BJT: Collector Feedback Bias Explained

Summary

Dans cette vidéo, nous explorons la configuration de polarisation par rétroaction du collecteur (Collector Feedback Biasing) du transistor à effet de champ (BJT). Cette méthode utilise une rétroaction négative pour stabiliser le point de fonctionnement, même face aux variations des paramètres externes comme la température. Nous analysons également l'impact de cette configuration sur la stabilité et discutons des avantages et des limites de cette méthode par rapport aux autres configurations de polarisation.

Takeaways

• 😀 Le script d'un vidéo sur le canal YouTube 'ALL ABOUT ELECTRONICS' explique la configuration de rétroaction de polarité positive (feedback) du collecteur dans un transistor à effet de champ (BJT).
• 🔍 La configuration de rétroaction du collecteur vise à stabiliser le point d'opération du BJT, même face aux changements des paramètres externes tels que la température.
• 🔧 Le feedback est fourni du collecteur à la borne de base via un résistance Rb, et ce mécanisme de rétroaction négative aide à minimiser les variations du point d'opération.
• 🌡️ L'augmentation de la température peut entraîner une augmentation du courant de collecteur (Ic), ce qui réduit la tension de collecteur (Vc) et par conséquent, réduit le courant de base (Ib) et le courant de collecteur.
• 📉 L'analyse en tension continue (DC) est effectuée en considérant les condensateurs comme des circuits ouverts, et en marquant les courants dans le circuit.
• 🔢 L'expression du courant de base (Ib) est dérivée à partir de l'application de la loi de Kirchhoff pour les circuits en boucle (KVL), en utilisant les valeurs de tension et de résistance.
• 🔌 L'expression du courant de collecteur (Ic) est obtenue en multipliant le courant de base par le facteur de courant de gain (β), ce qui montre la relation directe entre les deux.
• 💡 L'ajout d'un résistance d'émetteur (Re) améliore la stabilité du point d'opération en fournissant un feedback supplémentaire, ce qui est appelé configuration de rétroaction de collecteur et d'émetteur.
• 📚 L'analyse de l'exemple fourni dans le script illustre comment le changement de la valeur de β affecte le courant de collecteur et la tension de collecteur-émetteur (Vce).
• 🔄 Même avec un feedback, il peut y avoir des variations du point d'opération en raison de changements externes, et pour un point d'opération très stable, une configuration de diviseur de tension est préférable.
• 🔗 Le script encourage les téléspectateurs à poser des questions ou des suggestions dans la section des commentaires et à s'abonner au canal pour plus de contenu similaire.

Q & A

Quel est le but principal de la configuration de rétroaction de l'amplificateur de collecteur (Collector Feedback Biasing) dans un transistor à effet de champ (BJT) ?

Le but principal de cette configuration est de stabiliser le point de fonctionnement du BJT en utilisant la rétroaction négative, afin que les changements dans les paramètres externes, comme la température, aient un impact minimum sur le point d'opération.

Comment la rétroaction est-elle fournie dans la configuration de rétroaction de l'amplificateur de collecteur ?

La rétroaction est fournie à partir du collecteur vers le terminal de base via un résistance Rb, qui permet de stabiliser le point d'opération grâce à la rétroaction négative.

Quels sont les composants à considérer comme ouverts lors de l'analyse en tension continue (DC) dans ce script ?

Lors de l'analyse en tension continue, les condensateurs sont considérés comme ouverts, car ils ne laissent pas passer la composante en tension continue.

Comment la variation de la température peut-elle affecter le courant de collecteur (Ic) dans la configuration de rétroaction de l'amplificateur de collecteur ?

Si la température augmente et que le courant de collecteur Ic augmente, le déplacement de tension à travers le résistance Rc augmente également, réduisant ainsi la tension au nœud du collecteur, ce qui peut entraîner une réduction du courant de base (Ib) et par conséquent du courant de collecteur.

Quelle est la relation entre le courant de collecteur (Ic) et le courant de base (Ib) dans un BJT ?

