Warum wird ein BJT als „stromgesteuert“ angesehen?

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Mit BJTs können wir den Basisstrom mit Vin steuern (aus dem Diagramm). Warum heißt es in Lehrbüchern, dass BJTs stromgesteuert sind, wenn es offensichtlich ist, dass eine Änderung der Spannung den Strom durch den Kollektor steuert?Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Raj
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Könntest du bitte das JPG als PNG posten und das Bild-Tool verwenden? Oder zeichnen Sie die Schaltung mit dem Schaltungsbearbeitungswerkzeug?
Spannungsspitze
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Um Ihr Leben zu verkomplizieren, wird ein BJT nicht stromgesteuert. Den vollständigen Satz vereinfachter Ebers-Moll-Modellgleichungen nur für Gleichstrom finden Sie hier (Injektion, Transport und nichtlinearer Hybrid-Pi): electronic.stackexchange.com/questions/252197/…
jonk
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Meine Güte ... in Schaltkreisen wie den in der Zeichnung dargestellten denkt niemand an Ebers-Moll- oder Hybrid-Pi-Modelle. Sie müssen so ziemlich AVLSI machen, um sich mit diesem Zeug zu befassen.
Vicatcu
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@Raj, entferne R1 und dann werden wir sehen, dass das Innere eines BJT tatsächlich von Vbe gesteuert wird. Dieser Entwurfsansatz gilt jedoch hauptsächlich für diskrete Diff-Amp-Designs (wie das Innere moderner DC-gekoppelter Audioverstärker). Stattdessen können wir die innere BJT-Physik ignorieren und so tun, als würde Ib Ic direkt bestimmen , obwohl dies wirklich nicht der Fall ist . Dies vermeidet auch, dass nichtlineare xfer-Funktionen, die durch Diodenübergänge erzeugt werden, behandelt werden müssen.
wbeaty

Antworten:

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In der obigen Schaltung steuert Vin den Strom, der zur Basis fließt, nicht den Spannungsabfall über der Basis und dem Emitter des Transistors selbst.

Der Spannungsabfall über Vbe beträgt für Vin> 0,7 immer etwa 0,7 V; Die Überspannung fällt über den R1 ab.

Indem Sie Vin ändern, steuern Sie tatsächlich den Strom, der zur Basis fließt, basierend auf der folgenden Gleichung:

ichB.=(V.ichn- -0,7V.)/.R.1
mmize
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4
Nitpick: Der Spannungsabfall über Vbe liegt immer bei dem, was im Datenblatt angegeben ist, was bei einigen BJTs bis zu 0,3 V betragen kann.
Dmitry Grigoryev
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Was wirklich passiert, ist Folgendes: R1 realisiert - zusammen mit dem Basis-Emitter-Pfad - einen Spannungsteiler. Und die Signalspannung Vin verursacht einen entsprechenden Spannungsabfall über den BE-Pfad, der den Kollektorstrom steuert. Daher ist es NICHT der Basisstrom Ib, der Ic bestimmt. Genau das Gegenteil ist der Fall: Ib und Ic werden beide von Vbe verursacht.
LvW
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Der erste Satz ist falsch und die am Ende angegebene Gleichung ist eine Näherung, die die logarithmische Abhängigkeit von von I B ignoriert . V B E = V T ln β I B.VBEIB Während es wahr ist, dass sichVBEnicht wesentlich ändert, ist es nicht wahr, dass sichVBEüberhaupt nicht ändert.
VBE=VTlnβIBIS
VBEVBE.
Alfred Centauri
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Ich bin mir nicht sicher, warum diese Antwort am besten bewertet wird. Es ist eine gute Schätzung, beantwortet aber nicht die Frage des OP, warum (oder warum nicht) es derzeit gesteuert wird.
efox29
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@lvw es heißt eine aktuelle Quelle, was mmize beschrieben hat. Der Strom ist fest. Es ist kein Spannungsteiler, da sich vbe nicht wirklich aufgrund einer Änderung von vin ändert, was die Definition eines Spannungsteilers ist.
Analog Arsonist
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Präambel

Beginnen wir mit einem kleinen Exkurs: Was macht einen Generator zu einem Stromgenerator anstelle eines Spannungsgenerators? Schauen Sie sich die VI-Eigenschaften an: Diejenige mit größtenteils konstanter Spannung (fast horizontal in der IV-Ebene) wird als Spannungsgenerator bezeichnet, diejenige mit größtenteils konstantem Strom (fast horizontal in der VI-Ebene) wird als Stromgenerator bezeichnet.

Modell eines Spannungsgenerators

Modell eines Stromgenerators

(Bilder von der Website der Electronics Tutorials)

Dies liegt daran, dass der „Akzent“ auf der konstanten Größe liegt (der gelieferten Spannung oder dem zugeführten Strom - während die andere Größe abhängig von der Last und der Nachgiebigkeit des Generators variabel ist). (Anmerkung 1)

In einem gesteuerten Gerät liegt der Akzent auf der variablen Menge. Angesichts der exponentiellen Eingangscharakteristik, die Vbe nahezu konstant lässt, ist dies der Strom, den Sie als Regelgröße sehen möchten. Dies ist eine direkte Folge der Ausbreitung von Fehlern: Wenn Sie eine steile Funktion haben, wird ein kleiner Fehler in der nahezu konstanten Größe x zu einem viel größeren Fehler in der stark variierenden Größe q (und umgekehrt).

