Con i BJT, possiamo controllare la corrente di base usando Vin (dal diagramma). Perché i libri di testo affermano che i BJT sono controllati dalla corrente quando è ovvio che la modifica della tensione controlla la corrente attraverso il collettore?
Con i BJT, possiamo controllare la corrente di base usando Vin (dal diagramma). Perché i libri di testo affermano che i BJT sono controllati dalla corrente quando è ovvio che la modifica della tensione controlla la corrente attraverso il collettore?
Risposte:
Nel circuito sopra Vin sta controllando la corrente che va alla base, non la caduta di tensione attraverso la base e l'emettitore del transistor stesso.
La caduta di tensione attraverso Vbe sarà sempre intorno a 0,7 V per Vin> 0,7; la tensione in eccesso verrà caduta attraverso l'R1.
Modificando Vin, stai effettivamente controllando la corrente che va alla base in base all'equazione:
Preambolo
Cominciamo con una piccola digressione: cosa rende un generatore un generatore di corrente anziché un generatore di tensione? Guarda le caratteristiche del VI: quello con tensione prevalentemente costante (quasi orizzontale nel piano IV) sarà chiamato generatore di tensione, quello con corrente prevalentemente costante (quasi orizzontale nel piano VI) sarà chiamato generatore di corrente.
(Immagini tratte dal sito Web dei tutorial elettronici)
Questo perché l '"accento" è sulla quantità costante (la tensione o la corrente fornita - mentre l'altra quantità è variabile a seconda del carico e della conformità del generatore). (Nota 1)
In un dispositivo controllato, l'accento è sulla quantità variabile. Data la caratteristica di input esponenziale, che lascia Vbe quasi costante, è corrente che vorresti vedere come variabile di controllo. Questa è una conseguenza diretta della propagazione degli errori: quando si ha una funzione ripida, un piccolo errore nella quantità quasi costante x si trasformerà in un errore molto più grande nella quantità ampiamente variabile q (e viceversa).
Immagine tratta da "Un'introduzione all'analisi degli errori", Taylor e distorta per adattarsi allo scopo
La linea di fondo è che è più facile distinguere tra 10 e 40 uA (rapporto da 1 a 4) piuttosto che separare 0,65 e 0,67 V (rapporto da 1 a 1,03). (Nota per le menti meno flessibili: come i valori più estremi che ho usato prima di questa modifica, questi sono valori inventati intesi a mostrare il contrasto tra un cambiamento percepibile in ciò che vuoi vedere come variabile di controllo - la corrente che entra nella base - e il debole cambiamento nella tensione tra base ed emettitore).
La cosa più semplice
Puoi capire perché questo si chiama controllo corrente spingendolo al limite adottando il modello più semplice per un BJT, come mostrato da Chua, Desoer e Kuh nei loro "Circuiti lineari e non lineari": nelle immagini seguenti tutti i diodi sono ideali ( la tensione di soglia è zero, così come la resistenza in serie; si tratta di circuiti perfettamente aperti quando polarizzati in modo inverso e corti perfetti se polarizzati in avanti).
E0 aggiunge una tensione di soglia alla caratteristica di ingresso, mentre l'azione del transistor è espressa da ic = beta * ib. Si noti che generatore di corrente controllato in corrente. Ecco le caratteristiche di input e output corrispondenti
Abbastanza semplice, vero? Puoi confrontarli con le caratteristiche effettive e vedere che le assomigliano, però. Per quanto sia semplice, questo è un modello legittimo e può essere utilizzato per modellare i circuiti in cui, modificando ib (non è possibile modificare Vbe in questo modello, poiché è fisso) si modifica il valore di Ic. Puoi vedere come puoi cambiare ib intersecando la caratteristica di input con la linea di carico di input
Modificando E1 (non parte del BJT) si modifica ib (parte del BJT). Quindi puoi trovare il valore di ic corrispondente a quel valore di ib, selezionare la caratteristica di uscita corrispondente e trovare la tensione per intersezione con la linea di carico di uscita.
Qualcuno salterà al suo posto urlando " COSA? Stai usando la beta per progettare un amplificatore da mettere in produzione in tutto il mondo per applicazioni nucleari mission-critical? Inoltre, da dove pensi che provenga la beta? Inoltre, non sai quella beta può cambiare fino al millesimo di gazillions percento solo guardandolo? "
Il punto è che per un dato transistor hai un valore ragionevolmente definito di beta (puoi misurarlo in anticipo, quindi non importa se il lotto di produzione mostra una vergognosa dispersione) e se non vai troppo lontano, puoi ragionevolmente ignorare la sua variazione con gli altri parametri elettrici. Si noti che questo è un modello semplificato che non modella le variazioni di beta con temperatura, corrente o persino colore dei capelli; è un modello semplificato che cattura l'essenza dell'azione del transistor, in modo molto simile al "transistor man" a volte insultato di The Art of Electronics.