Le courant de collecteur Ic est égal au courant de base Ib multiplié par le facteur de courant de transfert β (β*Ib), ce qui montre que le courant de collecteur est généralement beaucoup plus grand que le courant de base.

Comment l'auteur détermine le courant de base (Ib) en utilisant la loi de Kirchhoff pour une circuit闭合回路 (KVL) ?

L'auteur applique la KVL à l'entrée du circuit et utilise l'équation Vcc - Vbe = Ib*Rb + β*Ib*Rc pour déterminer le courant de base Ib en fonction des tensions et des résistances du circuit.

Quelle est l'expression de la tension de collecteur-émetteur (Vce) dans la configuration de rétroaction de l'amplificateur de collecteur sans résistance d'émetteur ?

La tension Vce est égale à Vcc - Ic*Rc, ce qui est déterminé en appliquant la KVL sur le côté de sortie du circuit.

Quel est le rôle du résistance d'émetteur (Re) dans la configuration de rétroaction de l'amplificateur de collecteur avec résistance d'émetteur ?

La résistance d'émetteur (Re) ajoute plus de rétroaction négative au circuit, améliorant ainsi la stabilité du point d'opération et permettant une meilleure stabilisation des variations de courant de collecteur.

Comment la variation du facteur de courant de transfert β (β) peut-elle affecter le point d'opération du BJT dans le script ?

Une augmentation du facteur β peut entraîner une augmentation du courant de collecteur Ic et une réduction de la tension Vce, montrant que le point d'opération n'est pas complètement indépendant des variations de β.

Pourquoi la configuration de répartition de tension (voltage divider) est-elle préférée pour un point d'opération stable ?

La configuration de répartition de tension est préférée car elle offre une meilleure stabilité en sélectionnant correctement les valeurs des composants, ce qui est essentiel pour les applications où un point d'opération très stable est requis.

Outlines

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🔬 Configuration de polarisation par rétroaction à l'émetteur du BJT

Le premier paragraphe introduit la configuration de polarisation par rétroaction à l'émetteur (Collector Feedback Biasing) du transistor à effet de champ (BJT). Cette méthode utilise une rétroaction négative pour stabiliser le point d'opération du BJT, même face aux changements de paramètres externes tels que la température. Le script explique comment la variation de la tension de collecteur affecte la courrant de base et, par conséquent, la courrant de collecteur, grâce à la rétroaction via la résistance Rb. L'analyse en tension de courant direct (DC) est abordée, en ignorant les condensateurs comme des circuits ouverts, et une équation pour la courrant de base est dérivée à partir de la loi de Kirchhoff (KVL), en tenant compte de la relation entre les courants de base et de collecteur et la constante de rétroaction β.

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🔧 Amélioration de la stabilité avec un résistance à l'émetteur

Le deuxième paragraphe traite de l'ajout d'une résistance à l'émetteur pour augmenter la rétroaction négative et ainsi améliorer la stabilité du point d'opération du BJT. L'analyse de cette configuration inclut l'établissement des expressions pour la courrant de base et de collecteur, ainsi que la tension de collecteur-émetteur (Vce). L'importance de la relation entre la résistance de base (Rb), la constante de rétroaction β et les résistances de collecteur (Rc) et d'émetteur (Re) est soulignée. Si Rb est beaucoup plus petit que β*(Rc+Re), la courrant de collecteur devient indépendante de β, ce qui est essentiel pour une stabilité optimale du point d'opération.

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📈 Impact de la variation de β sur le point d'opération

Dans le troisième paragraphe, un exemple concret est utilisé pour illustrer comment la variation de la constante de rétroaction β (β) affecte le point d'opération du BJT. L'exemple calcule la courrant de base, de collecteur et la tension Vce pour des valeurs de β différentes, montrant comment une augmentation de β peut entraîner une augmentation de la courrant de collecteur et une réduction de la tension Vce. Cela met en évidence que, bien que la configuration de rétroaction améliore la performance, elle n'est pas entièrement immunisée aux variations de β et que des ajustements dans les valeurs des résistances sont nécessaires pour atteindre une stabilité complète.