Fehlerausbreitung mit steiler Funktion

Bild aus "Eine Einführung in die Fehleranalyse", Taylor und verzerrt, um den Zweck zu erfüllen

Die Quintessenz ist, dass es einfacher ist, zwischen 10 und 40 uA (Verhältnis 1 zu 4) zu unterscheiden, als 0,65 und 0,67 V (Verhältnis 1 zu 1,03) zu trennen. (Hinweis für weniger flexible Köpfe: Wie die extremeren Werte, die ich vor dieser Bearbeitung verwendet habe, sind dies Werte, die den Kontrast zwischen einer erkennbaren Änderung dessen darstellen sollen, was Sie als Steuervariable sehen möchten - dem Strom, der in die Basis eintritt. und die schwache Änderung der Spannung zwischen Basis und Emitter).

Das Einfachste

Sie können sehen, warum dies als Stromregelung bezeichnet wird, indem Sie es an die Grenzen treiben, indem Sie das einfachste Modell für einen BJT verwenden, wie Chua, Desoer und Kuh in ihren "linearen und nichtlinearen Schaltungen" gezeigt haben: In den folgenden Bildern sind alle Dioden ideal ( Die Schwellenspannung ist Null, ebenso wie der Serienwiderstand (dies sind perfekt offene Stromkreise bei Sperrvorspannung und perfekte Kurzschlüsse bei Vorwärtsvorspannung).

einfachstes stückweise lineares Modell für den BJT

E0 fügt der Eingangskennlinie eine Schwellenspannung hinzu, während die Transistorwirkung durch ic = beta * ib ausgedrückt wird. Beachten Sie den stromgesteuerten Stromgenerator. Hier sind die entsprechenden Eingabe- und Ausgabeeigenschaften

einfachste stückweise lineare Eigenschaften für den BJT

Ziemlich einfach, oder? Sie können sie jedoch mit den tatsächlichen Merkmalen vergleichen und feststellen, dass sie ihnen ähneln. So einfach es ist, dies ist ein legitimes Modell und kann zum Modellieren von Schaltkreisen verwendet werden, bei denen Sie durch Ändern von ib (Sie können Vbe in diesem Modell nicht ändern, da es fest ist) den Wert von Ic ändern. Sie können sehen, wie Sie ib ändern können, indem Sie die Eingangskennlinie mit der Eingangslastlinie schneiden

Lastleitung im Eingangsstromkreis

Durch Ändern von E1 (nicht Teil des BJT) ändern Sie ib (Teil des BJT). Dann können Sie den Wert von ic finden, der diesem Wert von ib entspricht, die entsprechende Ausgangskennlinie auswählen und die Spannung durch Schnittpunkt mit der Ausgangslastlinie ermitteln.

Lastleitung im Ausgangsstromkreis

Jemand wird auf seinen Sitz springen und schreien: " WAS? Sie verwenden Beta, um einen Verstärker zu entwickeln, der für unternehmenskritische Nuklearanwendungen in die weltweite Produktion gebracht werden soll. Woher kommt Ihrer Meinung nach Beta? Außerdem kennen Sie diese Beta nicht kann sich um bis zu neunzig Milliarden Prozent ändern, wenn man es nur betrachtet? "

Der Punkt ist, dass Sie für einen bestimmten Transistor einen vernünftig definierten Beta-Wert haben (Sie können ihn vorher messen, es spielt also keine Rolle, ob das Produktionslos eine beschämende Streuung aufweist) und wenn Sie nicht zu weit wandern, können Sie ihn vernünftigerweise ignorieren seine Variation mit den anderen elektrischen Parametern. Beachten Sie, dass dies ein vereinfachtes Modell ist, das keine Beta-Variationen mit Temperatur, Strom oder sogar Haarfarbe modelliert. Es ist ein vereinfachtes Modell, das den Kern der Transistor-Action auf den Punkt bringt, ähnlich wie der manchmal verleumdete "Transistor-Mann" von The Art of Electronics.

Können Sie die Grenzfrequenz des Transistors aus diesem Modell ermitteln? Nee. Können Sie den frühen Effekt mit diesem Modell erklären? Nee. Können Sie den Differenzwiderstand der BE-Verbindung mit diesem Modell erklären? Nee. Können Sie die Produktion von Ladungspaaren aufgrund von Strahlung erklären? Nee. Können Sie die Quantisierung des zweiten Feldes und die Biegung der Raumzeit erklären? Nee.

Bedeutet dies, dass dieses Modell völlig unbrauchbar ist? Nee. Das extrem vereinfachte Verhalten dieses Modells zeigt, warum in vielen Lehrbüchern angegeben wird, dass BJTs stromgesteuert sind. Die tatsächlichen Eingabekennlinien ähneln der vertikalen Linie, bei der Sie nur ib und nicht vbe variieren können, deren Wert als fest angesehen wird. (Und deshalb habe ich diesen Exkurs am Anfang dieser Antwort gemacht).

Vielleicht möchten Sie das einfachste Modell für einen Mosfet vergleichen: Seite 151 von Chua hat auch dieses.

einfachste MOSFET-Eigenschaften

Wie Sie sehen können, ist der Gate-Strom fest (auf Null, um pedantisch zu sein), eine Bedingung, die doppelt so hoch ist wie die im BJT gezeigte: Die VI-Eingangskennlinie ist horizontal. Die einzige Kontrolle, die Sie hier haben, ist mittels vgs. Bedeutet dies, dass wir die Existenz des Tunneleffekts negieren? Nein, das ist nur ein Modell. Ein vereinfachtes Modell, das unter anderem das Tunneln nicht berücksichtigt, aber dennoch zeigt, warum Sie in einem MOSFET auf die Gate-Source-Spannung einwirken.

