Ограничения усилителя с общим эмиттером: искажения, температура, высокочастотные проблемы

В идеальном мире транзистор усиливал бы сигналы с нулевыми искажениями, неограниченной частотой и управлял бы большими токами при высоких температурах. В реальности каждый BJT проявляет неидеальности, ограничивающие производительность. Эта статья объясняет ключевые особенности — нелинейность, температурный дрейф, тепловое самовозбуждение, переходные емкости, шум и высокочастотные пределы — и предлагает практические стратегии смягчения.

Нелинейность

Класс-А усилитель с общим эмиттером, возбужденный близко к обрезанию, показывает заметно более плоский положительный пик по сравнению с отрицательными пиками, как проиллюстрировано на рисунке ниже. Это искажение неприемлемо в высококачественном аудио и многих точных приложениях.

Большесигнальные усилители ОЭ по своей природе нелинейны, потому что транзисторные параметры, такие как β (усиление по току), варьируются с коллекторным током. В то время как β высок при малых I_C, он уменьшается при очень малых или больших токах, приводя к гармоническим искажениям.

 common-emitter amplifier
Vbias 4 0 0.74
Vsig 5 4 sin (0 125m 2000 0 0)
rbias 6 5 2k
q1 2 6 0 q2n2222
r 3 2 1000
v1 3 0 dc 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 0.02m 0.74m
.end 

 spice -b ce.cir; Fourier analysis v(2): THD: 10.4688 % 

Приведенный выше SPICE-нетлист демонстрирует, как количественно оценить искажения. Команда ".fourier 2000 v(2)" указывает SPICE проанализировать выход на 2000 Гц, давая общий коэффициент гармонических искажений (THD) 10,47 % и расклад по отдельным гармоникам. Уменьшение коллекторного тока или ограничение нагрузочной линии, и в конечном счете применение отрицательной обратной связи, может заметно снизить искажения.

Температурный дрейф

Температура влияет как на AC, так и на DC характеристики транзистора через изменения среды и самонагрев. Приложения в военной или автомобильной сферах часто требуют работы в широком температурном диапазоне. Даже в благоприятных условиях высокомощные схемы генерируют значительный самонагрев.

Ток утечки I_CO и β растут с температурой. DC β (h_FE) растет экспоненциально, в то время как AC β (h_fe) увеличивается медленнее, обычно удваиваясь от –55 °C до 85 °C. Это увеличение смещает рабочую точку, потенциально обрезая одну сторону выходной волны и усиливая дрейф смещения в многоступенчатых напрямую-связанных усилителях. Отрицательная обратная связь — стандартное решение для стабилизации как смещения, так и AC-усиления.

Рисунок (а) показывает односторонний усилитель ОЭ; при повышении температуры V_BE падает ниже номинальных 0,7 В для кремния, увеличивая коллекторный ток и дальше смещая рабочую точку. Рисунок (б) представляет дифференциальный усилитель, который компенсирует дрейф V_BE, когда оба транзистора имеют одинаковую температуру.

Максимально рекомендуемая температура перехода для кремниевых приборов — 125 °C, хотя занижение рекомендуется для более высокой надежности. Выше 150 °C работа кремниевых транзисторов прекращается. Кремний-карбид или алмазные транзисторы могут выдерживать существенно более высокие температуры.

Тепловое самовозбуждение

Повышенная температура увеличивает коллекторный ток, который в свою очередь поднимает рассеиваемую мощность и дальше повышает температуру — самоподдерживающийся цикл, известный как тепловое самовозбуждение. Лекарство — схема смещения, включающая отрицательную обратную связь для удержания рабочей точки стабильной.

Переходные емкости

Коллекторно-базовая (C_CB) и эмиттерно-базовая (C_EB) емкости снижают высокочастотное усиление. В усилителе ОЭ C_CB обратносит сигнал на базу, эффективно умножая свое влияние на β — эффект Миллера. Это существенно уменьшает полосу пропускания.

Шум

Транзисторный шум ограничивает чувствительность маломощных усилителей. Выстреловый шум от потока носителей в базе и тепловой шум от сопротивления прибора — основные участники. Тепловой шум растет с температурой.

Шумовой коэффициент (F) количественно определяет избыточный шум, добавляемый усилителем. Он выражается как отношение входного к выходному сигнал/шум отношениям, часто в децибелах (F_dB). Хороший ВЧ транзистор имеет F < 1 дБ, в то время как коэффициент растет примерно на 20 дБ на декаду выше ВЧ. Шум также возрастает на низких частотах (1/f шум) примерно на 10 дБ на декаду.

На рисунке ниже изображен график шумового коэффициента маломощного транзистора против частоты, показывающий компромиссы для РЧ и низкочастотных проектов.

Тепловой разброс в параллельных транзисторах

Когда идентичные силовые транзисторы параллелятся для увеличения тока, несовпадения в β и температуре вызывают неравномерное распределение тока, потенциально приводя к тепловому самовозбуждению. Решение — добавить эмиттерные баллистные резисторы (менее ома) для обеспечения отрицательной обратной связи, уравнивающей ток. Установка всех транзисторов на общий радиатор также помогает.

Высокочастотные эффекты

По мере роста частоты малосигнальное токовое усиление с общим эмиттером (h_fe) падает. Бета-частота среза f_T отмечает точку, где h_fe = 1; практические усилители требуют f < 0,1 f_T. Кремниевые биполярные приборы пригодны до нескольких ГГц; кремний-германий расширяет это до ~10 ГГц.

Альфа-частота среза f_α (где α = 0,707 · α₀) почти равна f_T. Максимальная частота генерации f_max — наивысшая частота, на которой транзистор может поддерживать генерации при оптимальном смещении и согласовании; это абсолютный верхний предел, хотя практические усилители никогда не работают близко к f_max.

Например, PN2222A имеет входную емкость C_obo = 9 пФ и выходную C_ibo = 25 пФ. Из-за эффекта Миллера эффективная базовая емкость становится β · C_CB, усиливая влияние на полосу пропускания.

Выбор высокочастотного транзистора и применение конфигурации с общей базой или каскода могут смягчить эффекты переходных емкостей и расширить полосу пропускания.

Обзор

• Искажения возникают из вариации β с коллекторным током.
• Коллекторный ток, V_BE, β и переходные емкости варьируются с температурой.
• Температурно-индуцированные увеличения тока могут запустить тепловое самовозбуждение.
• Переходная емкость, усиленная эффектом Миллера, ограничивает высокочастотное усиление.
• Шумовой коэффициент измеряет избыточный шум и ограничивает малосигнальное усиление.
• Параллеливание силовых транзисторов требует эмиттерных баллистных резисторов для уравнивания тока.
• f_T — абсолютный верхний частотный предел для ОЭ усилителя; f_max — теоретический максимум для генерации.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по усилителям класса А на биполярных транзисторах