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📚 Conclusion sur la configuration de polarisation et perspectives

Le quatrième et dernier paragraphe conclut que, bien que la configuration de polarisation par rétroaction à l'émetteur offre une amélioration de la stabilité par rapport à la polarisation fixe, elle n'est pas exempte de variations dues aux paramètres externes. Il est suggéré que pour un point d'opération très stable, une configuration de polarisation à diviseur de tension serait préférable. Le script invite les téléspectateurs à poser des questions ou des suggestions dans la section des commentaires et à s'abonner au canal pour plus de contenu similaire.

Keywords

💡BJT

BJT (Bipolar Junction Transistor) est un composant électronique à semi-conducteur qui amplifie ou commutate des signaux électriques. Dans la vidéo, le BJT est au cœur du sujet, car il s'agit de la configuration de polarisation avec une rétroaction au collecteur, qui vise à stabiliser le point de fonctionnement du transistor.

💡Configuration de polarisation

La configuration de polarisation est la manière dont les transistors sont configurés pour fonctionner de manière stable et prévisible. Dans le script, différentes configurations de polarisation du BJT sont mentionnées, notamment la configuration de rétroaction au collecteur qui utilise une rétroaction négative pour stabiliser le point d'opération.

💡Rétroaction négative

La rétroaction négative est un mécanisme dans lequel une partie de la sortie d'un système est retournée en entrée pour contrôler le comportement du système. Dans le contexte de la vidéo, la rétroaction négative est utilisée pour stabiliser le point de fonctionnement du BJT en modifiant la tension de collecteur et la tension de base.

💡Point d'opération

Le point d'opération fait référence à la configuration des courants et des tensions dans un circuit électronique où le transistor fonctionne. Dans la vidéo, la configuration de rétroaction au collecteur est utilisée pour minimiser les variations du point d'opération en cas de changements de paramètres externes tels que la température.

💡Résistance de rétroaction

La résistance de rétroaction est un composant dans la configuration de rétroaction au collecteur qui relie le collecteur au terminal de base. Dans le script, la résistance Rb est mentionnée comme étant la source de la rétroaction qui contribue à la stabilisation du point d'opération du BJT.

💡Analyse en tension continue (DC)

L'analyse en tension continue (DC) est une étude des composants et des performances d'un circuit sans prendre en compte les variations de fréquence. Dans le script, l'analyse DC est utilisée pour déterminer les courants de base et de collecteur, ainsi que la tension de collecteur-émetteur (Vce) dans la configuration de rétroaction au collecteur.

💡Courant de collecteur (Ic)

Le courant de collecteur est le courant qui passe à travers la jonction de collecteur d'un transistor. Dans la vidéo, la variation de Ic est étudiée en relation avec les changements de température et la rétroaction négative pour montrer comment la configuration de rétroaction au collecteur peut stabiliser ce courant.

💡Courant de base (Ib)

Le courant de base est le courant qui entre dans le terminal de base d'un transistor. Dans le script, Ib est crucial car il influence directement Ic, et l'équation de base courant montre comment Ib est calculé dans la configuration de rétroaction au collecteur.

💡Tension de base-émetteur (Vbe)

La tension de base-émetteur est la tension nécessaire pour que la jonction de base-émetteur du transistor soit polarisée de manière à permettre le passage de courant. Dans le script, Vbe est généralement considérée comme constante et est utilisée pour établir des équations de courant de base et de collecteur.

💡Résistance de l'émetteur (Re)

La résistance de l'émetteur est un composant qui peut être ajouté à la configuration de rétroaction au collecteur pour améliorer la stabilisation du point d'opération. Dans le script, l'ajout de Re est discuté en tant que moyen d'augmenter la rétroaction négative et de stabiliser davantage le BJT.