Bisher haben wir gesehen, wie die (vereinfachte) Beziehung zwischen ib und ic als Kontrolle von ic mittels ib durch Beta angesehen werden kann. Wir können aber auch Alpha verwenden, warum nicht? Lassen Sie mich wörtlich ein weiteres Lehrbuch zitieren, das BJTs stromgesteuerte Geräte betrachtet: "Quantenphysik von Atomen, Molekülen, Festkörpern, Kernen und Teilchen 2e" von Eisberg und Resnick, p. 474 (auf Seite 475 wird eine allgemeine Basiskonfiguration angezeigt):

Die Grundidee der Transistorwirkung besteht darin, dass ein Strom in der Emitterschaltung einen Strom in der Kollektorschaltung steuert. Mehr als 90% des Stroms durch den Emitter, so dass die Ströme von ähnlicher Größe sind. Die Spannung über dem Basis-Kollektor kann jedoch sehr viel größer sein als die über der Emitter-Basis-Verbindung, da erstere in Sperrrichtung vorgespannt ist, so dass die Ausgangsleistung in der Kollektorschaltung sehr viel größer sein kann als die Leistungsaufnahme in der Emitterschaltung . Daher wirkt der Transistor als Leistungsverstärker.

Sind sich diese beiden Herren der Rolle der Quantenmechanik in der Bandentheorie der Festkörper nicht bewusst? Haben sie nicht von Quantenstatistiken gehört? Wissen sie überhaupt, was ein Loch ist (ganz zu schweigen vom Tempco)? Könnten sie vergessen haben, dass das Anlegen von Spannungen die Energieniveauprofile verändern könnte, die Valenz- und Leitungsbändern zugeschrieben werden? Das glaube ich nicht. Sie wählten einfach ein einfacheres Modell, um zu erklären, wie man die sogenannte Transistorwirkung interpretieren kann.

Der Künstler Bruno Munari hat einmal gesagt: " Komplizieren ist einfach, Vereinfachen ist kompliziert. ... Jeder kann komplizieren. Nur wenige können vereinfachen. " Unter anderem entschieden sich Chua, Desoer, Kuh, Eisberg und Resnick für eine Vereinfachung.

Wer spielt zuerst in der Basis?

Nun zurück zu (fast) echten Transistoren. Dies ist das erste vbe-Zeichen, das ich nach einer Google-Bildsuche gefunden habe :

vbe-ib Eigenschaften

Keine Ahnung, ob es echt ist, aber es sieht plausibel aus. Die Sache, die hier zu beachten ist, ist, dass, wenn sich ib stark ändert, um 100 Prozent, vbe sich um relativ kleine Beträge ändert, nur eine Handvoll Prozent. Dies liegt an der exponentiellen Beziehung des BE-Übergangs. Angenommen, Sie möchten diesen BJT verwenden, um an ungeraden Tagen 10 mA und an geraden Tagen 15 mA zu erzeugen. Sie haben ein deutsches Labor, das das Beta des jeweiligen Transistors in Ihrer Hand misst, und es hat sich über den interessierenden Bereich als 250 herausgestellt. Angenommen, Sie haben einen Strom- und Spannungsgenerator mit einer Genauigkeit von 10%.

Aktuelle Steuerung : Sie können ic = beta ib verwenden, um den Wert von ib zu ermitteln, den Sie festlegen müssen. Die Nennwerte von 10 und 15 mA von ic erfordern Nennwerte von 40 e 60 uA für ib. Angesichts der Genauigkeit Ihres Stromgenerators erwarten Sie die folgenden Strombereiche in Ein- und Ausgabe:

ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA

Spannungsregelung : Sie glauben nicht an Beta, daher müssen Sie eine Spannung angeben, die eine vbe von ... Ja, von was erzeugt? Lesen Sie es in der obigen Grafik (aber dann müssen Sie die schreckliche Beziehung ic = beta ib akzeptieren). Ich denke, Sie müssen das Ebers-Moll-Modell verwenden, um die Werte auf die gewünschten Werte für ic zu berechnen. Nehmen wir an, wir haben festgestellt, dass es genau 0,65 und 0,67 V sind (genau wie ich oben einen genauen Wert für Beta verwendet habe). Wenn wir versuchen, diese genauen Werte einzustellen, liefert unser in China gefertigter 10% genauer Generator die folgenden Spannungsbereiche

0,585 - 0,715 V -> zurück zu Ebers-Moll, um ic zu berechnen, ... schade, dass die Unsicherheit potenziert wird ...

0,603 - 0,737 V -> nein, warten Sie, bevor Sie rechnen ...

... es scheint, dass wir in den von uns gelieferten Spannungsbereichen bereits eine Überlagerung haben: Wir sind möglicherweise nicht in der Lage, gerade Tage von ungeraden zu unterscheiden.

Ich denke, es ist besser, auf die Strombasis zurückzugreifen, um den Kollektorstrom zu steuern.

Selbst wenn ich mit der Stromregelung einen 10% igen Fehler beim gemessenen Beta-Wert zulasse, kann ich die beiden Strombereiche (8,10-12,10 mA gegenüber 12,15-18,15 mA) (ungerade und) immer noch (kaum, aber immer noch) erkennen gerade Tage.

Wenn Sie bei der Spannungsregelung einen 10% igen Fehler zum berechneten (oder aus dem Diagramm abgelesenen) Spannungswert hinzufügen (und ich bin großzügig, da dieser Fehler verstärkt wird), sind Sie bereits in der Unsicherheit verloren. Dies ist die grundlegende Fehlerausbreitungstheorie.

