Почему BJT считается «контролируемым током»?

С помощью BJT мы можем контролировать базовый ток с помощью Vin (из диаграммы). Почему в учебниках утверждается, что BJT контролируются током, когда очевидно, что изменение напряжения контролирует ток через коллектор?

В приведенной выше схеме Vin контролирует ток, идущий к базе, а не падение напряжения на базе и эмиттере самого транзистора.

Падение напряжения на Vbe всегда будет около 0,7 В для Vin> 0,7; избыточное напряжение будет сброшено через R1.

Изменяя Vin, вы фактически управляете током, идущим к базе, на основе уравнения:

преамбула

Давайте начнем с небольшого отступления: что делает генератор генератором тока вместо генератора напряжения? Посмотрите на характеристики ВП: генератор с постоянным напряжением (почти горизонтальным в плоскости IV) будет называться генератором напряжения, а генератор с постоянным током (почти горизонтальным в плоскости ВИ) будет называться генератором тока.

(Фотографии взяты с сайта по электронике)

Это связано с тем, что «акцент» находится на постоянной величине (подаваемое напряжение или ток - в то время как другая величина является переменной величиной в зависимости от нагрузки и соответствия генератора). (Примечание 1)

В контролируемом устройстве акцент находится на переменном количестве. Учитывая экспоненциальную входную характеристику, которая оставляет Vbe почти постоянной, это ток, который вы хотели бы видеть в качестве управляющей переменной. Это является прямым следствием распространения ошибок: когда у вас есть крутая функция, небольшая ошибка в почти постоянной величине x превратится в гораздо большую ошибку в широко изменяющейся величине q (и наоборот).

Фото взято из "Введение в анализ ошибок", Тейлор и искажено, чтобы соответствовать цели

Суть в том, что легче различить 10 е 40 мкА (отношение 1: 4), чем разделить 0,65 и 0,67 В (соотношение 1: 1,03). (Обратите внимание на менее гибкие умы: подобно более экстремальным значениям, которые я использовал перед этим редактированием, они представляют собой составные значения, предназначенные для демонстрации контраста между заметным изменением того, что вы хотите видеть в качестве управляющей переменной - тока, поступающего в базу - и слабое изменение напряжения между базой и эмиттером).

Самая простая вещь

Вы можете понять, почему это называется управлением током, выдвинув его до предела, приняв простейшую модель для BJT, как показано Chua, Desoer и Kuh в их «Линейных и нелинейных цепях»: на следующих рисунках все диоды идеальны ( пороговое напряжение равно нулю, равно как и последовательное сопротивление: это идеально разомкнутые цепи при обратном смещении и идеальные шорты при прямом смещении).

E0 добавляет пороговое напряжение к входной характеристике, а действие транзистора выражается как ic = beta * ib. Обратите внимание, что управляемый током генератор тока. Вот соответствующие входные и выходные характеристики

Довольно просто, правда? Вы можете сравнить их с реальными характеристиками и увидеть, что они похожи на них. Как бы просто это ни было, это легитимная модель, и ее можно использовать для моделирования цепей, где, изменяя ib (вы не можете изменить Vbe в этой модели, поскольку она исправлена), вы меняете значение Ic. Вы можете увидеть, как можно изменить ib, пересекая входную характеристику со строкой входной нагрузки.

Изменяя E1 (не часть BJT), вы меняете ib (часть BJT). Затем вы можете найти значение ic, соответствующее этому значению ib, выбрать соответствующую выходную характеристику и найти напряжение путем пересечения с линией выходной нагрузки.

Кто-то подпрыгнет на своем месте с криком « ЧТО? Вы используете бета-версию для разработки усилителя, который будет использоваться во всем мире для критически важных ядерных применений? Кроме того, как вы думаете, откуда бета-версия? Кроме того, вы не знаете, что бета-версия? может измениться на целых девяносто миллиардов процентов, просто взглянув на него? "

Дело в том, что для данного транзистора у вас есть разумно определенное значение бета (вы можете измерить его заранее, поэтому не имеет значения, показывает ли постыдная дисперсия), и если вы не забредаете слишком далеко, вы можете разумно игнорировать его изменение с другими электрическими параметрами. Обратите внимание, что это упрощенная модель, которая не моделирует изменения беты в зависимости от температуры, тока и даже цвета волос; это упрощенная модель, которая улавливает суть действия транзистора, во многом так же, как иногда осуждаемый «человек из транзистора» из «Искусства электроники».

