За допомогою BJT ми можемо керувати базовим струмом за допомогою Vin (з діаграми). Чому в підручниках зазначено, що БЖТ контролюються струмом, коли очевидно, що зміна напруги керує струмом через колектор?
За допомогою BJT ми можемо керувати базовим струмом за допомогою Vin (з діаграми). Чому в підручниках зазначено, що БЖТ контролюються струмом, коли очевидно, що зміна напруги керує струмом через колектор?
Відповіді:
У наведеній схемі Він контролює струм, що йде на базу, а не падіння напруги на базі та випромінювачі самого транзистора.
Падіння напруги в Vbe завжди буде близько 0,7 В для Vin> 0,7; надлишкова напруга знизиться через R1.
Змінюючи Він, ви фактично керуєте струмом, що йде на базу на основі рівняння:
Преамбула
Почнемо з невеликого відступу: що робить генератор генератором струму замість генератора напруги? Подивіться на характеристики VI: той, що має в основному постійну напругу (майже горизонтальний у площині IV), буде називатися генератором напруги, той, що має переважно постійний струм (майже горизонтальний у площині VI), буде називатися генератором струму.
(Фотографії, зроблені з веб-сайту Електроніка Підручники)
Це пояснюється тим, що "акцент" є на постійній величині (напруга або струм, що подається - в той час як інша кількість змінюється залежно від навантаження та відповідності генератора). (Примітка 1)
У контрольованому пристрої наголос на змінній кількості. Враховуючи експоненціальну вхідну характеристику, яка залишає Vbe майже постійним, це поточне ви хотіли б бачити як керуючу змінну. Це прямий наслідок поширення помилок: коли у вас крута функція, невелика помилка майже постійної величини x перетвориться на значно більшу помилку у величині, що змінюється величиною q (і навпаки).
Знімок, зроблений із "Вступу до аналізу помилок", Тейлор та спотворений відповідно до мети
Суть полягає в тому, що простіше розрізнити 10 e 40 мкА (відношення 1 до 4), ніж розділити 0,65 і 0,67 В (відношення 1 до 1,03). (Зверніть увагу на менш гнучкий розум: як і більш екстремальні значення, які я використовував до цього редагування, це складені значення, призначені для відображення контрасту між помітною зміною того, що ви хочете бачити як керуючу змінну - струм, що надходить в базу - і слабке зміна напруги між базою і випромінювачем).
Найпростіша річ
Ви можете зрозуміти, чому це називається управлінням струмом, підштовхуючи його до меж, прийнявши найпростішу модель для BJT, як показали Чуа, Дезоер і Ку в своїх "Лінійних і нелінійних схемах": на наступних малюнках всі діоди ідеальні ( порогова напруга дорівнює нулю, так само, як і серійний опір; це ідеально відкриті ланцюги при зворотному зміщенні та ідеальні шорти при зміщенні вперед).
E0 додає порогову напругу до вхідної характеристики, тоді як транзисторна дія виражається ic = beta * ib. Зауважте, що генератор струму, керований струмом. Ось відповідні вхідні та вихідні характеристики
Досить просто, правда? Ви можете порівняти їх з фактичними характеристиками і побачити, що вони схожі на них. Наскільки це просто, це легітимна модель, і її можна використовувати для моделювання схем, де, змінюючи ib (ви не можете змінити Vbe в цій моделі, оскільки він фіксований), ви змінюєте значення Ic. Ви можете бачити, як можна змінити ib, перетинаючи вхідну характеристику з лінією навантаження на вході
Змінюючи E1 (не частина BJT), ви змінюєте ib (частина BJT). Тоді ви можете знайти значення ic, відповідне цьому значенню ib, вибрати відповідну вихідну характеристику та знайти напругу шляхом перетину з вихідною лінією навантаження.