Pause

Dieser Beitrag braucht Zeit, ich werde einen anderen zurückkommen, um etwas mehr hinzuzufügen. Lassen Sie mich nur auf die Frage des Religionskrieges eingehen, den Sie vielleicht gesehen haben. Worum geht es?

Transistoren sind Festkörpervorrichtungen, deren innere Funktionsweise unter Verwendung der Gesetze der Quantenphysik erklärt werden muss. Angesichts der Bandstruktur der Energieniveaus elektrischer Ladungsträger in Festkörpern ist es natürlich, auf Energieniveaus zurückzugreifen, um das Innenleben dieser Geräte darzustellen. Energie und Potential sind eng miteinander verbunden, so dass die meisten Modelle dazu neigen, relevante Größen in Abhängigkeit von Potentialen (Differenzen) auszudrücken. Der Grund, warum ich geschrieben habe

Hinweis: Die im Ebers-Moll-Modell gezeigte Abhängigkeit von Vbe impliziert keine Ursache-Wirkungs-Beziehung. Es ist einfach einfacher, die Gleichungen auf diese Weise zu schreiben. Niemand verbietet Ihnen die Verwendung von Umkehrfunktionen.

ist, dass Spannung und Strom auch eng miteinander verbunden sind: Sie sind gekoppelte Größen der Aufwands-Fluss-Art, so dass man im Grunde keine ohne die andere haben kann. Es ist jedoch eine heikle Angelegenheit, und ich denke, man sollte auch überlegen, was es bedeutet, eine Spannungsdifferenz zu erzeugen. Wird es nicht durch Verdrängung von Ladungen erzeugt (durch elektrochemische Reaktion in einer Batterie, durch elektromagnetische Wechselwirkung in einem mechanischen Generator)? Ich vermute, dass am Ende alle Geräte grundsätzlich ladungsgesteuert sind: Sie verschieben Ladungen von hier nach dort und erzielen einen bestimmten Effekt.

Ich vermute, dass die Kreuzfahrer der "Spannungsregelung" davon ausgehen, dass das Gegenstück der "Stromregelung" Elektronik in Forrest Mims Büchern gelernt hat und noch nie ein Buch über Quantenphysik, Festkörper oder Halbleiterbauelemente gesehen hat. Sie scheinen die Bedeutung der Steuervariablen als die Variable zu ignorieren, die man zum Betätigen einer Steuerung wählt. Ich hoffe, das Zitat von Eisberg & Resnick (zwei "solide" Physiker, wenn Sie mir das Wortspiel erlauben) wird ihnen zeigen, dass dies nicht der Fall ist.


Anmerkung (1) Die idealen Generatorkurven sind genau das: ideal. Versuchen Sie sich einen Übergang von einem idealen Spannungsgenerator zu einem idealen Stromgenerator vorzustellen, der durch gute, durchschnittliche und miese Spannungsgeneratoren und dann durch miese, durchschnittliche und gute Stromgeneratoren verläuft.

Sredni Vashtar
quelle
In Ihrer Notiz ist der erste Satz einfach falsch! Das Ebers-Moll-Modell "impliziert" nichts, sondern ist tatsächlich eine Ursache-Wirkungs-Beziehung. Bitte konsultieren Sie das Patentdokument von W. Shockleys. Sie haben Recht, Sie können immer inverse Funktionen erstellen (auf Papier) - na und? Denken Sie, Sie können Ursache und Wirkung auf Papier austauschen? Übrigens: Haben Sie jemals Transistorstufen entworfen (weil Sie einige lustige Vbe-Spannungen erwähnen)? Kennen Sie die Emitterdegeneration (stromgesteuertes SPANNUNGS-Feedback)?
LvW
3
Ich habe diese Werte zusammengestellt, um den Unterschied zwischen dem Versuch, veeeeeery veeeeeeery close-Werte von Vbe festzulegen, und erkennbaren Werten von Ib zu veranschaulichen (ich habe auch im Bearbeitungskommentar hinzugefügt, dass ich diese Werte extremer machen wollte). Ich wollte keine Zeit damit verschwenden, plausible Werte zu finden, aber später werde ich für diejenigen, die nicht genug geistige Flexibilität haben, ein oder zwei Bilder hinzufügen. Wie ich oben geschrieben habe: Versuchen Sie, den BJT zu steuern, indem Sie Rb entfernen und Vbe mit einer reinen Spannung versorgen. Viel Glück. (Oh, übrigens: Das vereinfachte Modell kann auch nicht zur Erklärung der frühen Spannung verwendet werden.)
Sredni Vashtar
Anscheinend haben Sie meine Erwähnung der Emitterdegeneration übersehen. Habe ich darüber gesprochen, die Basis mit einer "reinen Spannung" zu versorgen? Sie sollten versuchen, fair zu sein. Wie Sie den frühen Effekt erwähnt haben. Ist Ihnen bewusst, dass die Erklärung dieses Effekts die Spannungsregelung beweist? Haben Sie jemals von der Tempco -2mV / K gehört? Haben Sie jemals über die Bedeutung dieses Wertes nachgedacht?
LvW
1
Ich mag diesen Kommentar: Die im Ebers-Moll-Modell gezeigte Abhängigkeit von Vbe impliziert keine Ursache-Wirkungs-Beziehung. Es ist einfach einfacher, die Gleichungen auf diese Weise zu schreiben. Niemand verbietet Ihnen die Verwendung von inversen Funktionen
jbord39
2
@LvW was du getan hast, heißt technisch "mutatioroversiae". Es ist eine bekannte Technik. Ich schlage vor, dass Sie meinen Beitrag mit mehr Aufmerksamkeit erneut lesen, insbesondere das Zitat von Munari. Übrigens, in Bezug auf die Schaltung in der Frage (nicht eine andere, die in der Frage) haben Sie immer noch nicht gesagt, welche Werte von vbe Sie einstellen würden, um 10 e 15 mA Kollektorstrom zu erzeugen (und wie planen Sie, sie einzustellen ). Warum ist das so?
Sredni Vashtar
5

ichC.=βichB.