Riesci a trovare la frequenza di taglio del transistor da questo modello? No. Puoi spiegare l'effetto Early con questo modello? No. Potete spiegare la resistenza differenziale della giunzione BE con questo modello? No. Potete spiegare la produzione di coppie di cariche a causa delle radiazioni? No. Potete spiegare la quantizzazione del secondo campo e la flessione dello spaziotempo? No.
Questo significa che questo modello è completamente inutile? No. Il comportamento estremamente semplificato di questo modello mostra perché molti libri di testo affermano che i BJT sono attualmente controllati. L'attuale caratteristica di input assomiglia a quella linea verticale in cui è possibile variare solo ib, e non vbe, il cui valore è considerato fisso. (Ed è per questo che ho fatto quella digressione all'inizio di questa risposta).
Potresti voler confrontare il modello più semplice per un Mosfet: anche la pagina 151 di Chua ha quello.
Come puoi vedere, la corrente di gate è fissa (a zero per essere pedante), una condizione doppia rispetto a quella mostrata nel BJT: la caratteristica di ingresso VI è orizzontale. L'unico controllo che hai qui è tramite vgs. Questo significa che stiamo negando l'esistenza dell'effetto tunnel? No, questo è solo un modello. Un modello semplificato che, tra le altre cose, non considera il tunneling ma riesce comunque a dimostrare perché in un MOSFET si agisce sulla tensione gate-source.
Finora abbiamo visto come la relazione (semplificata) tra ib e ic possa essere vista come controllo di ic tramite ib, attraverso la beta. Ma possiamo anche usare l'alfa, perché no? Vorrei citare, letteralmente, un altro libro di testo che considera i dispositivi attualmente controllati dai BJT: "Fisica quantistica di atomo, molecole, solidi, nuclei e particelle 2e", di Eisberg e Resnick, p. 474 (a pagina 475 è mostrata una configurazione base comune):
L'idea di base dell'azione del transistor è che una corrente nel circuito dell'emettitore controlla una corrente nel circuito del collettore. Oltre il 90% della corrente attraverso l'emettitore, in modo che le correnti abbiano magnitudini simili. Ma la tensione attraverso il collettore base può essere molto maggiore di quella attraverso la connessione emettitore-base, perché la prima è polarizzata al contrario, quindi la potenza nel circuito del collettore può essere molto più grande della potenza assorbita nel circuito emettitore . Quindi il transistor funge da amplificatore di potenza.
Questi due signori ignorano il ruolo svolto dalla meccanica quantistica nella teoria dei solidi di banda? Non hanno sentito parlare delle statistiche quantistiche? Sanno addirittura cos'è un buco (per non parlare del tempco)? Avrebbero potuto dimenticare che l'applicazione di tensioni potrebbe modificare i profili di livello di energia attribuiti alle bande di valenza e conduzione? Io non la penso così. Hanno semplicemente scelto un modello più semplice per spiegare come si può interpretare la cosiddetta azione a transistor.
L'artista Bruno Munari una volta disse: " Complicare è semplice, semplificare è complicato ... Tutti sono in grado di complicare. Solo pochi possono semplificare ". Tra gli altri, Chua, Desoer, Kuh, Eisberg e Resnick hanno scelto di semplificare.
Chi gioca per primo, prima?
Ora, torniamo a (quasi) transistor reali. Questo è il primo carattere vbe che mi è venuto in mente dopo una ricerca di immagini di Google :
Non so se è reale, ma sembra plausibile. La cosa da notare qui è che quando ib cambia notevolmente, con 100s di percentuali, vbe cambia di quantità relativamente piccole, solo una manciata di percentuali. Ciò è dovuto alla relazione esponenziale della giunzione BE. Supponiamo che tu voglia utilizzare questo BJT per produrre 10 mA in giorni dispari e 15 mA in giorni pari. Hai un laboratorio tedesco che misura la beta del particolare transistor in mano ed è uscito come 250 nell'intervallo di interesse. Supponiamo che tu abbia un generatore di corrente e tensione con una precisione del 10%.
