Причуды BJT

Идеальный транзистор показал бы 0% искажений при усилении сигнала. Его усиление распространяется на все частоты. Он мог бы контролировать ток в сотни ампер при сотнях градусов C. На практике доступные устройства показывают искажения. Усиление ограничено в высокочастотном конце спектра. Настоящие детали выдерживают только десятки ампер с осторожностью. Следует соблюдать осторожность при параллельном подключении транзисторов для получения более высокого тока. Работа при повышенных температурах может привести к выходу из строя транзисторов, если не будут приняты меры предосторожности.

Нелинейность

Усилитель с общим эмиттером класса A (аналогичный показанному на предыдущем рисунке) почти полностью ограничен на рисунке ниже. Обратите внимание, что положительный пик более плоский, чем отрицательный. Это искажение недопустимо во многих приложениях, таких как высококачественный звук.

Искажения в усилителе с общим эмиттером для больших сигналов.

Усилители малых сигналов относительно линейны, потому что они используют небольшой линейный участок характеристик транзистора. Усилители больших сигналов не на 100% линейны, потому что характеристики транзисторов, такие как β, не являются постоянными, а изменяются в зависимости от тока коллектора. β высокое при низком токе коллектора и низкое при очень низком или высоком токе. Однако в первую очередь мы сталкиваемся с уменьшением β с увеличением тока коллектора.

 усилитель с общим эмиттером Vbias 4 0 0,74 Всиг 5 4 син (0 125м 2000 0 0) rbias 6 5 2k q1 2 6 0 q2n2222 г 3 2 1000 v1 3 0 постоянного тока 10 .model q2n2222 npn (is =19f bf =150 + vaf =100 ikf =0,18 ise =50p ne =2,5 br =7,5 + var =6.4 ikr =12m isc =8.7p nc =1.2 rb =50 + re =0,4 rc =0,3 cje =26p tf =0,5n + cjc =11p tr =7n xtb =1,5 kf ​​=0,032f af =1) .fourier 2000 v (2) .tran 0,02 м 0,74 м .конец 

 специя -b ce.cir; Фурье-анализ v (2):THD:10,4688% 

Хар Freq Norm Mag 000120001240000.0979929360000.0365461480000.004387095100000.001158786120000.000893887140000.000211698160003.8158e-059180003.3726e-05

Список цепей SPICE:для анализа переходных процессов и анализа Фурье. Анализ Фурье показывает 10% общих гармонических искажений (THD).

Список SPICE в таблице выше показывает, как количественно оценить величину искажения. Команда «.fourier 2000 v (2)» указывает SPICE выполнить анализ Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v (2). В командной строке «spice -b имя_схемы.cir» выводит результат анализа Фурье, указанный в таблице выше. Он показывает THD (общее гармоническое искажение) более 10% и вклад отдельных гармоник.

Частичное решение этого искажения - уменьшить ток коллектора или задействовать усилитель на меньшей части линии нагрузки. Окончательное решение - использовать отрицательную обратную связь. См. Отзыв.

Температурный дрейф

Температура влияет на характеристики транзисторов переменного и постоянного тока. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагревание. Некоторые приложения, такие как военные и автомобильные, требуют работы в расширенном температурном диапазоне. Цепи в благоприятных условиях подвержены самонагреву, особенно в цепях большой мощности.

Ток утечки I _CO и β увеличиваются с увеличением температуры. Постоянный ток β (h _FE ) растет экспоненциально. АС β (h _fe ) увеличивается, но не так быстро. Он удваивается в диапазоне от -55 ° до 85 ° C. По мере увеличения температуры увеличение h _fe даст больший выходной сигнал с общим эмиттером, который в крайних случаях может быть обрезан. Увеличение hFE сдвигает точку смещения, возможно, срезая один пик. Сдвиг точки смещения усиливается в многокаскадных усилителях с прямой связью. Решением является некоторая форма отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует усиление переменного тока.