Es ist sinnvoller, es als spannungsgesteuerte Stromquelle zu betrachten, wenn Sie eine Kleinsignalanalyse durchführen, z. B. für einen Verstärker, der den Hybrid-Pi-Modus 1 verwendet .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Beides ist nicht besonders nützlich, wenn Sie Schaltanwendungen bewerten, da der Basisstrom hoch genug ist, dass der Kollektorstrom durch die externe Schaltung und nicht durch die Transistoreigenschaften bestimmt wird (die erste hilft etwas dabei, sicherzustellen, dass ein Zustand vorliegt).

Spehro Pefhany
quelle
Spehro Pefhany zu Ihrem ersten Satz: Ich denke, für die Bestimmung des Bias-Punkts dürfen wir uns nicht "allgemein" vorstellen, dass der BJT stromgesteuert wäre. Das klassische Vorspannungsverfahren unter Verwendung eines Spannungsteilers am Basisknoten basiert sicherlich auf der Spannungssteuerungsansicht.
LvW
β
1
Art of Electronics II geht ausführlich auf dieses Thema ein und gibt Beispiele für Designfehler, die durch das "hfe-think" verursacht werden, das in den meisten anderen Texten gelehrt wird. Das Hauptproblem ist die Variabilität von hfe zwischen Transistoren und über einen großen Temperaturbereich. Sich auf hfe zu verlassen ist in Ordnung für einmalige Hobby-Designs, die bei 20 ° C bleiben. Aber in einem Massenprodukt mit einem Transistor hfe zwischen 80-300 und einem Kfz-Temperaturbereich scheitern die meisten, es sei denn, hfe-Effekte können entfernt werden (entfernt mit der spannungsbasierten Designphilosophie, die für Innereien von Operationsverstärkern üblich ist)
wbeaty
@wbeaty: Was ist mit dem BJT-Physikkreuzzug los? Das OP fragte, warum es als stromgesteuertes Gerät betrachtet wird, nicht als stromgesteuertes Gerät. In der Antwort wird außerdem erwähnt, dass dies für die Analyse großer Signale gilt.
jbord39
@wbeaty Es ist nicht ungewöhnlich, den Beta-Bin in der Serienproduktion genauer anzugeben. Zum Beispiel hat C1815Y (war in japanischen Designs sehr beliebt) eine Reichweite von 120-240.
Spehro Pefhany
4

V.B.E.

Kaz
quelle
1
Es ist eine so nützliche Annäherung, dass jedes BJT-Datenblatt, das Sie sich jemals ansehen werden, die Beta charakterisiert.
Vicatcu
1
Ja - Beta ist angegeben. Na und ? Leiten Sie aus dieser Tatsache wirklich ab, dass der BJT durch den Basisstrom gesteuert wird? Oder haben Sie andere Argumente? Ich bezweifle.
LvW
2
@vicatcu Geräte können auf verschiedene Arten charakterisiert werden, einschließlich fiktiver Parameter oder Funktionen anderer primärer Parameter.
Kaz
7
@Kaz: Ich denke, es ist falsch zu sagen, dass ein BJT nicht stromgesteuert ist, nur weil der Basisstrom als Funktion der Basis-Emitter-Spannung ausgedrückt werden kann. Eigentlich ist es ist Strom , weil physikalisch die Basisstrom Angelegenheiten geregelt. Ansonsten könnte man auch sagen, dass ein BJT temperaturgesteuert statt stromgesteuert ist ...
Curd
1
> ... wird Beta charakterisieren. Ja, sie garantieren, dass der Wert für hfe irgendwo zwischen 80 und 300 liegt!
wbeaty
4

Andere Antworten haben Meinungen darüber geäußert, ob der BJT spannungsgesteuert oder stromgesteuert ist oder beides. In meiner Antwort möchte ich stattdessen Folgendes ansprechen:

Wann ist es offensichtlich, dass das Ändern der Spannung den Strom durch den Kollektor steuert?

Betrachten Sie die folgende alternative Schaltung:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Ist das nicht offensichtlich ?

ichC.=βD.C.ichB.

und

ichc=βeincichb

und somit, dass der Basisstrom den Strom durch den Kollektor steuert?

ichB.V.B.E.V.B.E.ichB.

Also nein , es ist nicht klar , durch Ihr Beispiel, dass der BJT ist Spannung gesteuert.


vB.E.ichB.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

In ähnlicher Weise kann man bestätigen, dass man den Kollektorstrom steuern kann , indem man die Basis-Emitter-Spannung mit einer Spannungsquelle steuert .

Unabhängig davon haben einige Benutzer nachdrücklich ihre Position zum Ausdruck gebracht, dass der BJT-Kollektorstrom eindeutig spannungsgesteuert ist und dass es nicht blass ist, etwas anderes vorzuschlagen.

Es ist schon eine Weile her, dass ich Festkörperphysik studiert habe, also habe ich beschlossen, meine Bibliothek mit EE-Lehrbüchern zu konsultieren. Das erste Lehrbuch, das ich aus dem Regal gezogen habe, ist " Solid State Electronic Devices ", 3. Aufl.