Можете ли вы найти частоту среза транзистора у этой модели? Нет. Можете ли вы объяснить ранний эффект с этой моделью? Нет. Можете ли вы объяснить дифференциальное сопротивление соединения BE с этой моделью? Нет. Можете ли вы объяснить образование пары зарядов из-за излучения? Нет. Можете ли вы объяснить квантование второго поля и изгиб пространства-времени? Нет.

Значит ли это, что эта модель совершенно бесполезна? Нет. Чрезвычайно упрощенное поведение этой модели показывает, почему во многих учебниках утверждается, что BJT контролируются в настоящее время. Фактическая входная характеристика напоминает ту вертикальную линию, где вы можете изменять только ib, а не vbe, значение которой считается фиксированным. (И именно поэтому я сделал это отступление в начале этого ответа).

Возможно, вы захотите сравнить простейшую модель для Mosfet: она есть и на странице 151 Чуа.

Как вы можете видеть, ток затвора является фиксированным (равным нулю, чтобы быть педантичным), условие, двойственное к тому, которое показано в BJT: входная характеристика ВИ является горизонтальной. Единственный элемент управления, который у вас есть, это vgs. Значит ли это, что мы отрицаем существование туннельного эффекта? Нет, это просто модель. Упрощенная модель, которая, помимо прочего, не учитывает туннелирование, но все же удается показать, почему в MOSFET вы действуете на напряжение затвор-источник.

До сих пор мы видели, как (упрощенная) связь между ib и ic может рассматриваться как контроль над ic посредством ib, через beta. Но мы также можем использовать альфу, почему бы и нет? Позвольте мне дословно процитировать еще один учебник, в котором рассматриваются устройства BJT, управляемые током: «Квантовая физика атома, молекул, твердых тел, ядер и частиц 2e», Eisberg and Resnick, p. 474 (на странице 475 показана общая базовая конфигурация):

Основная идея действия транзистора заключается в том, что ток в цепи эмиттера контролирует ток в цепи коллектора. Более 90% тока проходит через эмиттер, так что токи имеют одинаковые величины. Но напряжение на базовом коллекторе может быть намного больше, чем на соединении эмиттер-база, поскольку первое имеет обратное смещение, поэтому выходная мощность в цепи коллектора может быть намного больше, чем входная мощность в цепи эмиттера , Следовательно, транзистор действует как усилитель мощности.

Эти два джентльмена забывают о роли, которую играет квантовая механика в зонной теории твердого тела? Разве они не слышали о квантовой статистике? Они даже знают, что такое дыра (не говоря уже о темпко)? Могли ли они забыть, что подача напряжения может изменить профили уровня энергии, связанные с валентной зоной и зоной проводимости? Я так не думаю. Они просто выбрали более простую модель, чтобы объяснить, как можно интерпретировать так называемое действие транзистора.

Художник Бруно Мунари однажды сказал: « Сложно - это просто, упрощать - сложно. ... Все могут усложнять. Только немногие могут упростить ». Среди прочего, Чуа, Дезоер, Кух, Айсберг и Резник решили упростить.

Кто играет в базе, сначала?

Теперь вернемся к (почти) реальным транзисторам. Это первые символы VBE, которые я придумал после поиска изображений в Google :

Не знаю, правда ли это, но выглядит правдоподобно. Здесь следует отметить, что когда ib сильно изменяется, на 100 процентов, то vbe изменяется относительно небольшими, всего лишь на несколько процентов. Это из-за экспоненциальной связи соединения BE. Допустим, вы хотите использовать этот BJT для получения 10 мА в нечетные дни и 15 мА в четные дни. У вас есть немецкая лаборатория, которая измерила бета конкретного транзистора в вашей руке, и она составила 250 в диапазоне интересов. Допустим, у вас есть генератор тока и напряжения с точностью до 10%.

Текущий контроль : вы можете использовать ic = beta ib, чтобы найти значение ib, которое вы должны установить. Номинальные значения 10 и 15 мА ic требуют номинальных значений 40 e 60 мкА для ib. Учитывая точность вашего генератора тока, вы ожидаете увидеть следующие диапазоны тока на входе и выходе:

ib = 36-44 мкА -> ic = 9-11 мА ib = 54-66 мкА -> ic = 13,5-16,5 мА

Контроль напряжения : вы не верите в бета-версию, поэтому вы должны указать напряжение, которое создаст vbe of ... Да, что? Прочтите его на приведенном выше графике (но тогда вам придется принять ужасное отношение ic = beta ib). Я предполагаю, что вам придется использовать модель Эберса-Молла, чтобы вычислить значения до желаемых значений для ic. Но допустим, что мы определили, что оно составляет точно 0,65 и 0,67 В (точно так же, как я использовал точное значение для беты выше). Когда мы попытаемся установить эти точные значения, наш изготовленный в Китае генератор с 10% точностью подаст следующие диапазоны напряжения

0,585 - 0,715 В -> обратно в Эберс-Молл, чтобы вычислить ic, ... очень плохо, неопределенность будет возведена в степень ...

