BJT Quirks

Een ideale transistor zou 0% vervorming vertonen bij het versterken van een signaal. De versterking zou zich uitstrekken tot alle frequenties. Het zou honderden ampères stroom regelen, bij honderden graden C. In de praktijk vertonen beschikbare apparaten vervorming. De versterking is beperkt aan het hoge frequentie-uiteinde van het spectrum. Echte onderdelen kunnen met voorzorg maar tientallen ampères aan. Voorzichtigheid is geboden bij het parallel schakelen van transistoren voor een hogere stroomsterkte. Werking bij hoge temperaturen kan transistoren vernietigen als er geen voorzorgsmaatregelen worden genomen.

Niet-lineariteit

De klasse A common-emitter-versterker (vergelijkbaar met de vorige afbeelding) wordt in de onderstaande afbeelding bijna tot clipping aangestuurd. Merk op dat de positieve piek vlakker is dan de negatieve pieken. Deze vervorming is onaanvaardbaar in veel toepassingen zoals hifi-audio.

Vervorming in common-emitterversterker met groot signaal.

Kleine signaalversterkers zijn relatief lineair omdat ze een klein lineair deel van de transistorkarakteristieken gebruiken. Grote signaalversterkers zijn niet 100% lineair omdat transistorkarakteristieken zoals β niet constant zijn, maar variëren met de collectorstroom. β is hoog bij lage collectorstroom en laag bij zeer lage stroom of hoge stroom. We komen echter voornamelijk afnemende β tegen bij toenemende collectorstroom.

common-emitter versterker 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 .einde 

 specerij -b ce.cir; Fourier-analyse v (2):THD:10,4688 % 

Har Frequent Norm Mag 000120001240000.0979929360000.0365461480000.0043870951000000.001158786120000.000893887140000.000211698160003.8158e-059180003.3726e-05

SPICE-netlijst:voor transiënte en fourieranalyses. Fourier-analyse toont 10% totale harmonische vervorming (THD).

De SPICE-lijst in de bovenstaande tabel illustreert hoe de hoeveelheid vervorming kan worden gekwantificeerd. De opdracht ".fourier 2000 v (2)" vertelt SPICE om een ​​fourier-analyse uit te voeren bij 2000 Hz op de output v (2). Op de opdrachtregel produceert "spice -b circuitname.cir" de Fourier-analyse-uitvoer in de bovenstaande tabel. Het toont THD (totale harmonische vervorming) van meer dan 10% en de bijdrage van de individuele harmonischen.

Een gedeeltelijke oplossing voor deze vervorming is om de collectorstroom te verlagen of de versterker over een kleiner deel van de belastingslijn te laten werken. De ultieme oplossing is om negatieve feedback toe te passen. Zie feedback.

Temperatuurafwijking

Temperatuur beïnvloedt de AC- en DC-karakteristieken van transistors. De twee aspecten van dit probleem zijn variatie in omgevingstemperatuur en zelfverhitting. Sommige toepassingen, zoals militaire en automobieltoepassingen, vereisen werking over een groter temperatuurbereik. Circuits in een goedaardige omgeving zijn onderhevig aan zelfverhitting, met name circuits met hoog vermogen.

Lekstroom I_CO en β stijgen met de temperatuur. De DC β (h_FE ) exponentieel toeneemt. De AC β (h_fe ) neemt toe, maar niet zo snel. Het verdubbelt over het bereik van -55 ° tot 85 ° C. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de toename in h_fe zal een grotere common-emitter-output opleveren, die in extreme gevallen kan worden afgekapt. De toename in hFE verschuift het bias-punt, waarbij mogelijk één piek wordt afgekapt. De verschuiving in het biaspunt wordt versterkt in meertraps direct gekoppelde versterkers. De oplossing is een vorm van negatieve feedback om het biaspunt te stabiliseren. Dit stabiliseert ook de AC-versterking.

Toenemende temperatuur in onderstaande afbeelding (a) zal V_BE . verlagen van de nominale 0,7 V voor siliciumtransistors. Het verlagen van VBE verhoogt de collectorstroom in een common-emitter-versterker, waardoor het biaspunt verder wordt verschoven. De remedie voor het verschuiven van VBE is een paar transistors die zijn geconfigureerd als een differentiële versterker. Als beide transistors in het onderstaande figuur (b) dezelfde temperatuur hebben, zal de VBE volgen met veranderende temperatuur en annuleren.

(a) enkelzijdige CE-versterker versus (b) differentiële versterker met VBE-onderdrukking.