Hier ist ein ausführliches Zitat aus Abschnitt 7.2.2:

ichC.ichB.

ichC.ichE.ichB.ichC.

ichB.

τtW.bL.pτp

τpτpτtτpτt

ichC.ichB.=β=τpτt

γ=1

(ichB.)ichB.

Jetzt bin ich mir fast sicher, dass diejenigen, die fest im Spannungskontrolllager sind, dies als Bestätigung ihrer Position interpretieren werden, ebenso wie diejenigen, die fest im Stromkontrolllager sind. Also werde ich es einfach dabei belassen. Lass das Bellen beginnen ...

Alfred Centauri
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1
Sie verwechseln die "überlegene Denkweise für ein korrektes analoges Design unter Berücksichtigung von Prozessvariationen" mit "vernünftigen Denkweisen"
jbord39
3

V.ichnichB.ichB.=V.ichn/.R.1ichC.=βichB.

V.ichnichC.R.1R.1V.ichn

Vielleicht würde ein Beispiel es besser erklären. Stellen Sie sich vor, ich fahre ein Auto und seine Geschwindigkeit hängt davon ab, wie stark und wie lange ich Gas gebe. Aber ich möchte keine Geldstrafen bekommen, deshalb respektiere ich immer Geschwindigkeitsbegrenzungen. Jetzt kommst du und sagst:

Warum sagen sie, dass Autos durch ein Gaspedal gesteuert werden, obwohl ihre Geschwindigkeit in Wirklichkeit von flachen Metallgegenständen abhängt, auf denen Zahlen gemalt sind?

Was Sie sagen, ist in diesem speziellen Fall wahr, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass Autos sich nicht im geringsten um flache Metallgegenstände in ihrer Umgebung kümmern.

Dmitry Grigoryev
quelle
Raj
Der Spannungsabfall an der Basis beträgt typischerweise 0,6
0,7
2
R1 liegt außerhalb des BJT, sage ich.
Dmitry Grigoryev
@vicatcu Ich würde sagen, es ist normalerweise 0,3-0,7 V, und ja, das nenne ich der Einfachheit halber klein .
Dmitry Grigoryev
1
@horta Ich habe versucht, mein Angebot internationaler zu gestalten.
Dmitry Grigoryev
2

Wenn Sie Vin zu einer Konstanten und R1 zu einer Variablen machen würden, würden Sie sagen, dass BJTs widerstandsgesteuerte Geräte sind?

In Ihrem Setup scheinen Sie die Kontrolle über eine Spannung zu haben und beobachten, dass sie den Kollektorstrom beeinflussen kann. Es ist vernünftig, dies als Beweis dafür zu verwenden, dass der Strom dieser Schaltung spannungsgesteuert ist, aber es ist nicht vernünftig zu sagen, dass dies bedeutet, dass alle BJTs spannungsgesteuert sind.

Sie müssen zwischen dem gesamten System und einer Komponente im System unterscheiden, selbst wenn es sich um die interessanteste oder sogar die einzig interessant aussehende Komponente handelt.


quelle
1
In Bezug auf das Steuerungsproblem ist es wichtig, zwischen (1) dem "nackten" Transistor (spannungsgesteuerte Transkonduktanzvorrichtung) und (2) einer Arbeitsschaltung zu unterscheiden, die aus dem BJT und den umgebenden Widerständen besteht. Eine solche Schaltung kann (kann, aber nicht unbedingt) als stromgesteuert angesehen werden. Dies ist der Fall, wenn im obigen Beispiel der Vorwiderstand R1 im Vergleich zum Eingangswiderstand des Transistors am Basisknoten sehr groß ist.
LvW
2

Ich denke, es ist sinnvoll, einen BJT-Strom als geregelt zu bezeichnen, wenn man ihn mit dem MOSFET vergleicht.

Der MOSFET hat ein Gate, und je höher die Spannung am Gate ist (die im Wesentlichen keinen Strom zieht), desto höher ist die Leitfähigkeit von Drain-> Source. Dies ist also ein spannungsgesteuertes Gerät.

Alternative,

Ein BJT hat eine Basis. Je höher die Leitfähigkeit vom Kollektor zum Emitter ist, desto höher ist der Basisstrom.

Als praktisches Beispiel, das den Unterschied wirklich hervorhebt:

  • Flash-Speicher

Diese Speichertopologie kann mit BJTs nicht implementiert werden, da für die Leitung ein konstanter Basisstrom erforderlich ist. In einem MOSFET können Ladungen in ein isoliertes Gate injiziert werden. Wenn sie injiziert werden, bleiben sie dort und halten den MOSFET die ganze Zeit leitend. Diese Leitfähigkeit (oder deren Fehlen, wenn keine Ladungen injiziert wurden) wird erfasst und zum Lesen des gespeicherten Bitzustands verwendet.

