiloskop, Anda akan melihat variasi kecil di sekitarnya , jadi pada satu saat kapan saja itu mungkin 0.6989V atau 0.70021V sebagai sinyal input yang berada pada bias itu - yang Anda ingin diperkuat - berfluktuasi tentang titik bias itu.

Paul B.
sumber
0

vBEvBEvce

vBEVBEvBE=VBE+vbeVBE0.7Vvbe

André Cavalcante
sumber
Untuk membuatnya jelas: Vbe, tentu saja, tidak konstan karena itu adalah kuantitas input yang mengontrol kuantitas output (saat ini). Dengan kata lain - mengubah resp arus keluaran. tegangan output (dibuat di resistor coll.) dalam tahap penguat khas MEMBUTUHKAN bahwa perubahan tegangan input.
LvW
Apa itu komponen ca dan cc? Saya menulis pertanyaan ini lupa tentang 'komponen' sinyal kecil / sinyal besar karena itu membingungkan saya juga. Jika kita mendapatkan input tegangan tinggi yang berkepanjangan, pada titik apa Anda menyebutnya input sinyal besar dan kapan kita menyebutnya sinyal kecil. Bagaimana jika kita memiliki ayunan sinyal input yang sangat besar, yang tidak dapat memenuhi rentang input kecil yang diperlukan untuk analisis ini.
midnightBlue
LvW itu sebabnya saya menulis pertanyaan ini! Saya merasa bingung bahwa buku-buku mengajarkan Vbe konstan ketika itu adalah variabel input. @ user3084947 bagaimana kita bisa mengubah VCE tanpa mengubah rel pasokan atau mengubah resistor?
midnightBlue
@midnightBlue Untuk memahami apa itu ca atau cc componentsente, Anda harus mempelajari teori pemrosesan sinyal, khususnya, model generatif berdasarkan osilasi sinusoidal seperti seri Fourier.
André Cavalcante
0

Pertanyaan Anda sangat bagus

Transistor, secara teori saja, sepenuhnya tertutup untuk Ube apa pun <0.7V dan terbuka penuh untuk Ube> = 0.7V. Dalam beberapa transistor berdaya rendah, Ube yang diidealkan ini dapat berukuran 0.6V atau 0.65V.

Dalam praktiknya, Ube dapat berkisar dari 0V hingga 3V bahkan lebih untuk transistor daya tinggi. Dalam praktiknya, transistor sedikit terbuka untuk Ube> 0 dan terus meningkatkan keterbukaan dengan peningkatan Ube.

Namun, seperti yang disebutkan, ketergantungan Ice atau, lebih baik dikatakan, Rce dari Ube sangat tidak linier setelah titik tertentu dan, dengan demikian, peningkatan Ice tidak mengarah ke peningkatan Ube yang besar, namun, ada yang seperti itu.

Di bawah 0.7V, peningkatan Ice bisa agak linier dan ini tergantung pada transistor.

Ube maksimal pada Ice maksimal dengan mudah 2.5V hingga 3V untuk transistor daya besar dan Ice lebih besar dari 25A.

Satu hal yang pasti: dalam aplikasi analog, ketergantungan Ice dari Ube harus dipertimbangkan, terutama untuk daya tinggi atau transistor arus tinggi.

Lihatlah 2N5302 yang memiliki Ube = 3V pada Ice = 30A dan Uce = 4V.

pengguna115609
sumber
1
Selamat datang di EE.SE! Anda mungkin mempertimbangkan membuat jawaban Anda lebih mudah dibaca menggunakan pemformatan MathJax untuk variabel Anda dengan subskrip.
user2943160
"Transistor, secara teori saja, sepenuhnya tertutup untuk setiap Ube <0.7V dan sepenuhnya terbuka untuk Ube>> 0.7V." Bagi saya, pernyataan ini terdengar agak membingungkan dan / atau menyesatkan (lihat persamaan Shockley yang terkenal, yang digunakan dalam model transistor Ebers-Moll).
LvW
0

Di akhir posting ini, Anda akan tahu cara menghitung kenaikan tegangan bipolar.

Mari kita periksa tabel Vbe versus Arus Kolektor, untuk bipolar imajiner:

VBE Ic

0,4 1uA

0.458 10uA Perhatikan 58mV lebih banyak Vbe memberikan persis 10X lebih banyak saat ini.