Хтось стрибне на своє місце, кричачи: " ЩО? Ви використовуєте бета-версію для проектування підсилювача, який можна ввести у виробництво по всьому світу для критичних для місії ядерних додатків? може змінитися на скільки дев'ятидесяти відсотків газильйонів, просто подивившись на це? "
Справа в тому, що для даного транзистора ви маєте досить визначене значення бета-версії (ви можете заздалегідь її виміряти, тому неважливо, чи буде виробнича партія демонструвати ганебну дисперсію), і якщо ви не блукаєте занадто далеко, ви можете розумно ігнорувати його зміна з іншими електричними параметрами. Зауважте, що це спрощена модель, яка не моделює варіанти бета-версії з температурою, струмом або навіть кольором волосся; це спрощена модель, яка вловлює суть дії транзистора, майже так само, як іноді ганьблений "людина-транзистор" від "The Art of Electronics".
Чи можете ви знайти цю частоту відсічення транзистора з цієї моделі? Ні. Чи можете ви пояснити ефект Early за допомогою цієї моделі? Ні. Чи можете ви пояснити диференціальний опір переходу BE з цією моделлю? Ні. Чи можете ви рахувати виробництво зарядних пар через радіацію? Ні. Чи можете ви пояснити квантування другого поля та вигин простору? Ні.
Чи означає це, що ця модель є абсолютно марною? Ні. Надзвичайно спрощена поведінка цієї моделі показує, чому багато підручників стверджують, що BJT контролюються в даний час. Фактична характеристика входу нагадує ту вертикальну лінію, де можна змінювати лише ib, а не vbe, значення якого вважається фіксованим. (І саме тому я зробив це відступ на початку цієї відповіді).
Ви можете порівняти найпростішу модель для Mosfet: на сторінці 151 Chua також є така.
Як бачимо, струм затвора фіксований (на нулі, щоб бути педантичним), умова, подвійна тій, що показана у BJT: Вхідна характеристика VI горизонтальна. Єдиний контроль у вас тут - за допомогою vgs. Чи означає це, що ми заперечуємо існування ефекту тунелю? Ні, це просто модель. Спрощена модель, яка, крім усього іншого, не враховує тунелювання, але все ж вдається показати, чому в MOSFET ви дієте на напругу джерела затвора.
Поки ми бачили, як (спрощена) залежність між ib та ic може сприйматися як контроль над ic за допомогою ib через beta. Але ми також можемо використовувати альфа, чому б і ні? Дозвольте навести, дослівно, ще один підручник, який розглядає пристрої, що керуються струмом BJT: "Квантова фізика атома, молекули, тверді тіла, ядра та частинки 2е", Ейсберг та Реснік, с. 474 (на сторінці 475 показана загальна базова конфігурація):
Основна ідея дії транзистора полягає в тому, що струм в ланцюзі випромінювачів керує струмом в ланцюзі колектора. Більше 90% струму через випромінювач, так що струми мають однакову величину. Але напруга в базовому колекторі може бути набагато більшим, ніж у зв’язку між емітерним і базовим з'єднанням, тому що перше є зворотним зміщенням, тому вихідна потужність в колекторному ланцюзі може бути набагато більшою, ніж вхідна потужність в ланцюзі випромінювачів . Отже, транзистор діє як підсилювач потужності.
Невже ці двоє джентльменів не забувають про роль, яку відіграє квантова механіка в теорії смуг твердих тіл? Вони не чули про квантову статистику? Вони навіть знають, що таке дірка (не кажучи вже про темпко)? Чи могли вони забути, що подання напруг може змінювати профілі рівня енергії, що відносяться до валентності та діапазону провідності? Я не думаю, що так. Вони просто обрали більш просту модель, щоб пояснити, як можна інтерпретувати так звану транзисторну дію.
Художник Бруно Мунарі одного разу сказав: " Ускладнювати просто, спрощувати - це складно ... Всі вміють ускладнювати. Лише деякі можуть спростити ". Серед інших, Чуа, Дезоер, Ку, Айсберг та Реснік вирішили спростити.
Хто спочатку грає в базі?