jbord39
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Entschuldigung - dies ist keine korrekte Beschreibung des Arbeitsprinzips des BJT. Haben Sie jemals von Shockleys Exponentialgleichung Ic = f (Vbe) gehört? Wissen Sie, dass die Transkonduktanz gm = d (Ic) / d (Vbe) der Schlüsselparameter für den Verstärkungsprozess ist? Wissen Sie, dass zwei verschiedene Transistoren mit unterschiedlichen Beta-Werten (100 und 200) die gleiche Spannungsverstärkung liefern (identischer Ruhestrom Ic)?
LvW
@LvW Ich denke, der Punkt, den jbord39 macht, ist, dass man ohne Strom keine Spannung haben kann und umgekehrt. Daher kann nach strengster Definition nichts wirklich ein strom- oder spannungsgesteuertes Gerät sein (allein). Deshalb versucht er / sie, die Frage zu beantworten, warum Lehrbücher sich überhaupt die Mühe machen, die Unterscheidung zu treffen. Der Ausgang eines BJT hängt im Gegensatz zu einem MOSFET stark vom Eingangsstrom ab. Ich gehe davon aus, dass in Lehrbüchern angegeben ist, dass bestimmte Geräte strom- oder spannungsgesteuert sind (obwohl dies in Wirklichkeit nie wirklich der Fall ist).
Horta
horta, es ist einfach nicht wahr, dass der Ausgang des BJT "sehr stark vom Eingangsstrom abhängig ist". Jedes zuverlässige (!!!) Buch und jede Homepage führender US-Universitäten kann Ihnen das Gegenteil sagen. Niemand bestreitet, dass ein Basisstrom existiert, aber er kann einfach als "Belästigung oder Defekt" angesehen werden (wie vom bekannten BJT-Spezialisten Barrie Gilbert erwähnt).
LvW
@LvW: Darüber hinaus lautet seine Frage nicht "Wird ein BJT stromgesteuert", sondern " Warum wird ein BJT als stromgesteuert betrachtet".
jbord39
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@LvW electronic.stackexchange.com/questions/201533/… Da Spannung und Strom in Geräten nicht ohne einander existieren, kann man nicht sagen, dass der BJT wirklich ein spannungsgesteuertes Gerät ist. Sogar das Ebers-Moll-Modell ist nichts anderes als ein Modell (eine Annäherung, mit der Menschen unordentliche Details der realen Welt abstrahieren).
Horta
1

Bisher zähle ich 10 Antworten und viele Kommentare. Und wieder habe ich gelernt, dass die Frage, ob der BJT spannungs- oder stromgesteuert ist, eine Frage der Religion zu sein scheint. Ich fürchte, der Fragesteller („ Warum geben Lehrbücher an, dass BJTs derzeit kontrolliert werden “) wird aufgrund so vieler unterschiedlicher Antworten verwirrt sein. Einige sind richtig und andere völlig falsch. Daher möchte ich im Interesse des Fragestellers die Situation zusammenfassen und klären.

1) Was ich nie verstehen werde, ist das folgende Phänomen: Es gibt keinen einzigen Beweis dafür, dass der Kollektorstrom Ic eines BJT durch den Basisstrom Ib gesteuert / bestimmt würde. Trotzdem gibt es immer noch einige Leute (sogar Ingenieure!), Die immer wieder wiederholen, dass der BJT - ihrer Ansicht nach - stromgesteuert wäre. Aber sie wiederholen diese Behauptung nur ohne Beweise - keine Überraschung, denn es gibt keinen Beweis und keine Überprüfung.

Die einzige „Rechtfertigung“ ist immer die einfache Beziehung Ic = beta x Ib. Aber eine solche Gleichung kann uns niemals etwas über Ursache und Wirkung sagen. Darüber hinaus vergessen / ignorieren sie, wie diese Gleichung ursprünglich abgeleitet wurde: Ic = alpha x Ie und Ie = Ic + Ib. Daher ist Ib nur ein (kleiner) Teil von Ie - sonst nichts. (Barrie Gilbert: Der Basisstrom ist nur ein "Defekt").

2) Im Gegensatz dazu gibt es viele beobachtbare Effekte und Schaltungseigenschaften, die deutlich zeigen und beweisen, dass der BJT spannungsgesteuert ist. Ich denke, jeder, der weiß, wie eine einfache pn-Diode funktioniert, sollte auch erkennen, was eine Diffusionsspannung ist und wie eine externe SPANNUNG den Barriereeffekt dieser grundlegenden Eigenschaft des pn-Übergangs verringern kann.

Wir müssen eine geeignete SPANNUNG an die entsprechenden Klemmen anlegen, um einen Strom durch die Verarmungszone zu lassen. Diese Spannung (bzw. das entsprechende elektrische Feld) ist die einzige Größe, die die Kraft für die Bewegung des geladenen Trägers liefert, die wir Strom nennen! Gibt es einen Grund, warum sich der Basis-Emitter-pn-Übergang völlig anders verhalten sollte (und NICHT auf die Spannung reagiert)?

Auf Anfrage kann ich mindestens 10 Effekte und Schaltungseigenschaften auflisten, die nur mit Spannungsregelung erklärt werden können. Warum werden diese Beobachtungen so oft ignoriert?

3) Der Fragesteller hat eine Schaltung vorgelegt, die einen zusätzlichen Kommentar verdient. Wir wissen, dass ein Operationsverstärker (zweifellos spannungsgesteuert) als Strom-Ein-Spannungs-Aus-Verstärker (Transwiderstandsverstärker) verdrahtet werden kann. Das heißt: Wir müssen immer zwischen den Eigenschaften der „nackten“ Verstärkereinheit und einer kompletten Schaltung mit zusätzlichen Teilen unterscheiden.

Für den vorliegenden Fall bedeutet dies: Der BJT als eigenständiger Teil ist spannungsgesteuert. Wenn wir jedoch die gesamte Schaltung (mit einem Widerstand R1) betrachten, können wir die vollständige Anordnung als stromgesteuerte Schaltung behandeln, wenn R1 viel größer als der ist Eingangswiderstand des BE-Pfades. In diesem Fall haben wir einen Spannungsteiler, der von der Spannung Vin angetrieben wird.