0,603 - 0,737 В -> нет, подождите, прежде чем вычислять ...

... похоже, у нас уже есть суперпозиция в диапазонах напряжения, которые мы поставляем: мы не сможем отличить четные дни от нечетных.

Думаю, лучше прибегнуть к текущей базе, чтобы контролировать ток коллектора.

При управлении током, даже если я допускаю погрешность 10% для измеренного значения бета, я все еще могу (едва, но все же) разобрать два диапазона тока (8,10-12,10 мА против 12,15-18,15 мА), соответствующие нечетному и четные дни.

При управлении напряжением, если вы добавите 10% -ную ошибку в вычисленное (или считанное из диаграммы) значение напряжения (а я щедрый, так как эта ошибка будет усиливаться), вы уже потерялись в неопределенности. Это основная теория распространения ошибок.

антракт

Этот пост занимает время, я вернусь другой, чтобы добавить что-то еще. Позвольте мне ответить на вопрос о религиозной войне, свидетелем которой вы могли стать. Что это вообще такое?

Транзисторы - это твердотельные устройства, внутренняя работа которых должна быть объяснена с использованием законов квантовой физики. Учитывая зонную структуру уровней энергии электрических носителей в твердых телах, естественно прибегнуть к уровням энергии, чтобы изобразить внутреннюю работу этих устройств. Энергия и потенциал тесно связаны друг с другом, поэтому большинство моделей имеют тенденцию выражать соответствующие величины в зависимости от потенциала (разности). Причина я написал

Примечание. Зависимость от Vbe, показанная в модели Эберса-Молла, не подразумевает причинно-следственную связь. Проще написать уравнения таким образом. Никто не запрещает вам использовать обратные функции.

в том, что напряжение и ток также тесно связаны: они связаны между собой величиной потока усилий, так что в принципе вы не можете иметь одно без другого. Это деликатный вопрос, и я думаю, что следует также рассмотреть вопрос о том, что означает создание разности напряжений. Разве это не создается смещением зарядов (электрохимической реакцией в батарее, электромагнитным взаимодействием в механическом генераторе). Я подозреваю, что в конце концов все устройства в основном контролируются зарядом: вы перемещаете заряд отсюда туда и получаете определенный эффект.

Я подозреваю, что крестоносцы с «контролем напряжения» предполагают, что его коллега по «контролю тока» изучил электронику в книгах Форреста Мимса и никогда не видел книги по квантовой физике, твердотельным или полупроводниковым устройствам. Кажется, что они игнорируют значение управляющей переменной, поскольку переменная выбирается для активации управления. Я надеюсь, что цитата из Eisberg & Resnick (два «солидных» физика, если вы позволите мне каламбур) покажет им, что это не так.

Примечание (1) Идеальные кривые генератора просто идеальны. Попробуйте представить себе переход от идеального генератора напряжения к идеальному генератору тока, проходящему через генераторы хорошего, среднего и паршивого напряжения, а затем генераторы паршивого, среднего и хорошего тока.

$I_C=\beta I_B$

Более полезно думать о нем как об источнике тока, управляемом напряжением, когда вы выполняете анализ слабого сигнала, например, для усилителя, использующего гибридный режим pi l.

Ни один из них не особенно полезен при оценке приложений коммутации, поскольку базовый ток будет достаточно высоким, чтобы ток коллектора определялся внешней цепью, а не характеристиками транзистора (первое помогает в некоторой степени гарантировать, что условие существует).

$V_{BE}$

Другие ответы выразили мнение о том, контролируется ли BJT напряжением или током или и тем, и другим. В своем ответе я хотел бы обратиться вместо этого:

когда становится очевидно, что изменение напряжения контролирует ток через коллектор?

Рассмотрим следующую альтернативную схему:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Разве это не очевидно, что

а также

и, таким образом, что базовый ток контролирует ток через коллектор?