💡Courant de β (β)

Le courant de β, ou le facteur d'amplification, est le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base d'un transistor. Dans le script, β est utilisé pour montrer comment le courant de collecteur est affecté par les variations de Ib et comment cela influence le point d'opération du BJT.

💡Courant de collecteur indépendant de β

Dans le script, il est mentionné que si certaines conditions sont remplies, le courant de collecteur peut devenir indépendant de β. Cela signifie que le BJT peut fonctionner de manière stable même si β varie, ce qui est important pour les applications où une performance prévisible est requise.

💡Configuration de polarisation diviseur de tension

La configuration de polarisation diviseur de tension est une méthode alternative pour stabiliser le point d'opération d'un transistor. Dans le script, elle est présentée comme une option préférable lorsque l'on cherche à obtenir un point d'opération très stable, en raison de sa capacité à s'adapter aux variations externes.

Highlights

Introduction to the Collector Feedback Biasing configuration of the BJT and its purpose for stabilizing the operating point through negative feedback.

Explanation of how the circuit stabilizes the operating point by reducing the collector voltage when the collector current Ic increases, affecting the base current Ib and thus Ic.

DC analysis of the circuit, considering capacitors as open circuits and marking all the currents for further analysis.

Assumption that the collector current Ic is much larger than the base current Ib for high β values, allowing simplification in calculations.

Application of Kirchhoff's Voltage Law (KVL) to derive the expression for base current Ib and its relation to collector current Ic.

Derivation of the expression for the collector current Ic and voltage Vce, showing how they are calculated from the base current Ib.

Discussion on the limitations of the negative feedback in the basic collector feedback biasing configuration and the need for additional feedback.

Introduction of the collector feedback bias with emitter resistor, also known as the collector and emitter feedback bias, for improved stability.

Marking of currents in the modified circuit and the assumption that the emitter current is approximately equal to the collector current.

Re-derivation of the base current Ib expression considering the emitter resistor Re, and its impact on the overall biasing.

Explanation of how the collector current Ic becomes independent of the β value when Rb is much less than β*(Rc+Re).

Practical considerations for operating the BJT in the linear region and the challenges of making Rb very small.

Example calculation to demonstrate the impact of β variation on the operating point, including the base current Ib, collector current Ic, and voltage Vce.

Demonstration of how the operating point changes with a doubling of β, showing a 30% increase in Ic and a 34% decrease in Vce.

Analysis of the condition Rb being much less than β*(Rc+Re) and its implications on the operating point stability.

Conclusion on the limitations of the collector feedback biasing configuration and the preference for a voltage divider configuration for more stable operating points.

Invitation for viewers to ask questions or provide suggestions in the comment section and a call to like and subscribe for more videos.

Transcripts

Hey friends, welcome to the YouTube channel ALL ABOUT ELECTRONICS.

So, in this video, we will learn about the Collector Feedback Biasing configuration of

the BJT.

Now, in the earlier videos, we had seen the different biasing configurations of the BJT.

And we had seen that for the BJT, the designed biasing circuit should be such that even if

there is a change in the external parameters, like a temperature then there should be a

minimum change in the operating point.

So, in this collector feedback biasing configuration, the circuit tries to stabilize the operating

point through the negative feedback.

And as its name suggests, here the feedback is provided from the collector to base terminal

via this resistor Rb.

Now, here as we are interested in the DC analysis, so for the DC voltages, these capacitors will

act as an open circuit.

And before we jump into the DC analysis, lets intuitively understand how this circuit tries

to stabilize the operating point.

So, let's say, due to the temperature, if the collector current Ic increases, then the

voltage drop across this resistor Rc will also increase.

And due to that, the collector voltage or the voltage at this node will reduce.

Now, if we assume this base-emitter junction is forward biased then the voltage at this

node is equal to Vbe.

Or that is equal to roughly 0.7V.

So, as the voltage Vc reduces, then the base current Ib will also reduce.

And due to that, the collector current Ic will also reduce.