Тепер повернемося до (майже) реальних транзисторів. Це перші характеристики vbe, які я придумав після пошуку зображень Google :
Данно, якщо це реально, але це виглядає правдоподібно. Тут слід помітити, що коли ib сильно змінюється, на 100 відсотків відсотків, vbe змінюється порівняно невеликими кількостями, лише жменькою відсотків. Це пояснюється експоненціальним відношенням переходу BE. Скажімо, ви хочете використовувати цей BJT для отримання 10 мА в непарні дні і 15 мА в парні дні. У вас в німецькій лабораторії вимірюють бета-версію конкретного транзистора у вашій руці, і він вийшов як 250 за діапазон інтересів. Скажімо, у вас є генератор струму і напруги з точністю 10%.
Поточний контроль : Ви можете використовувати ic = beta ib, щоб знайти значення ib, яке потрібно встановити. Номінальні значення 10 і 15 мА льоду вимагають номінальних значень 40 e 60 мкА для ib. Враховуючи точність поточного генератора, ви очікуєте, що ви побачите наступні поточні діапазони введення та виведення:
ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA
Контроль напруги : Ви не вірите в бета-версію, тому вам потрібно вказати напругу, яке створює VBE ... Так, з чого? Почитайте його на наведеному вище графіку (але тоді вам доведеться прийняти жахливе відношення ic = beta ib). Я думаю, вам доведеться використовувати модель Ebers-Moll для обчислення значень до потрібних значень для ic. Але скажімо, що ми визначили, що це точно 0,65 і 0,67 В (так само, як я використав точне значення для бета-вершини вище). Коли ми намагаємось встановити ці точні значення, наш 10-відсотковий точний генератор поставить наступні діапазони напруги
0,585 - 0,715 В -> назад до Ebers-Moll, щоб обчислити ic, ... занадто погано, що невизначеність буде викрита ...
0,603 - 0,737 В -> ні, зачекайте, перш ніж обчислити ...
... виявляється, у нас вже є суперпозиція в діапазонах напруги, які ми постачаємо: ми, можливо, не зможемо відрізнити навіть дні від непарних.
Я думаю, що краще вдатися до поточної бази як засобу для контролю струму колектора.
Якщо керувати струмом, навіть якщо я допускаю 10% -ву помилку на вимірюваному значенні бета-версії, я все одно (ледь, але все-таки) можу виділити два діапазони струму (8.10-12.10 мА проти 12.15-18.15 мА), що відповідають непарному та навіть дні.
Якщо керувати напругою, якщо ви додасте 10% помилку до обчисленого (або прочитаного з діаграми) значення напруги (і я щедрий, оскільки ця помилка буде посилюватися), ви вже втрачаєте невизначеність. Це основна теорія поширення помилок.
Антракт
Ця публікація потребує часу, я повернусь ще, щоб додати щось більше. Дозвольте мені просто вирішити питання про війну з релігією, якій ви могли бути свідком. Про що це все?
Транзистор - це твердотільні пристрої, внутрішню роботу яких необхідно пояснити, використовуючи закони квантової фізики. Враховуючи смугову структуру енергетичних рівнів електричних носіїв у твердих тілах, закономірно вдатися до енергетичних рівнів, щоб зобразити внутрішню роботу цих пристроїв. Енергія та потенціал тісно пов'язані між собою, тому більшість моделей, як правило, виражають відповідні величини у функції потенціалів (різниці) s. Причину я написав
Примітка: Залежність від Vbe, показана в моделі Ebers-Moll, не означає причинно-наслідкового зв’язку. Простіше написати рівняння таким чином. Ніхто не забороняє вам використовувати зворотні функції.
в тому, що напруга і струм теж тісно пов'язані: вони поєднані величиною сортування потоку зусиль, так що в основному ви не можете мати один без іншого. Це делікатна справа, і, мабуть, слід також розглянути, що означає створити різницю напруги. Чи не створюється вона за рахунок витіснення зарядів (електрохімічною реакцією в акумуляторі, електромагнітною взаємодією в механічному генераторі). Я підозрюю, що врешті-решт усі пристрої в основному контролюються зарядом: ви переміщуєте заряди звідти туди і отримуєте певний ефект.
Я підозрюю, що хрестоносці "контролю напруги" припускають, що колега "управління струмом" навчився електроніці в книгах Фореста Мімса і ніколи не бачив книги з квантової фізики, твердого тіла або напівпровідникових пристроїв. Вони, здається, ігнорують значення керуючої змінної, оскільки змінну обирають для активації керування. Я сподіваюся, що цитата Eisberg & Resnick (двох "твердих" фізиків, якщо ви дозволите мені каламбур) покаже їм, що це не так.
