Bias
Englisch: bias
Eine Spannung oder ein Strom, der an ein elektronisches Bauelement wie eine Transistorelektrode angelegt wird, um seinen Arbeitspunkt auf den gewünschten Bereich der Kennlinie zu verschieben.
Vorspannung: die Grundlagespannung, die das Verhalten einer Schaltung festlegt
Vorspannung ist eine fest eingestellte Gleichspannung oder ein Gleichstrom, der bewusst an ein aktives Bauelement wie einen Transistor oder eine Diode angelegt wird, um festzulegen, wo das Bauelement auf seiner Kennlinie arbeitet. Ohne Vorspannung sitzt ein Transistor in einem undefinierten Zustand; mit der richtigen Vorspannung wird er zu einem zuverlässigen Verstärker, Schalter oder Detektor. Die Vorspannungsspannung verschiebt den Arbeitspunkt des Bauelements in einen nutzbaren Bereich, typischerweise die lineare (aktive) Zone, in der kleine Eingabeveränderungen zu proportionalen Ausgangsveränderungen führen.
Bei einem Bipolartransistor (BJT) steuert die Basisvorspannungsspannung, ob das Bauelement stark, schwach oder gar nicht leitet. Eine Basisvorspannung von etwa 0,6 bis 0,7 Volt vorwärtspolt die Basis-Emitter-Sperrschicht und ermöglicht den Kollektorstrom; der genaue Wert hängt vom Bauelementtyp und der Versorgungsspannung ab. Bei Feldeffekttransistoren (FETs) steuert die Gate-Vorspannungsspannung die Leitfähigkeit des Kanals zwischen Source und Drain. Vakuumröhren benötigen eine ähnliche Vorspannung am Steuergitter, um die gewünschte Betriebsklasse (A, B, AB oder C) einzustellen.
Häufige Vorspannungsschaltungen
Festvorspannung nutzt ein Widerstands-Netzwerk von der Stromversorgung, um die Basis- oder Gate-Spannung direkt einzustellen. Spannungsteiler-Vorspannung (auch Potentialteiler-Vorspannung genannt) nutzt ein Widerstandspaar, um den Arbeitspunkt gegen Temperaturdrift und Bauteiletoleranzen zu stabilisieren. Emitter-Vorspannung nutzt einen Widerstand in Serie mit dem Emitter, um automatische Gegenkopplung zu bieten, die die Drift verringert. Jede Methode tauscht Einfachheit gegen Stabilität ein; Festvorspannung ist am einfachsten, driftet aber am meisten mit Temperatur und Bauteilevariationen, während Emitter-Vorspannung komplexer ist, aber den Arbeitspunkt über einen größeren Bereich konstant hält.
Vorspannungsdrift ist der Hauptfeind in Analogschaltungen. Wenn sich ein Transistor erwärmt, sinkt sein Vorwärtsspannungsabfall und er leitet stärker, es sei denn, das Vorspannungs-Netzwerk gleicht das aus. Bei Leistungsverstärkerstufen kann unkontrollierte Vorspannungsdrift zu Wärmestauung führen, wobei stärkerer Strom mehr Wärme erzeugt, die den Strom weiter erhöht, bis das Bauelement überhitzt und ausfällt. Entwickler müssen Vorspannungsschaltungen und Ruhestromwerte wählen, die den Arbeitspunkt über den erwarteten Temperaturbereich und Bauteiletoleranzen hinweg stabil halten (typischerweise 10 bis 20 Prozent Variation).
Der Begriff 'Vorspannung' kommt aus seiner elektrischen Analogie zur mechanischen Vorspannung, etwa dem Vorspanngewicht auf einer Feder: Er positioniert das System vor, sodass das eigentliche Signal (übergelagerter AC-Eingang) eine ausgewogene Bewegung um diesen Ruhepunkt erzeugt. In HF- und Mikrowellenarbeit wechselwirken Anpassungsnetzwerke und Lastgeraden mit der Vorspannung; Impedanzanpassung und Arbeitspunktwahl müssen gemeinsam optimiert werden. Ebenso darf die Vorspannung einer Stufe die Vorspannung der nächsten nicht beeinflussen, weshalb Koppelkondensatoren zwischen den Stufen verwendet werden, um die Gleichspannungsvorspannung zu sperren und gleichzeitig AC-Signale durchzulassen.