Controllo corrente : puoi usare ic = beta ib per trovare il valore di ib che devi impostare. I valori nominali di 10 e 15 mA di ic richiedono valori nominali di 40 e 60 uA per ib. Data l'accuratezza del tuo attuale generatore, ti aspetterai di vedere i seguenti intervalli di corrente in ingresso e in uscita:
ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA
Controllo della tensione : non credi nella beta, quindi devi specificare una tensione che crei un vbe di ... Sì, di cosa? Vai a leggerlo nel grafico sopra (ma poi dovrai accettare la terribile relazione ic = beta ib). Immagino che dovrai usare il modello Ebers-Moll per calcolare i valori con i valori desiderati per ic. Ma diciamo che abbiamo determinato che sono esattamente 0,65 e 0,67 V (proprio come ho usato un valore preciso per beta, sopra) Quando proviamo a impostare quei valori precisi, il nostro generatore accurato al 10% fabbricato in Cina fornirà i seguenti intervalli di tensione
0,585 - 0,715 V -> ritorno a Ebers-Moll, per calcolare ic, ... peccato che l'incertezza sarà esponenziata ...
0.603 - 0.737 V -> no, aspetta, prima di calcolare ...
... sembra che abbiamo già una sovrapposizione negli intervalli di tensione che stiamo fornendo: potremmo non essere in grado di distinguere i giorni pari da quelli dispari.
Immagino sia meglio ricorrere alla base corrente come mezzo per controllare la corrente del collettore.
Con il controllo corrente, anche se consento un errore del 10% sul valore misurato di beta, riesco ancora (a malapena, ma ancora) a distinguere i due intervalli di corrente (8.10-12.10 mA contro 12.15-18.15 mA) corrispondenti a dispari e giorni pari.
Con il controllo della tensione, se aggiungi un errore del 10% sul valore calcolato (o letto dal diagramma) della tensione (e sono generoso poiché quell'errore verrà amplificato), ti perdi già nell'incertezza. Questa è la teoria di base della propagazione degli errori.
Intervallo
Questo post richiede tempo, ne tornerò un altro per aggiungere qualcosa in più. Consentitemi di affrontare la questione della guerra religiosa alla quale potreste aver assistito. Di cosa si tratta?
I transistor sono dispositivi a stato solido il cui funzionamento interno deve essere spiegato usando le leggi della fisica quantistica. Data la struttura a banda dei livelli di energia dei portatori elettrici nei solidi, è naturale ricorrere a livelli di energia per rappresentare il funzionamento interno di questi dispositivi. Energia e potenziale sono strettamente correlati tra loro, quindi la maggior parte dei modelli tende ad esprimere quantità rilevanti in funzione del potenziale (differenza). Il motivo per cui ho scritto
Nota: la dipendenza da Vbe mostrata nel modello di Ebers-Moll non implica una relazione causa-effetto. È solo più semplice scrivere le equazioni in quel modo. Nessuno ti proibisce di usare le funzioni inverse.
è che anche la tensione e la corrente sono strettamente correlate: sono quantità accoppiate del tipo di flusso di sforzo, quindi in pratica non si può avere l'una senza l'altra. Tuttavia, è una questione delicata, e immagino che si debba considerare anche cosa significhi creare una differenza di tensione. Non è creato spostando le cariche (dalla reazione elettrochimica in una batteria, dall'interazione elettromagnetica in un generatore meccanico). Ho il sospetto che alla fine tutti i dispositivi siano sostanzialmente controllati dalla carica: muovi le cariche da qui a lì e ottieni un certo effetto.
Sospetto che i crociati del "controllo di tensione" stiano assumendo che la controparte del "controllo corrente" abbia appreso l'elettronica sui libri di Forrest Mims e non abbia mai visto un libro di fisica quantistica, stato solido o dispositivi a semiconduttore. Sembrano ignorare il significato del controllo della variabile quando la variabile si sceglie di impostare per attivare un controllo. Spero che la citazione di Eisberg & Resnick (due fisici "solidi" se mi permetti il gioco di parole) mostrerà loro che non è così.
Nota (1) Le curve del generatore ideale sono proprio queste: l'ideale. Prova a immaginare una transizione da un generatore di tensione ideale a un generatore di corrente ideale che passa attraverso generatori di tensione buoni, medi e scadenti, quindi generatori di corrente scadenti, medi e buoni.
È più utile pensarlo come una sorgente di corrente controllata in tensione quando si esegue l'analisi di piccoli segnali, ad esempio per un amplificatore, utilizzando la modalità pi ibrida l.