Because this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, in this way, this circuit tires to stabilize any change in the collector current.

But let's do the DC analysis, and let's understand how well the circuit is able to stabilize

the operating point.

And first of all, let's mark all the currents in the circuit.

Now, the first thing if you notice over here, the current through the resistor Rc is equal

to Ic'.

And it is the summation of the base current and the collector current.

And here, this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, if the value of β is very high, in that case, this collector current is much larger than

the base current.

And due to that, in this expression, we can neglect the base current.

Or approximately we can say that this current Ic' is equal to Ic.

So, now we can say that the current through the resistor Rc is equal to Ic, while the

current through the resistor Rb is equal to Ib.

And the voltage between this base and the emitter terminal is equal to Vbe.

So, now to find the base current, let's apply the KVL on the input side.

So, applying the KVL, we can write, voltage Vcc, minus Ic*Rc, that is the voltage drop

across this resistor Rc, minus Ib*Rb, minus Vbe, that is the voltage drop between this

base and the emitter terminal, is equal to 0.

That means voltage Vcc- Vbe = Ib*Rb + Ic*Rc.

Now, we know that the collector current Ic is equal to β* Ib.

So, we can write this expression as voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + β*Ib*Rc.

Or we can say that the base current Ib is equal to voltage

Vcc - Vbe / (Rb +β*Rc) So, this will be the expression of the base

current.

And we know that the collector current Ic can be given as β*Ib.

So, once we know the value of this collector current, then by applying the KVL on this

output side, we can find the value of the voltage Vce.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc- Ic*Rc, that is the drop across this resistor

Rc, minus voltage Vce, that is equal to zero.

Or we can say that this voltage Vce is equal to Vcc - Ic*Rc.

And in this way, we got the expressions for the base current, the collector current, and

the voltage Vce for the given configuration.

Now, although through the negative feedback, this circuit tries to stabilize the operating

point, but here there isn't enough negative feedback.

So, to improve the stability, the additional feedback can be applied through the emitter

resistor.

So, this circuit is the collector feedback bias with the emitter resistor.

And this circuit is also known as the collector and the emitter feedback bias.

So, now let's find the expressions for the collector current and the voltage Vce.

And for that, first of all, let's mark the currents in the given circuit.

Now, once again here the current through the resistor Rc is equal to Rc'.

And this current Ic' is equal to Ic +Ib.

But as I said earlier, we can approximately say that this current Ic' is equal to Ic.

Similarly, here we are assuming that this collector current is approximately equal to

emitter current.

So, considering that now let's find the expression of the base current.

And for that, now let's apply the KVL on this input side.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc - Ic*Rc, that is the drop across this

resistor Rc, minus Ib*Rb, minus voltage Vbe, minus Ie*Re, that is the drop across this

resistor Re, that is equal to 0.

Now, here we are assuming that this emitter current and the collector current are almost

the same.

So, we can replace this emitter current with the collector current.

And we can write this expression as voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + Ic*(Rc + Re)

And here this collector current Ic can be given as β*Ib.

So, from this, we can say that, voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + β*Ib*(Rc +Re)

Or we can say that the base current Ib is equal to voltage Vcc - Vbe / (Rb +β*(Rc +Re))

So, this will be the expression of the base current.

And we know that this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, in this way, we can also find the collector current.

And once we know the value of this collector current, then we can easily find this voltage

Vce.

And for that let's apply the KVL on this output side.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc - (Ic*Rc) - Vce, that is the drop between

these two terminals, minus Ie*Re, that is equal to 0.

Or we can say that voltage Vce is equal to Vcc - Ic*(Rc +Re).

so, this will be the expression of the voltage Vce.

So, in this way, we got the values of the base current, the collector current, and the

voltage Vce.

Now, here if you observe, the value of Rb is much less than this term, that is the β*(Rb

+ Re), in that case, this resistor Rb can be neglected.

And in that case, this base current Ib can be given as Vcc - Vbe / β*(Rc + Re)

And as the collector current Ic is equal to β*Ib, so this β will get cancel out.