Примітка (1) Ідеальні криві генератора саме такі: ідеальні. Спробуйте зобразити перехід від ідеального генератора напруги до ідеального генератора струму, що проходить через хороші, середні та повільні генератори напруги, потім повільні, середні та хороші генератори струму.
Загалом, ви можете уявити, що BJT є джерелом струму, керованим струмом, коли знаходить точку зміщення в лінійному застосуванні (великий сигнал).
Це корисніше думати про це як джерело струму з керованим напругою, коли ви робите аналіз малого сигналу, наприклад, для підсилювача, використовуючи гібридний режим l.
Це також не є особливо корисним, коли ви оцінюєте програми комутації, оскільки базовий струм буде досить високим, що струм колектора визначається зовнішнім ланцюгом, а не характеристиками транзистора (перший допомагає дещо забезпечити існування умови).
BJT не контролюється струмом, але, до корисного наближення, він веде себе таким чином. У більш точних моделях BJT, як Еберс-Молл , струм колектора не є функцією базового струму, а базової напруги ().
Інші відповіді висловлюють думки щодо того, чи BJT контролюється напругою чи регулюється струмом, або те й інше. У своїй відповіді я хочу звернутися замість цього:
коли очевидно, що зміна напруги контролює струм через колектор?
Розглянемо наступну альтернативну схему:
імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab
Хіба не очевидно, що
і
і таким чином, що базовий струм контролює струм через колектор?
Так, ви можете заперечити це зміни обов'язково змінюється і т. д., але це меч з двома краями, оскільки заперечення діє обома способами, тобто зміною обов'язково змінюється .
Тож ні , на вашому прикладі не очевидно , що BJT контролюється напругою.
Додаток: у коментарях є досить багато аргументів стосовно питання, чи в основному керує струм колектора "автономної" BJT або . За допомогою SPICE легко підтвердити, що можна керувати струмом колектора, керуючи базовим струмом за допомогою джерела струму:
Так само можна підтвердити, що можна керувати струмом колектора, керуючи напругою базового випромінювача з джерелом напруги.
Незважаючи на це, кілька користувачів сильно висловили свою позицію, що струм колектора BJT явно керований напругою, і що припускати інакше, це не вдається.
Минув час, коли я вивчив фізику твердого тіла, тому я вирішив проконсультуватися зі своєю бібліотекою підручників з ЕЕ. Перший підручник, який я витягнув з полиці, - це " твердотільні електронні пристрої ", 3-е вид.
Ось обширна цитата з розділу 7.2.2:
Залишається показати, що струм колектора можна керувати варіаціями малого струму .
В дискусії до цього моменту ми вказали на контроль над струмом випромінювача , при базовому струмі характеризується як невеликий побічний ефект. Насправді ми можемо показати з аргументів нейтральності космічного заряду, що насправді можна використовувати, щоб визначити величину .
Розглянемо транзистор рис. 7-6, в якому визначається схемою зміщення. Для простоти будемо вважати ефективність вприскування випромінювача одиниці та мізерний струм насичення колектора. Оскільки основна область n-типу є електростатично нейтральною між двома перехідними областями, наявність надлишків отворів, що перебувають при переході від випромінювача до колектора, вимагає компенсувати надлишки електронів з базового контакту.
Однак є важлива різниця у часі, в якому електрони та дірки проводять в основі. Середній надлишковий отвір витрачає час , визначений як час транзиту від випромінювача до колектора. Оскільки основна ширина робиться невеликим порівняно з , цей час транзиту набагато менше, ніж середній термін служби отвору .
З іншого боку, витрачається середній надлишок електрона, що надходить з базового контакту секунди в базі, що постачає простір нейтралі заряду, протягом життя середнього надлишкового отвору. Поки середній електрон чекає секунд для рекомбінації, багато окремих отворів можуть входити і залишати базову область, кожна із середнім часом транзиту . Зокрема, для кожного електрона, що надходить з базового контакту,отвори можуть проходити від випромінювача до колектора, зберігаючи нейтральність простору заряду. Таким чином, співвідношення струму колектора до базового струму просто
для і незначний струм насичення колектора.