De maximaal aanbevolen junctietemperatuur voor siliciumapparaten is vaak 125 ° C. Dit moet echter worden verlaagd voor een hogere betrouwbaarheid. Transistorwerking stopt na 150° C. Siliciumcarbide- en diamanttransistors zullen aanzienlijk hoger werken.

Thermische wegloper

Het probleem met toenemende temperatuur die een toenemende collectorstroom veroorzaakt, is dat meer stroom het door de transistor gedissipeerde vermogen verhoogt, wat op zijn beurt de temperatuur verhoogt. Deze zichzelf versterkende cyclus staat bekend als thermische wegloop , die de transistor kunnen vernietigen. Nogmaals, de oplossing is een bias-schema met een vorm van negatieve feedback om het bias-punt te stabiliseren.

Kruiscapaciteit

Er is capaciteit tussen de klemmen van een transistor . De collector-basiscapaciteit C_CB en emitter-basiscapaciteit C_EB verminder de versterking van een gemeenschappelijk emittercircuit bij hogere frequenties. In een gemeenschappelijke emitterversterker vermenigvuldigt de capacitieve feedback van collector naar basis effectief C_CB door . De hoeveelheid negatieve versterkingsreducerende feedback is gerelateerd aan zowel de stroomversterking als de hoeveelheid collector-basiscapaciteit. Dit staat bekend als het Miller-effect.

Ruis

De ultieme gevoeligheid van kleine signaalversterkers wordt beperkt door ruis als gevolg van willekeurige variaties in de stroom. De twee belangrijkste bronnen van ruis in transistors zijn schotruis vanwege de huidige stroom van dragers in de basis en thermische ruis . De bron van thermische ruis is de weerstand van het apparaat en neemt toe met de temperatuur:

Ruis in een transistorversterker wordt gedefinieerd in termen van overmatige ruis gegenereerd door de versterker, niet die ruis die van ingang naar uitgang wordt versterkt, maar die binnen de versterker wordt gegenereerd. Dit wordt bepaald door de signaal-ruisverhouding te meten (S/N) aan de ingang en uitgang van de versterker. De AC-spanningsuitgang van een versterker met een kleine signaalingang komt overeen met S+N, signaal plus ruis. De wisselspanning zonder signaal komt overeen met ruis N. De ruisgetal geeft aan als "F" wordt gedefinieerd in termen van S/N van de ingang en uitgang van de versterker:

Het ruisgetal F voor RF-transistors (radiofrequentie) wordt meestal vermeld op de databladen van de transistors in decibel, F_dB . Een goede VHF (zeer hoge frequentie, 30 MHz tot 300 MHz) ruisgetal is <1 dB. Het ruisgetal boven VHF neemt aanzienlijk toe, 20 dB per decennium, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

Klein signaaltransistorruisgetal versus frequentie. Na Thiele, figuur 11.147 [AGT]

Bovenstaande figuur laat ook zien dat ruis bij lage frequenties met 10 dB per decennium toeneemt met afnemende frequentie. Deze ruis staat bekend als 1/f-ruis .

Het ruisgetal is afhankelijk van het type transistor (onderdeelnummer). RF-transistors met klein signaal die worden gebruikt bij de antenne-ingang van een radio-ontvanger zijn speciaal ontworpen voor een laag ruisgetal. Het ruisgetal varieert met de biasstroom en de aanpassing van de impedantie. Het beste ruisgetal voor een transistor wordt bereikt bij een lagere biasstroom en mogelijk met een impedantiemismatch.

Thermische mismatch (probleem met parallel geschakelde transistoren)

Als twee identieke vermogenstransistoren parallel zouden staan ​​voor een hogere stroomsterkte, zou je verwachten dat ze de stroom gelijkelijk zouden verdelen. Vanwege verschillen in karakteristieken delen transistors de stroom niet gelijk.

Transistors parallel voor meer vermogen vereisen emitterballastweerstanden

Het is niet praktisch identieke transistoren te selecteren. De β voor kleine signaaltransistoren heeft typisch een bereik van 100-300, vermogenstransistoren:20-50. Als elk zou kunnen worden geëvenaard, kan de ene nog steeds heter worden dan de andere vanwege de omgevingsomstandigheden. De warmere transistor trekt meer stroom, wat resulteert in thermische runaway. De oplossing bij het parallel schakelen van bipolaire transistoren is het plaatsen van emitterweerstanden die bekend staan ​​als ballastweerstanden van minder dan een ohm. Als de warmere transistor meer stroom trekt, neemt de spanningsval over de ballastweerstand toe - negatieve feedback. Hierdoor neemt de stroom af. Het monteren van alle transistors op hetzelfde koellichaam helpt ook de stroom gelijk te maken.