And due to that, this current Ic will become independent of the value of β.

That means whenever this condition is satisfied then this collector current Ic will become

independent of the variation in the β.

But practically, to operate this BJT in the linear region, it is not possible to make

the value of Rb very small.

And it will get clear to you, once we go through the example.

And in that example, we will also see, how the operating point of the circuit changes,

if there is a variation in the β.

So, let's take one example.

So, in this example, first of all, let's find the value of the collector current and the

voltage Vce.

And for that, first of all, let's find the value of the base current using this expression.

So, we can say that the base current is equal to 12V - 0.7 V/ (300 kΩ + 50(4.7 kΩ + 1

kΩ)) And that is equal to 19.

6 uA.

So, this will be the value of the base current.

And the collector current Ic can be given as β*Ib.

That means this collector current Ic is equal to (50*19.6 uA).

And that is equal to 0.965 mA.

And once we get the value of this collector current, then using this expression we can

find the value of the voltage Vce.

So, this voltage Vce can be given as 12V - (0.965 mA)(4.7 kΩ + 1 kΩ)

And that is equal to 6.5 V.

So, in this way, the value of the collector current Ic is equal to 0.965 mA, while the

value of the voltage Vce is equal to 6.5V. And if you see over here, on the load line,

the operating point would be somewhere around here.

Because here, the maximum value of the voltage Vce could be equal to 12V, while the maximum

collector current is equal to 12V / 5.7 kΩ.

That is equal to 2.1 mA.

Now, in the same circuit, let's see what happens when the value of the β increases to 100.

So, once again let's find the value of the base current using this expression.

That means the base current Ib can be given as 12V - 0.7V / (300 kΩ + 100 (5.7 kΩ))

And if we calculate the value, then this base current Ib is equal to 12.98 uA.

And the collector current Ic is equal to β*Ib.

That means this collector current Ic is equal to (100* 12.98uA)

That is equal to 1.298 mA.

Or roughly we can say that it is equal to 1.3 mA.

And once we know the value of this collector current, then using this expression we can

find the value of the voltage Vce.

So, this voltage Vce is equal to 12V - (1.3 mA* 5.7 kΩ), which is the summation of this

4.7kΩ and 1 kΩ.

So, if we calculate the value, then this voltage Vce will come out as 4.6 V.

That means now, due to the change in the value of β, the voltage Vce has become 4.6 V, while

the value of the collector current Ic has become 1.3 mA.

That means with the increase in the value of β by 100 percent, this collector current

has increased by roughly 30 percent, while the value of the voltage Vce is roughly reduced

by 34 %. That means we can say that, although this

collector feedback provides the improved performance over the fixed bias configuration, but still

there is a variation in the operating point.

Now, if you notice over here, in this example, this condition that is Rb is much less than

β* (Rc +Re)is not satisfied.

Because over here, the value of Rb is 300 kΩ, while the value of β* (Rc +Re) is equal

to 570 kΩ, considering the value of beta is equal to 100.

And if we consider the value of beta as 50, in that case, this term will be equal to 285

kΩ.

But to satisfy this condition, suppose if we reduce the value of Rb by 10 times or increase

the value of this Rc and Re by 10 times, in that case, the operating point would go near

the saturation.

And we are no longer able to use this BJT as an amplifier.

And even you can try it by yourself.

So, try to get the operating point whenever the value of Rb is equal to 30 kΩ.

So, in conclusion, this configuration provides a slight improvement in stability, but still,

there is a variation in the operating point due to the external parameters.

And when someone requires a very stable operating point, then one should prefer a voltage divider

configuration over the other configurations.

Becuase by properly selecting the values, that configuration provides better stability.

And that is why it is the widely used biasing configuration.

So, in the next couple of videos, we will talk more about the stability.

But I hope in this video, you understood the collector feedback biasing configuration of

the BJT.

So, if you have any questions or suggestions, do let me know here in the comment section

below.

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