0,516 100uA

0,574 1mA

0,632 10mA

0,690 100mA [transistor PANAS, sehingga arus dapat meloloskan dan melelehkan transistor (risiko yang diketahui dengan bipolar bias dengan tegangan basis konstan)]

0,748 1AMP transistor adalah PANAS

Transistor 10Amps 0.806 adalah PANAS

Bisakah kita benar-benar mengoperasikan transistor bipolar lebih dari 1uA ke arus kolektor 10Amps? Ya, jika ini adalah transistor daya. Dan pada arus yang lebih tinggi, tabel halus ini - menunjukkan 58 miliVolts lebih banyak Vbe menghasilkan 10X lebih banyak arus --- kehilangan akurasi karena silikon curah memiliki resistansi linier dan pelacak kurva akan menunjukkan hal itu.

Bagaimana dengan perubahan yang lebih kecil dari 58mV? Vbe Ic 0,2 volt 1nanoAmp (sekitar 3 faktor 58mV di bawah 1uA pada 0,4v) 0,226 2,718 nanoAmp (0,026v fisika memberikan E ^ 1 lagi I) 0,218 2.000 nanoAmp 0,236 4,000 nanoAmp 0,254 8,000 nanoAmp (Anda akan menemukan N * Referensi tegangan 18mV)

OK, cukup tabel. Mari kita lihat transistor bipolar mirip dengan tabung vakum atau MOSFET ............... sebagai transkonduktor, di mana perubahan Tegangan Input menyebabkan perubahan Arus Keluaran.

Bipolar menyenangkan untuk digunakan, karena kita tahu PERSIS transkonduktansi untuk setiap bipolar, jika kita tahu arus kolektor DC (yaitu, tanpa input sinyal AC).

Untuk singkatan, kita label ini 'gM' atau 'gm', karena buku tabung vakum menggunakan variabel "saling transkonduktansi" untuk menjelaskan bagaimana tegangan Grid mengendalikan arus Plat. Kita dapat menghormati Lee deForest dengan menggunakan gm untuk ini.

Gm dari bipolar, pada 25 derajat Celcius, dan mengetahui kt / q adalah 0,026 volt, adalah -------> Ic / 0,026 dan jika arus Kolektor adalah 0,026 amp (26 miliAmps), gm adalah 1 amp per volt.

Jadi 1 millivolt PP di pangkalan menyebabkan arus AC kolektor 1milliAmp PP. Mengabaikan beberapa distorsi, yang dapat Anda prediksi menggunakan Taylor Series. Atau tulisan Barry Gilbert tentang IP2 dan IP3 untuk bipolar.

Misalkan kita memiliki resistor 1Kohm dari kolektor ke +30 volt, membawa 26mA. Vce adalah 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 volt, sehingga bipolar berada di wilayah "linear". Apa keuntungan kita?

Gain adalah gm * Rcollector atau 1 amp/volt * 1.000 ohm atau Av = 1.000x.

analogsystemsrf
sumber
Sayangnya, DEFINISI dari tranconductance gm tidak diberikan. Ini adalah kemiringan dari eksponensial Ic = f (Vbe) characterisrtics gm = d (Ic) / d (Vbe). Karena bentuk eksponensial hasilnya adalah gm = Ic / Vt.
LvW
0

Pertanyaan anda adalah:

bagaimana bisa Vbe tetap konstan ketika itu sendiri adalah variabel input untuk tahap penguat?

Jawaban mudahnya adalah, yah, itu bukan:

  1. VBE
  2. VBEIb

Tetapi sekarang saya akan mencoba menjawab apa yang saya yakini sebagai keraguan Anda yang sebenarnya. Saya pikir Anda mencampur konsep dari analisis DC dan analisis sinyal kecil dari rangkaian.

Apa yang Anda sebut "variabel input" sebenarnya memiliki komponen AC di atas komponen DC:

Komponen AC + DC

VBE

Saya pikir sekarang Anda bisa melihat dari mana kebingungan Anda berasal. Jangan khawatir, ini adalah kebingungan yang cukup umum. Saya selalu berpikir bahwa sebagian besar guru dan buku tidak melakukan pekerjaan dengan baik dalam menjelaskan cara berpikir dalam hal analisis DC vs analisis sinyal kecil dan asumsi mana yang harus diterapkan di masing-masing.

Ringkasnya:

  1. VBEVBEIb

  2. RcVccvBEVBE

Sirkuit sinyal kecil CE

Catatan: Anda dapat menemukan sumber untuk diagram di atas di sini .

Enric Blanco
sumber