$I_B$$V_{BE}$$V_{BE}$$I_B$

Так что нет , это не очевидно , своим примером, что БЮТ находится под контролем напряжения.

$v_{BE}$$i_B$

Точно так же можно подтвердить, что можно управлять током коллектора, управляя напряжением базового эмиттера с помощью источника напряжения.

Несмотря на это, несколько пользователей решительно выразили свою позицию, что ток коллектора BJT явно контролируется напряжением и что предположить, что в противном случае выходит за рамки.

Прошло много времени с тех пор, как я изучал физику твердого тела, поэтому я решил обратиться к моей библиотеке учебников по ЭЭ. Первый учебник, который я взял с полки, - « Твердотельные электронные устройства », 3-е изд.

Вот обширная цитата из раздела 7.2.2:

$i_C$$i_B$

$i_C$$i_E$$i_B$$i_C$

Рассмотрим транзистор рис. 7-6, в котором $i_B$

$\tau_t$$W_b$$L_p$$\tau_p$

$\tau_p$$\tau_p$$\tau_t$$\frac{\tau_p}{\tau_t}$ отверстие может проходить от эмиттера к коллектору при сохранении пространственного заряда нейтральности. Таким образом, отношение тока коллектора к базовому току просто

$$\frac{i_C}{i_B} = \beta = \frac{\tau_p}{\tau_t}$$

$\gamma = 1$

$(i_B)$$i_B$

Теперь я почти уверен, что те, кто твердо в лагере контроля напряжения, будут интерпретировать это как подтверждение своей позиции, так же как и те, кто твердо в лагере контроля тока. Так что я просто оставлю это на этом. Пусть лай начнется ...

$V_{in}$$I_{B}$$I_{B} = V_{in}/ R_1$$I_C = \beta \cdot I_B$ .

$V_{in}$$I_C$$R_1$$R_1$$V_{in}$

Возможно, пример объяснит это лучше. Представьте, что я веду машину, и ее скорость зависит от того, насколько сильно я нажимаю на газ и как долго. Но я не хочу получать штрафы, поэтому всегда соблюдаю ограничения скорости. Теперь вы приходите и говорите:

Почему говорят, что автомобили управляются педалью газа, когда на самом деле их скорость зависит от плоских металлических предметов с нанесенными на них цифрами?

То, что вы говорите, верно в данном конкретном случае, но это не меняет того факта, что автомобили не заботятся о плоских металлических объектах в их окружении.

Если бы вы сделали Vin константой, а R1 - переменной, вы бы сказали, что BJT являются устройствами с контролируемым сопротивлением?

В вашей настройке вы, кажется, управляете напряжением и наблюдаете, как оно может влиять на ток коллектора. Разумно использовать это как доказательство того, что ток этой цепи контролируется напряжением, но не разумно говорить, что это означает, что все BJT контролируются напряжением.

Вы должны проводить различие между всей системой и компонентом в системе, даже если это самый интересный компонент или даже единственный интересный компонент.

Я думаю, что имеет смысл называть BJT током контролируемым, когда вы сравниваете его с MOSFET.

У MOSFET есть затвор, и чем выше напряжение на затворе (который практически не потребляет ток), тем выше проводимость от стока -> истока. Итак, это устройство с контролем напряжения.

С другой стороны,

У BJT есть база. Чем выше проводимость от коллектора к эмиттеру, тем выше базовый ток.

В качестве практического примера, который действительно подчеркивает разницу:

• Флэш-память

Эту топологию памяти невозможно реализовать с помощью BJT, поскольку для проводимости требуется постоянный базовый ток. В MOSFET заряды могут вводиться в изолированные ворота. Если им вводят инъекцию, они останутся там и будут постоянно проводить MOSFET. Эта проводимость (или ее отсутствие, если заряды не вводились) определяется и используется для считывания сохраненного состояния бита.

До сих пор я насчитал 10 ответов и много комментариев. И снова я узнал, что вопрос о том, является ли BJT контролируемым напряжением или током, кажется вопросом религии. Я боюсь, спрашивающий (« Почему в учебниках говорится, что BJT в настоящее время контролируются ») будет сбит с толку из-за множества разных ответов. Некоторые из них верны, а некоторые совершенно не правы. Поэтому в интересах спрашивающего мне нравится резюмировать и прояснять ситуацию.