Повышение температуры на рисунке ниже (а) приведет к уменьшению V _BE от номинала 0,7В для кремниевых транзисторов. Уменьшение VBE увеличивает ток коллектора в усилителе с общим эмиттером, дополнительно смещая точку смещения. Лекарство от переключения VBE - это пара транзисторов, сконфигурированных как дифференциальный усилитель. Если оба транзистора на рисунке ниже (b) имеют одинаковую температуру, VBE будет отслеживать изменение температуры и отменить.

(а) несимметричный CE-усилитель против (б) дифференциального усилителя с компенсацией VBE.

Максимальная рекомендуемая температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125 ° C. Однако для большей надежности ее следует снизить. Действие транзистора прекращается при температуре выше 150 ° C. Транзисторы из карбида кремния и алмаза будут работать на значительно более высоких температурах.

Термический разгон

Проблема с увеличением температуры, вызывающей увеличение тока коллектора, заключается в том, что увеличение тока увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как термический выход . , что может привести к выходу из строя транзистора. Опять же, решением является схема смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.

Емкость перехода

Между выводами транзистора существует емкость . Емкость коллектор-база C _CB и емкость эмиттер-база C _EB уменьшите усиление схемы с общим эмиттером на более высоких частотах. В усилителе с общим эмиттером емкостная обратная связь от коллектора к базе эффективно умножает C _CB на β. Величина отрицательной обратной связи, снижающей усиление, связана как с усилением по току, так и с величиной емкости коллектор-база. Это известно как эффект Миллера.

Шум

Конечная чувствительность усилителей слабого сигнала ограничена шумом из-за случайных изменений тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум . из-за протекания тока носителей в базе и теплового шума . Источником теплового шума является сопротивление устройства, которое увеличивается с температурой:

Шум в транзисторном усилителе определяется как избыточный шум генерируемый усилителем, не тот шум, который усиливается от входа к выходу, а тот, который генерируется внутри усилителя. Это определяется путем измерения отношения сигнал / шум . (S / N) на входе и выходе усилителя. Выходное напряжение переменного тока усилителя с входом слабого сигнала соответствует S + N, сигнал плюс шум. Напряжение переменного тока при отсутствии сигнала соответствует шуму N. коэффициент шума обозначается как «F» определяется в терминах S / N входа и выхода усилителя:

Коэффициент шума F для ВЧ (радиочастотных) транзисторов обычно указывается в технических паспортах транзисторов в децибелах, F _дБ . . Хороший коэффициент шума УКВ (очень высокая частота, от 30 МГц до 300 МГц) составляет <1 дБ. Коэффициент шума выше ОВЧ значительно увеличивается, на 20 дБ за декаду, как показано на рисунке ниже.

Зависимость коэффициента шума малосигнального транзистора от частоты. После Тиле, рисунок 11.147 [AGT]

На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах увеличивается на 10 дБ за декаду с уменьшением частоты. Этот шум известен как 1 / f-шум . .

Коэффициент шума зависит от типа транзистора (номера детали). РЧ-транзисторы с малым сигналом, используемые на антенном входе радиоприемника, специально разработаны с учетом низкого коэффициента шума. Коэффициент шума зависит от тока смещения и согласования импеданса. Наилучший коэффициент шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при несовпадении импеданса.

Температурное рассогласование (проблема с параллельным включением транзисторов)

Если бы два идентичных силовых транзистора были подключены параллельно для более высокого тока, можно было бы ожидать, что они будут делить ток поровну. Из-за различий в характеристиках транзисторы распределяют ток неравномерно.

Для транзисторов, подключенных параллельно для увеличения мощности, требуются эмиттерные балластные резисторы

Подбирать одинаковые транзисторы нецелесообразно. Β для малосигнальных транзисторов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов:20–50. Если бы каждый из них мог быть подобран, один все равно мог бы работать горячее, чем другой из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгоне. Решением при параллельном подключении биполярных транзисторов является установка эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы . менее ома. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивается - отрицательная обратная связь. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также помогает уравнять ток.