Nessuno dei due è particolarmente utile quando si valutano applicazioni di commutazione poiché la corrente di base sarà sufficientemente elevata da determinare la corrente del collettore dal circuito esterno e non dalle caratteristiche del transistor (il primo aiuta in qualche modo a garantire l'esistenza di una condizione).
Altre risposte hanno espresso opinioni sul fatto che il BJT sia controllato in tensione o in corrente o entrambi. Nella mia risposta, vorrei affrontare invece questo:
quando è ovvio che la modifica della tensione controlla la corrente attraverso il collettore?
Considera il seguente circuito alternativo:
simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab
Non è ovvio che
e
e quindi che la corrente di base controlla la corrente attraverso il collettore?
Quindi no , non è ovvio , con il tuo esempio, che il BJT sia controllato in tensione.
Allo stesso modo, si può confermare che si può controllare la corrente del collettore controllando la tensione dell'emettitore di base con una sorgente di tensione.
Indipendentemente da ciò, un paio di utenti hanno espresso fermamente la loro posizione secondo cui la corrente del collettore BJT è chiaramente controllata dalla tensione e che suggerire altrimenti è oltre il limite.
È passato un po 'di tempo da quando ho studiato fisica dello stato solido, quindi ho deciso di consultare la mia biblioteca di libri di testo EE. Il primo libro di testo che ho estratto dagli scaffali è " Solid State Electronic Devices ", 3a edizione.
Ecco una citazione estesa dalla sezione 7.2.2:
Ora sono quasi certo che coloro che sono fermamente nel campo di controllo della tensione lo interpreteranno come una conferma della loro posizione, così come quelli che sono fermamente nel campo di controllo della corrente. Quindi lo lascerò a quello. Lascia che l'abbaiare abbia inizio ...
Forse un esempio lo spiegherebbe meglio. Immagina di guidare un'auto e la sua velocità dipende dalla forza con cui spingo il gas e per quanto tempo. Ma non voglio ricevere multe, quindi rispetto sempre i limiti di velocità. Ora vieni e dici:
Perché dicono che le auto sono controllate dal pedale del gas, quando in realtà la loro velocità dipende da oggetti metallici piatti con numeri dipinti su di loro?
Quindi, ciò che dici è vero in questo caso particolare, ma ciò non cambia il fatto che alle auto non importa minimamente degli oggetti metallici piatti nei loro dintorni.
Se rendessi Vin una costante e R1 una variabile, diresti che i BJT sono dispositivi a resistenza controllata?
Nel tuo setup sembra che tu abbia il controllo di una tensione e osservi che è in grado di influenzare la corrente del collettore. È ragionevole usarlo come prova che la corrente di questo circuito è controllata in tensione, ma non è ragionevole dire che ciò significa che tutti i BJT sono controllati in tensione.
Devi fare una distinzione tra l'intero sistema e un componente nel sistema, anche quando è il componente più interessante o anche l'unico dall'aspetto interessante.
Penso che abbia senso chiamare una corrente BJT controllata quando la si confronta con il MOSFET.
Il MOSFET ha un gate e maggiore è la tensione sul gate (che non assorbe sostanzialmente corrente), maggiore è la conduttanza dalla sorgente drain->. Quindi, questo è un dispositivo controllato in tensione.
In alternativa,
Un BJT ha una base. Maggiore è la conduttanza dal collettore all'emettitore, maggiore è la corrente di base.
Come esempio pratico che evidenzia davvero la differenza:
Questa topologia di memoria è impossibile da implementare con BJT, poiché per la conduzione è necessaria una corrente di base costante. In un MOSFET, le cariche possono essere iniettate in un cancello isolato. Se vengono iniettati, rimarranno lì e manterranno il MOSFET sempre in funzione. Questa conduttanza (o la sua mancanza, se non sono state iniettate cariche) viene rilevata e utilizzata per leggere lo stato di bit memorizzato.
Fino ad ora, conto 10 risposte e molti commenti. E ancora ho imparato che la domanda se il BJT è controllato in tensione o corrente sembra essere una questione di religione. Temo che l'interrogatore (" Perché i libri di testo affermano che i BJT sono attualmente controllati ") sarà confuso a causa di così tante risposte diverse. Alcuni sono corretti e altri sono totalmente sbagliati. Pertanto, nell'interesse dell'interrogante, mi piace riassumere e chiarire la situazione.