Якщо подача електрона в базу обмежено, рух дірок від випромінювача до основи відповідно зменшується. Це можна стверджувати, просто припустивши, що впорскування в отвір продовжується, незважаючи на обмеження електронів від основного контакту. Результатом було б чисте накопичення позитивного заряду в основі та втрата прямого зміщення (а отже, втрата впорскування отвору) на переході випромінювача. Зрозуміло, що подача електронів наскрізь можна використовувати для підняття або зменшення потоку отвору від випромінювача до колектора.
Зараз я майже впевнений, що ті, хто твердо знаходиться в таборі контролю напруги, будуть тлумачити це як підтвердження своєї позиції, як і ті, хто твердо знаходиться в таборі управління струмом. Тож я просто залишу це на цьому. Нехай починається гавкання ...
Я думаю, ти це отримав назад. є контрольним за законом Ома (якщо припустити, що падіння напруги на базі невелике): . BJT у свою чергу контролюється цим струмом:.
Зрештою між ними існує лінійна залежність і , але це справедливо лише до тих пір, поки залишається постійним. З тих пір не є частиною BJT, ви нічого не можете припускати про це, обговорюючи характеристики BJT, і ви не можете сказати, що BJT контролюється .
Можливо, приклад пояснив би це краще. Уявіть, що я воджу машину, і її швидкість залежить від того, наскільки сильно я штовхаю газ і на скільки часу. Але я не хочу отримувати штрафів, тому завжди дотримуюся обмежень швидкості. Тепер ти підійдеш і кажеш:
Чому вони кажуть, що машини керуються педаллю газу, коли насправді їх швидкість залежить від плоских металевих предметів з нанесеними на них цифрами?
Отже, те, що ви говорите, є істинним у цьому конкретному випадку, але це не змінює факту, що автомобілі не піклуються про найменші плоскі металеві предмети в їхньому оточенні.
Якщо ви зробили Вин постійною і R1 змінною, ви б сказали, що BJT - це пристрої, що контролюються опором?
У вашій установці, здається, ви контролюєте напругу і спостерігаєте, чи здатна вона впливати на струм колектора. Доцільно використовувати це як доказ того, що струм цієї ланцюга регулюється напругою, але це нерозумно говорити, це означає, що всі BJT контролюються напругою.
Ви повинні розрізняти всю систему та компонент у системі, навіть коли це найцікавіший компонент або навіть єдиний цікавий на вигляд.
До цих пір я нараховую 10 відповідей та багато коментарів. І знову я дізнався, що питання, якщо BJT контролюється напругою чи струмом, здається, є питанням релігії. Боюся, запитуючий (« Чому підручники стверджують, що BJT зараз контролюються ») буде заплутаний через так багато різних відповідей. Деякі є правильними, а інші абсолютно неправильними. Тому в інтересах питаючого я люблю підсумовувати та уточнювати ситуацію.
1) Те, що я ніколи не зрозумію, полягає в наступному явищі: Не існує єдиного доказу того, що струм Ic колектора BJT буде керований / визначений базовим струмом Ib. Тим не менш, є ще деякі хлопці (навіть інженери!), Які знову і знову повторюють, що BJT - на їхню думку - буде контролюватися струмом. Але вони лише повторюють це твердження без будь-яких доказів - не дивно, тому що немає доказів і немає перевірки.
Єдине «виправдання» - це завжди просте відношення Ic = beta x Ib. Але таке рівняння ніколи не може сказати нам нічого про причину та наслідки. Більше того, вони забувають / ігнорують, як спочатку було отримано це рівняння: Ic = альфа x Ie і Ie = Ic + Ib. Отже, Ib - це просто (мала) частина Ie - більше нічого. (Баррі Гілберт: Базовий струм - це лише "дефект").