Высокочастотные эффекты

Характеристики транзисторного усилителя относительно постоянны до определенного момента, как показано на рисунке ниже по коэффициенту усиления по току с общим эмиттером слабого сигнала при увеличении частоты. За пределами этой точки характеристики транзистора ухудшаются с увеличением частоты.

Частота отсечки бета , fT - частота, на которой усиление тока слабого сигнала с общим эмиттером (h _fe ) падает до единицы. Практический усилитель должен иметь коэффициент усиления> 1. Таким образом, транзистор нельзя использовать в практическом усилителе на fT. Более приемлемый предел для транзистора - 0,1 · фТл. Рассмотрим иллюстрацию.

Коэффициент усиления слабого сигнала с общим эмиттером в зависимости от частоты

Некоторые кремниевые биполярные транзисторы RF могут использоваться в качестве усилителей до нескольких ГГц. Кремний-германиевые устройства расширяют верхний диапазон до 10 ГГц.

Частота среза альфа-канала ,

f _альфа - частота, при которой α падает до 0,707 низкой частоты α. Отсечка альфа и бета почти равны:f _alpha ≅fT. Бета-отсечка fT является предпочтительным показателем качества при высоких частотах.

f макс это наивысшая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления равен единице. Весь выход возвращается на вход для поддержания колебаний. f _max - это верхний предел частоты работы транзистора как активного устройства. Хотя практический усилитель не будет использоваться при f _max .

Эффект Миллера: Предел высокой частоты для транзистора связан с емкостями перехода. Например, PN2222A имеет входную емкость C _obo =9 пФ и выходная емкость C _ibo =25 пФ от C-B и E-B соответственно. [FAR] Хотя емкость C-E, равная 25 пФ, кажется большой, она имеет меньшее значение, чем емкость C-B (9 пФ) из-за эффекта Миллера . , емкость C-B влияет на базу, эквивалентную бета-емкости, умноженной на емкость усилителя с общим эмиттером. Почему это могло быть? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал от базы к коллектору. Обратный коллекторный сигнал, подаваемый обратно на базу, противостоит входу на базе. Коллекторный сигнал в бета раз больше входного. Для PN2222A β =50–300. Таким образом, емкость C-E 9 пФ выглядит как от 9 · 50 =450 пФ до 9 · 300 =2700 пФ.

Решением проблемы емкости перехода является выбор высокочастотного транзистора для широкополосных приложений - RF (радиочастота) или микроволнового транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования конфигурации с общей базой вместо конфигурации с общим эмиттером. Заземленная база экранирует вход эмиттера от емкостной обратной связи коллектора. Двухтранзисторная каскодная схема даст ту же полосу пропускания, что и схема с общей базой, с более высоким входным сопротивлением по сравнению с общим эмиттером.

ОБЗОР:

• Транзисторные усилители демонстрируют искажения из-за изменения β в зависимости от тока коллектора.
• Я _c , V _BE , β и емкость перехода зависят от температуры.
• Повышение температуры может вызвать повышение I _C , вызывая повышение температуры, порочный круг, известный как неуправляемый нагрев .
• Емкость перехода ограничивает высокочастотное усиление транзистора. Эффект Миллера делает C _cb выглядят в β раз больше у основания усилителя CE.
• Транзисторный шум ограничивает возможность усиления слабых сигналов. Коэффициент шума является показателем качества транзисторного шума.
• При параллельном подключении силовых транзисторов для увеличения тока вставьте балластные резисторы . последовательно с эмиттерами для выравнивания тока.
• F _T является абсолютным верхним пределом частоты для усилителя CE, коэффициент усиления по току малого сигнала падает до единицы, h _fe =1.
• Fmax - это верхний предел частоты для генератора в наиболее идеальных условиях.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист усилителей BJT класса A