1) То, что я никогда не пойму, это следующее явление: нет ни одного доказательства того, что ток коллектора Ic BJT будет контролироваться / определяться базовым током Ib. Тем не менее, есть еще парни (даже инженеры!), Которые снова и снова повторяют, что BJT - по их мнению - будет контролироваться током. Но они только повторяют это утверждение без каких-либо доказательств - не удивительно, потому что нет никаких доказательств и никаких проверок.

Единственным «оправданием» всегда является простое отношение Ic = beta x Ib. Но такое уравнение никогда не скажет нам ничего о причине и следствии. Более того, они забывают / игнорируют то, как изначально было получено это уравнение: Ic = alpha x Ie и Ie = Ic + Ib. Следовательно, Ib - это просто (маленькая) часть Ie - больше ничего. (Барри Гилберт: базовый ток - это просто «дефект»).

2) Напротив, существует множество наблюдаемых эффектов и свойств схемы, которые ясно показывают и подтверждают, что BJT управляется напряжением. Я думаю, что каждый, кто знает, как работает простой pn-диод, должен также понимать, что такое диффузионное напряжение и как внешнее НАПРЯЖЕНИЕ может снизить барьерный эффект этого фундаментального свойства pn-перехода.

Мы должны применить правильное НАПРЯЖЕНИЕ через соответствующие клеммы, чтобы пропустить ток через зону истощения. Это напряжение (или соответствующее электрическое поле) является единственной величиной, которая обеспечивает силу для движения заряженного носителя, которое мы называем током! Есть ли какая-либо причина, по которой pn-переход база-эмиттер должен вести себя совершенно иначе (и НЕ реагировать на напряжение)?

По запросу я могу перечислить не менее 10 эффектов и свойств схемы, которые можно объяснить только с помощью контроля напряжения. Почему эти наблюдения так часто игнорируются?

3) Опрашивающий представил схему, которая заслуживает дополнительного комментария. Мы знаем, что операционный усилитель (несомненно, управляемый напряжением) может быть подключен как усилитель тока по напряжению (усилитель с сопротивлением). Это означает: мы всегда должны различать свойства «голого» усилителя и полную схему с дополнительными деталями.

Для данного случая это означает: BJT как отдельная часть управляется напряжением - однако, рассматривая всю схему (с резистором R1), мы можем рассматривать всю компоновку как схему с управляемым током, если R1 намного больше, чем входное сопротивление пути BE. В этом случае у нас есть делитель напряжения, управляемый напряжением Vin.

Косвенно, два вопроса:
1. Почему можно это считать «управляемым ток», и
2. почему это удобно рассмотреть BJT «управляемый ток».

Первый вопрос. Математически устройство накладывает два уравнения на пространство параметров, которое включает в себя два напряжения и два тока (одно может добавить температуру, некоторые связанные со временем вещи для учета переходных эффектов, но оно не изменит количество уравнений). Система может быть эквивалентно выражена в разных формах. В отличие от полевого транзистора, где режимы включения / выключения не отличаются по току затвора, в BJT любое изменение управления приводит к определенным сдвигам как в плоскости напряжения, так и в плоскости тока. Каждый самолет учитывает две степени свободы. Таким образом, мы можем рассматривать два напряжения как независимые переменные или два тока. Или, скажем,$V_{\mathrm{BC}}$ а также $I_{\mathrm E}$с другими параметрами, зависящими от них. Нет разницы.

Второй вопрос В соответствии со здравым смыслом целесообразно рассматривать в качестве контроля такой параметр, небольшие изменения которого приводят к значительному (но предсказуемому) изменению режима работы. Более того, управление транзистором происходит в значительной степени или полностью в прямой активной области, что полезно для его усиления. Наиболее очевидные параметры кандидата $V_{\mathrm{BE}}$ а также $I_{\mathrm B}$, чьи небольшие изменения (в прямом смещении B – E) приводят к большим изменениям характеристики коллектора. Но последствия$V_{\mathrm{BE}}$ сильно нелинейны, тогда как (для фиксированной $V_{\mathrm{BC}} \approx V_{\mathrm{EC}}$в) токи в БЖТ зависят от $I_{\mathrm B}$почти линейно. Это все.

Ток коллектора, по определению / физике, является функцией базового тока (и неявно требуемого тока нагрузки). Управляющая формула BJT$I_C = \beta \cdot I_B$, куда$\beta$ это выигрыш, $I_B$ ток через соединение BE, и $I_C$ (максимальный) ток через переход CE.

Базовое напряжение (то есть напряжение, измеренное на базовой клемме относительно GND) фактически является более или менее постоянной (по крайней мере, в насыщении), как характеристика падения напряжения на диоде.