LvW
quelle
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Natürlich ist es keine Religion, stattdessen sind es Physik / Ingenieure im Vergleich zu den falschen Überzeugungen, die in der Grundschule gelehrt werden. Wir sollten diese einfachen Modelle aufgeben, wenn wir höhere Stufen erreichen (Undergrad EE). Diff-Verstärker können nicht durch hfe-basierte Modelle erklärt werden. Weder können aktuelle Spiegel. Weder können Verstärker kaskodieren. WICHTIG: Wenn Sie glauben, dass ib Ic steuert, werden moderne Audioverstärker für Sie für immer hinter einer Barriere der Verwirrung und Unwissenheit stehen, da DC-gekoppelte Audio-Schaltkreise spannungsbasierte BJT-Designs verwenden, bei denen hfe irrelevant ist. Ähnliche Situation: Schauen Sie sich das Innere von TL071 usw. an
wbeaty
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@wbeaty: Was lächerlich ist, ist, dass ich sowohl LvW als auch Ihnen zustimme, wie BJT funktioniert. Dennoch kann ich immer noch verstehen, dass der BJT Strom benötigt, um zu funktionieren. Außerdem denke ich, dass die VI-Dichotomie in diesem Fall nur eine Dualität ist, wie das natürliche Protokoll der Shockley-Dioden-Gleichung zeigt. Aber ich denke, zwei leicht gegensätzliche Gedanken sind zu viel für Ihren Kopf (mit all dieser Theorie !!)
jbord39
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Ich vermute, dass ein Großteil der Debatte hier davon abhängt, was man unter Kontrolle versteht . Da eine einfache Simulation SPICE wird bestätigen , dass man steuern , um den Kollektorstrom durch Steuern des Basisstroms, die Aussage „wird Kollektorstrom durch Basisstrom gesteuert“ ist in diesem Sinne unbestreitbar wahr. Wenn man, wie LvW und wbeaty scheinen, darauf besteht, dass eine solche Aussage in irgendeiner Weise falsch ist , werde ich einfach darauf hinweisen: i.stack.imgur.com/LqFx1.png
Alfred Centauri
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@LvW, ich bin enttäuscht, aber nicht ganz überrascht über Ihre sehr schwache Reaktion.
Alfred Centauri
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@LvW: dann bist du nicht mehr zu überlegen. Das Modell, mit dem Sie Ihre Seele geheiratet haben, ist genau das: ein Modell. Immer komplexere Modelle entstehen, wenn wir weitere, tiefere Wechselwirkungen realisieren. Die Shockley-Dioden-Gleichung basiert auf einer anderen empirischen Exponentialformel, nämlich der Arrhenius-Gleichung. Dies berücksichtigt nicht die Mikroebene der Quantenmechanik, liefert jedoch sehr vorhersehbare Ergebnisse (Statistiken). Leider ist es nur ein Modell. Die Physiker können sich nicht einmal darauf einigen, ob Energie auf einem Feld gespeichert ist. Sie behaupten, ein vollständiges Verständnis der pn-Verbindung zu haben, ist ziemlich lächerlich.
jbord39
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Implizit zwei Fragen:
1. Warum kann es als „stromgesteuert“ betrachtet werden und
2. Warum ist es zweckmäßig , ein BJT als „stromgesteuert“ zu betrachten.

V.B.C.ichE.

V.B.E.ichB.V.B.E.V.B.C.V.E.C.ichB.fast linear. Das ist alles.

Incnis Mrsi
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-1

ichC.=βichB.βichB.ichC.

Die Basisspannung (dh die am Basisanschluss in Bezug auf GND gemessene Spannung) ist tatsächlich mehr oder weniger eine Konstante (zumindest in Sättigung), wie sie für einen Diodenvorwärtsspannungsabfall charakteristisch ist.

vicatcu
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Wie ändert man den Basisstrom?
Raj
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Es ist interessant - eine falsche Antwort bekommt einen Punkt. Vielleicht, weil die Antwort so einfach war? („Ich denke, es ist viel interessanter, ohne Wissen zu leben, als Antworten zu haben, die falsch sein könnten.“ R. Feynman).
LvW
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vicatcu - hast du sicher recht? Ist dir bewusst, dass du völlig falsch liegst? Der Schlüsselparameter für die Verstärkung ist die Transkonduktanz gm, die die Steigung der Exponentialkurve Ic = f (Vbe) ist. Was lässt Sie denken, dass Vbe eine Konstante ist? Meine Empfehlung: Konsultieren Sie ein zuverlässiges Lehrbuch, bevor Sie falsche Antworten geben.
LvW
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@vicatcu falsch. Die Physik zeigt deutlich, dass Ie (und Ic) durch die Potentialbarriere des BE-Übergangs und NICHT durch den Basisstrom gesteuert werden. Basisstrom und BE-Potential sind jedoch durch die Diodengleichung miteinander verbunden. Einfach ausgedrückt steuert der Basisstrom Vbe und dann Vbe direkt Ie (und damit Ic). Mit anderen Worten, die Stromverstärkungsgleichung ist keine fundamentale Physik, da es keinen Mechanismus gibt, bei dem Ib Ie oder Ic direkt beeinflussen kann . Ib hat eine indirekte Kontrolle über Ic (über Vbe-Variationen), daher ist "hfe" ein sehr nützliches Konzept. Aber hfe ist keine grundlegende BJT-Physik.
wbeaty
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Unterm Strich ist in der Schaltung vom OP die Spannungsquelle sehr wahrscheinlich ein 0/5-V-Ausgang eines Controllers, und der Widerstand wird ausgewählt, um den Basisstrom und nicht die Basisspannung einzustellen. Niemand bestreitet die grundlegende Physik eines BJT, es ist nur ein praktisches kontextspezifisches Anwendungskonstrukt.
Vicatcu