2) На відміну від цього, існує багато спостережуваних ефектів і властивостей циркулятора, які чітко показують і підтверджують, що BJT регулюється напругою. Думаю, кожен, хто знає, як працює простий pn діод, повинен також визнати, що таке дифузійне напруга і як зовнішня НАВІД може зменшити бар'єрний ефект цієї основної властивості pn переходу.
Ми повинні застосувати належну напругу через відповідні клеми, щоб пропускати струм через зону виснаження. Ця напруга (відповідно до відповідного електричного поля) є єдиною величиною, яка доставляє силу для руху зарядженого носія, яку ми називаємо струмом! Чи є якась причина, що pn-перехід базового випромінювача повинен вести себе зовсім інакше (і НЕ реагує на напругу)?
За запитом я можу перерахувати щонайменше 10 ефектів та властивості ланцюга, які можна пояснити виключно за допомогою регулювання напруги. Чому ці спостереження так часто ігноруються?
3) Опитуючий представив схему, яка заслуговує на додатковий коментар. Ми знаємо, що підсилювач (підсилювач без напруги) може бути провідним як підсилювач напруги в напрузі (підсилювач транзистору). Це означає: Ми завжди мусимо розрізняти властивості «голого» підсилювального блоку та повну схему з додатковими деталями.
У цьому випадку це означає: BJT як окрема частина працює з напругою - проте, переглядаючи всю схему (з резистором R1), ми можемо трактувати повне розташування як ланцюг, керований струмом, якщо R1 набагато більший, ніж вхідний опір траси BE. У цьому випадку ми маємо дільник напруги, керований напругою Vin.
Я думаю, що має сенс викликати керований струм BJT, коли ви порівнюєте його з MOSFET.
У MOSFET є затвор, і чим вище напруга на затворі (який по суті не приводить струму), тим вище коефіцієнт провідності від зливного джерела. Отже, це прилад, керований напругою.
Крім того,
BJT має базу. Чим вища провідність від колектора до випромінювача, тим вищий базовий струм.
Як практичний приклад, який дійсно підкреслює різницю:
Цю топологію пам'яті неможливо реалізувати з BJT, оскільки для проведення необхідний постійний базовий струм. У MOSFET заряди можуть бути введені в ізольовані ворота. Якщо їм вводять ін'єкцію, вони залишатимуться там і триматимуть MOSFET, який веде весь час. Ця провідність (або її відсутність, якщо не вводиться заряд) відчувається і використовується для зчитування збереженого бітового стану.
Побічно, два питання:
1. Чому можна вважати «керований струмом», і
2. чому це зручно розглянути BJT «керований струм».
Перше питання. Математично пристрій накладає два рівняння на простір параметрів, що включає два напруги та два струми (один може додавати температуру, деякі пов'язані з часом речі для врахування перехідних ефектів, але це не змінить кількість рівнянь). Система може бути рівномірно виражена в різних формах. На відміну від FET, де режими включення / вимкнення не відрізняються за струмом затвора, в BJT будь-яка зміна управління призводить до певних зрушень як на площинах напруги, так і на струм. На кожну площину припадає два ступені свободи. Отже, ми можемо вважати дві напруги незалежними змінними, або двома струмами. Або, скажімо, і , залежно від інших параметрів. Без різниці.
Друге питання. Згідно здорового глузду, розумно розглядати як контроль такий параметр, невеликі зміни якого призводять до великих (але передбачуваних) змін у режимі роботи. Більше того, управління транзистором відбувається значною мірою або повністю в активному регіоні, корисному для його посилення. Найбільш очевидні параметри кандидата і , чиї невеликі зміни (упереджено зміщені B – E) призводять до великих змін характеристики колектора. Але наслідки сильно нелінійні, тоді як (для фіксованих) ) струми в BJT залежать від майже лінійно. Це все.
Струм колектора, за визначенням / фізикою, є функцією базового струму (і неявно вимагає струму навантаження). Правила формули BJT є. Де це виграш, - струм через перехід BE, і - (максимальний) струм через перехід СЕ.
Базова напруга (тобто напруга, виміряна на базовому терміналі щодо GND) насправді є більш-менш постійною (принаймні при насиченні), як характерне для падіння напруги вперед діода.