Hoge frequentie effecten

De prestaties van een transistorversterker zijn tot op zekere hoogte relatief constant, zoals blijkt uit de kleine gemeenschappelijke emitterstroomversterking met toenemende frequentie in onderstaande afbeelding. Voorbij dat punt neemt de prestatie van een transistor af naarmate de frequentie toeneemt.

Bèta-grensfrequentie , fT is de frequentie waarbij de common-emitter kleine signaalstroomversterking (h_fe ) valt tot eenheid. Een praktische versterker moet een versterking>1 hebben. Een transistor kan dus niet worden gebruikt in een praktische versterker op fT. Een meer bruikbare limiet voor een transistor is 0,1·fT. Denk aan de illustratie.

Common-emitter kleine signaalstroomversterking (hfe) versus frequentie.

Sommige bipolaire RF-siliciumtransistoren zijn bruikbaar als versterkers tot enkele GHz. Silicium-germanium-apparaten breiden het bovenste bereik uit tot 10 GHz.

Alfa-afsnijfrequentie ,

f_alfa is de frequentie waarbij de α daalt tot 0,707 van de lage frequentie α. Alfa-grenswaarde en bèta-grenswaarde zijn bijna gelijk:f_alpha fT. Beta cutoff fT is de geprefereerde verdienste van hoge frequentieprestaties.

v max is de hoogst mogelijke oscillatiefrequentie onder de gunstigste omstandigheden van bias en impedantie-aanpassing. Het is de frequentie waarop de vermogenswinst eenheid is. Alle output wordt teruggevoerd naar de input om oscillaties te ondersteunen. f_max is een bovengrens voor de werkfrequentie van een transistor als een actief apparaat. Een praktische versterker zou echter niet bruikbaar zijn op f_max .

Miller-effect: De hoge frequentielimiet voor een transistor is gerelateerd aan de junctiecapaciteiten. Een PN2222A heeft bijvoorbeeld een ingangscapaciteit C_obo =9pF en een uitgangscapaciteit C_ibo =25 pF van respectievelijk C-B en E-B. [FAR] Hoewel de C-E-capaciteit van 25 pF groot lijkt, is deze minder van belang dan de C-B (9pF) capaciteit vanwege het Miller-effect , heeft de C-B-capaciteit een effect op de basis dat gelijk is aan bèta maal de capaciteit in de common-emitter-versterker. Waarom zou dit kunnen zijn? Een common-emitter versterker inverteert het signaal van de basis naar de collector. Het geïnverteerde collectorsignaal dat naar de basis wordt teruggevoerd, is tegengesteld aan de ingang op de basis. Het collectorsignaal is bèta keer groter dan de ingang. Voor de PN2222A, β=50–300. De 9pF C-E-capaciteit ziet er dus uit als 9·50=450pF tot 9·300=2700pF.

De oplossing voor het probleem van de junctiecapaciteit is het selecteren van een hoogfrequente transistor voor toepassingen met brede bandbreedte:RF (radiofrequentie) of microgolftransistor. De bandbreedte kan verder worden uitgebreid door gebruik te maken van de common-base in plaats van de common-emitter-configuratie. De geaarde basis schermt de emitterinvoer af van capacitieve collectorfeedback. Een cascode-opstelling met twee transistoren levert dezelfde bandbreedte op als de common-base, met de hogere ingangsimpedantie van de common-emitter.

BEOORDELING:

• Transistorversterkers vertonen vervorming vanwege β variatie met collectorstroom.
• Ik_c , V_BE , β en junctiecapaciteit variëren met de temperatuur.
• Een verhoging van de temperatuur kan een verhoging van I_C . veroorzaken , waardoor de temperatuur stijgt, een vicieuze cirkel die bekend staat als thermal runaway.
• De junctiecapaciteit beperkt de hoogfrequente versterking van een transistor. Het Miller-effect maakt C_cb kijk β keer groter aan de basis van een CE-versterker.
• Transistorruis beperkt het vermogen om kleine signalen te versterken. Geluidscijfer is een verdienste met betrekking tot transistorruis.
• Bij het parallel schakelen van vermogenstransistoren voor verhoogde stroom, plaats ballastweerstanden in serie met de zenders om de stroom gelijk te maken.
• F_T is de absolute bovengrens van de frequentie voor een CE-versterker, kleine signaalstroomversterking daalt tot één, h_fe =1.
• Fmax is de bovenste frequentielimiet voor een oscillator onder de meest ideale omstandigheden.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Klasse A BJT versterkers werkblad