1) Quello che non capirò mai è il seguente fenomeno: Non esiste una singola prova che la corrente del collettore Ic di un BJT sarebbe controllata / determinata dalla corrente di base Ib. Tuttavia, ci sono ancora alcuni ragazzi (anche ingegneri!) Che ripetono ancora e ancora che il BJT - a loro avviso - sarebbe controllato dalla corrente. Ma ripetono solo questa affermazione senza alcuna prova - nessuna sorpresa, perché non ci sono prove e nessuna verifica.
L'unica "giustificazione" è sempre la semplice relazione Ic = beta x Ib. Ma un'equazione del genere non può mai dirci nulla di causa ed effetto. Inoltre, dimenticano / ignorano il modo in cui questa equazione è stata originariamente derivata: Ic = alpha x Ie e Ie = Ic + Ib. Quindi, Ib è solo una (piccola) parte di Ie - nient'altro. (Barrie Gilbert: la corrente di base è solo un "difetto").
2) Al contrario, ci sono molti effetti osservabili e proprietà dei circuiti che mostrano chiaramente e dimostrano che il BJT è controllato in tensione. Penso che chiunque sappia come funziona un semplice diodo pn dovrebbe anche riconoscere cos'è una tensione di diffusione e come una TENSIONE esterna può ridurre l'effetto barriera di questa proprietà fondamentale della giunzione pn.
Dobbiamo applicare una TENSIONE corretta attraverso i terminali corrispondenti per consentire una corrente attraverso la zona di esaurimento. Questa tensione (risp. Il campo elettrico corrispondente) è l'unica quantità che fornisce la forza per il movimento del portatore carico, che chiamiamo corrente! C'è qualche ragione per cui la giunzione pn dell'emettitore di base dovrebbe comportarsi in modo completamente diverso (e NON reagisce sulla tensione)?
Su richiesta posso elencare almeno 10 effetti e proprietà del circuito che possono essere spiegati esclusivamente con il controllo della tensione. Perché queste osservazioni sono così spesso ignorate?
3) L'interrogante ha presentato un circuito che merita un ulteriore commento. Sappiamo che un opamp (indubbiamente pilotato in tensione) può essere cablato come un amplificatore in corrente in uscita (amplificatore di transresistenza). Ciò significa: dobbiamo sempre distinguere tra le proprietà dell'amplificatore "nudo" e un circuito completo con parti aggiuntive.
Nel caso di specie, vale a dire: Il BJT come parte autonoma è tensione-driven - tuttavia, visualizzando l'intero circuito (con un resistore R1) si può trattare la disposizione completo di circuito guidato corrente se R1 è molto più grande della resistenza di ingresso del percorso BE. In questo caso, abbiamo un partitore di tensione guidato dalla tensione Vin.
Implicitamente, due domande:
1. perché può essere considerato “controllato in corrente”, e
2. perché è conveniente considerare un BJT “controllato in corrente”.
Prima domanda. Matematicamente, il dispositivo impone due equazioni nello spazio dei parametri, che comprende due tensioni e due correnti (una può aggiungere temperatura, alcune cose relative al tempo per tenere conto degli effetti transitori, ma non cambierà il numero di equazioni). Il sistema può essere espresso in modo equivalente in diverse forme. Diversamente da un FET, in cui le modalità on / off non differiscono nella corrente di gate, in un BJT qualsiasi cambiamento di controllo comporta determinati spostamenti su entrambi i piani di tensione e corrente. Ogni piano rappresenta due gradi di libertà. Quindi, possiamo considerare due tensioni come variabili indipendenti o due correnti. O, diciamo, e , con altri parametri dipendenti da essi. Nessuna differenza.
Seconda domanda. Secondo il buon senso, è ragionevole considerare come controllo un parametro del genere i cui piccoli cambiamenti comportano grandi (ma prevedibili) cambiamenti nella modalità operativa. Inoltre, il controllo di un transistor avviene in gran parte o interamente nella regione attiva in avanti, utile per il suo guadagno. I parametri candidati più ovvi sono e , i cui piccoli cambiamenti (in avanti orientati B-E) comportano grandi cambiamenti nelle caratteristiche del collezionista. Ma effetti di sono fortemente non lineari, mentre (per fisso ) dipendono dalle correnti in un BJT quasi linearmente. È tutto.
La corrente del collettore è, per definizione / fisica, una funzione della corrente di base (e implicitamente la richiesta di corrente di carico). La formula di governo di un BJT è. Dove è il guadagno, è la corrente attraverso la giunzione BE, e è la corrente (massima) attraverso la giunzione CE.
La tensione di base (cioè la tensione misurata sul terminale di base rispetto a GND) è in realtà più o meno una costante (almeno in saturazione), come caratteristica di una caduta di tensione diretta del diodo.