BJT-Macken

SPICE-Netzliste:für transiente und Fourier-Analysen. Die Fourier-Analyse zeigt 10 % der gesamten harmonischen Verzerrung (THD).

Die SPICE-Liste in der obigen Tabelle veranschaulicht, wie der Verzerrungsgrad quantifiziert wird. Der Befehl „.fourier 2000 v(2)“ weist SPICE an, eine Fourier-Analyse bei 2000 Hz am Ausgang v(2) durchzuführen. Auf der Befehlszeile erzeugt „spice -b circuitname.cir“ die Fourier-Analyse-Ausgabe in der obigen Tabelle. Es zeigt THD (Total Harmonic Distortion) von über 10 % und den Beitrag der einzelnen Harmonischen.

Eine Teillösung für diese Verzerrung besteht darin, den Kollektorstrom zu verringern oder den Verstärker über einen kleineren Teil der Lastleitung zu betreiben. Die ultimative Lösung besteht darin, negatives Feedback anzuwenden. Siehe Feedback.

Temperaturdrift

Die Temperatur beeinflusst die AC- und DC-Eigenschaften von Transistoren. Die beiden Aspekte dieses Problems sind Schwankungen der Umgebungstemperatur und Selbsterhitzung. Einige Anwendungen wie Militär und Automobil erfordern einen Betrieb über einen erweiterten Temperaturbereich. Stromkreise in einer gutartigen Umgebung unterliegen einer Eigenerwärmung, insbesondere Stromkreise mit hoher Leistung.

Leckstrom I_CO und β nehmen mit der Temperatur zu. Der DC β (h_FE ) nimmt exponentiell zu. Die AC β (h_fe ) nimmt zu, aber nicht so schnell. Sie verdoppelt sich im Bereich von -55° bis 85° C. Mit steigender Temperatur steigt der h_fe .-Wert ergibt einen größeren Common-Emitter-Ausgang, der in extremen Fällen abgeschnitten werden könnte. Der Anstieg des hFE verschiebt den Bias-Punkt, wodurch möglicherweise ein Peak abgeschnitten wird. Die Verschiebung des Vorspannungspunkts wird in mehrstufigen direkt gekoppelten Verstärkern verstärkt. Die Lösung ist eine Form von negativer Rückkopplung, um den Bias-Punkt zu stabilisieren. Dies stabilisiert auch die AC-Verstärkung.

Eine Erhöhung der Temperatur in der Abbildung unten (a) verringert V_BE von den nominalen 0,7 V für Siliziumtransistoren. Eine Verringerung von VBE erhöht den Kollektorstrom in einem Verstärker mit gemeinsamem Emitter, wodurch der Vorspannungspunkt weiter verschoben wird. Das Heilmittel zum Verschieben von VBE ist ein Paar von Transistoren, die als Differenzverstärker konfiguriert sind. Wenn beide Transistoren in Abbildung unten (b) die gleiche Temperatur haben, folgt die VBE der Temperaturänderung und bricht ab.

(a) Single-Ended-CE-Verstärker vs. (b) Differenzverstärker mit VBE-Aufhebung.

Die maximal empfohlene Sperrschichttemperatur für Siliziumbauteile beträgt häufig 125°C. Diese sollte jedoch für eine höhere Zuverlässigkeit reduziert werden. Die Transistorwirkung hört über 150°C auf. Siliziumkarbid- und Diamanttransistoren arbeiten wesentlich höher.

Thermoausreißer

Das Problem mit steigender Temperatur, die einen steigenden Kollektorstrom verursacht, besteht darin, dass mehr Strom die vom Transistor verbrauchte Leistung erhöht, was wiederum seine Temperatur erhöht. Dieser sich selbst verstärkende Kreislauf ist bekannt als thermischer Weg , die den Transistor zerstören können. Auch hier ist die Lösung ein Bias-Schema mit irgendeiner Form von negativer Rückkopplung, um den Bias-Punkt zu stabilisieren.

Übergangskapazität

Kapazität existiert zwischen den Anschlüssen eines Transistors . Die Kollektor-Basis-Kapazität C_CB und Emitter-Basis-Kapazität C_EB Verringern Sie die Verstärkung einer gemeinsamen Emitterschaltung bei höheren Frequenzen. In einem Verstärker mit gemeinsamem Emitter vervielfacht die kapazitive Rückkopplung vom Kollektor zur Basis effektiv C_CB nach β. Der Betrag der negativen verstärkungsreduzierenden Rückkopplung hängt sowohl mit der Stromverstärkung als auch mit der Kollektor-Basis-Kapazität zusammen. Dies ist als Miller-Effekt bekannt.

Lärm

Die ultimative Empfindlichkeit von Kleinsignalverstärkern wird durch Rauschen aufgrund zufälliger Schwankungen des Stromflusses begrenzt. Die beiden Hauptrauschquellen in Transistoren sind Schrotrauschen aufgrund des Stromflusses von Trägern in der Basis und thermischem Rauschen . Die Quelle des thermischen Rauschens ist der Gerätewiderstand und steigt mit der Temperatur:

Rauschen in einem Transistorverstärker wird als überschüssiges Rauschen definiert vom Verstärker erzeugt wird, nicht das Rauschen, das vom Eingang zum Ausgang verstärkt wird, sondern das innerhalb des Verstärkers erzeugte. Dies wird durch Messung des Signal-Rausch-Verhältnisses . bestimmt (S/N) am Verstärkereingang und -ausgang. Der Wechselspannungsausgang eines Verstärkers mit Kleinsignaleingang entspricht S+N, Signal plus Rauschen. Die Wechselspannung ohne Signaleingang entspricht dem Rauschen N. Die Geräuschzahl bezeichnet als "F" wird durch das S/N des Verstärkereingangs und -ausgangs definiert:

Die Rauschzahl F für HF-Transistoren (Radio Frequency) wird normalerweise auf Transistordatenblättern in Dezibel angegeben, F_dB . Ein guter VHF-Rauschwert (sehr hohe Frequenz, 30 MHz bis 300 MHz) beträgt <1 dB. Die Rauschzahl über VHF steigt beträchtlich an, 20 dB pro Dekade, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Rauschzahl von Kleinsignaltransistoren vs. Frequenz. Nach Thiele, Abbildung 11.147 [AGT]

Die obige Abbildung zeigt auch, dass das Rauschen bei niedrigen Frequenzen mit abnehmender Frequenz um 10 dB pro Dekade zunimmt. Dieses Rauschen ist bekannt als 1/f-Rauschen .

Die Rauschzahl variiert je nach Transistortyp (Teilenummer). Kleinsignal-HF-Transistoren, die am Antenneneingang eines Funkempfängers verwendet werden, sind speziell für eine niedrige Rauschzahl ausgelegt. Die Rauschzahl variiert mit dem Vorspannungsstrom und der Impedanzanpassung. Die beste Rauschzahl für einen Transistor wird bei einem niedrigeren Vorspannungsstrom und möglicherweise bei einer Impedanzfehlanpassung erreicht.

Thermische Fehlanpassung (Problem mit Parallelschaltung von Transistoren)

Wenn zwei identische Leistungstransistoren für einen höheren Strom parallel geschaltet würden, würde man erwarten, dass sie sich den Strom gleichmäßig teilen. Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften verteilen Transistoren den Strom nicht gleichmäßig.

Parallelgeschaltete Transistoren für mehr Leistung erfordern Emitter-Ballastwiderstände

Es ist nicht praktikabel, identische Transistoren auszuwählen. Das β für Kleinsignaltransistoren hat typischerweise einen Bereich von 100-300, Leistungstransistoren:20-50. Wenn jeder angepasst werden könnte, könnte einer aufgrund der Umgebungsbedingungen immer noch heißer werden als der andere. Der heißere Transistor zieht mehr Strom, was zu einem thermischen Durchgehen führt. Die Lösung beim Parallelschalten von Bipolartransistoren besteht darin, Emitterwiderstände, die als Ballastwiderstände bekannt sind, einzufügen von weniger als einem Ohm. Zieht der heißere Transistor mehr Strom, steigt der Spannungsabfall am Ballastwiderstand – negative Rückkopplung. Dadurch wird der Strom verringert. Die Montage aller Transistoren auf demselben Kühlkörper hilft auch beim Stromausgleich.

Hochfrequenzeffekte

Die Leistung eines Transistorverstärkers ist bis zu einem gewissen Punkt relativ konstant, wie die kleine Signal-Emitter-Stromverstärkung mit zunehmender Frequenz in der folgenden Abbildung zeigt. Darüber hinaus nimmt die Leistung eines Transistors mit steigender Frequenz ab.

Beta-Grenzfrequenz , fT ist die Frequenz, bei der die Kleinsignalstromverstärkung im gemeinsamen Emitter (h_fe ) fällt zur Einheit. Ein praktischer Verstärker muss eine Verstärkung>1 haben. Somit kann ein Transistor in einem praktischen Verstärker bei fT nicht verwendet werden. Eine brauchbarere Grenze für einen Transistor ist 0,1·fT. Betrachten Sie die Abbildung.

Common-Emitter-Kleinsignal-Stromverstärkung (hfe) vs. Frequenz.

Einige HF-Silizium-Bipolartransistoren sind als Verstärker bis zu einigen GHz verwendbar. Silizium-Germanium-Bausteine ​​erweitern den oberen Bereich auf 10 GHz.

Alpha-Grenzfrequenz ,

f_alpha ist die Frequenz, bei der α auf 0,707 der niedrigen Frequenz α abfällt. Alpha-Cutoff und Beta-Cutoff sind fast gleich:f_alpha fT. Der Beta-Cutoff fT ist der bevorzugte Gütefaktor der Hochfrequenzleistung.

f max ist die höchstmögliche Oszillationsfrequenz unter den günstigsten Bedingungen der Vorspannungs- und Impedanzanpassung. Es ist die Frequenz, bei der die Leistungsverstärkung eins ist. Der gesamte Ausgang wird zum Eingang zurückgeführt, um Schwingungen aufrechtzuerhalten. f_max ist eine Obergrenze für die Betriebsfrequenz eines Transistors als aktives Bauelement. Allerdings wäre ein praktischer Verstärker bei f_max nicht verwendbar .

Miller-Effekt: Die Hochfrequenzgrenze für einen Transistor hängt mit den Sperrschichtkapazitäten zusammen. Zum Beispiel hat ein PN2222A eine Eingangskapazität C_obo =9pF und eine Ausgangskapazität C_ibo =25pF von C-B bzw. E-B. [FAR] Obwohl die C-E-Kapazität von 25 pF groß erscheint, ist sie aufgrund des Miller-Effekts von geringerer Bedeutung als die C-B-Kapazität (9pF). , hat die C-B-Kapazität einen Effekt auf die Basis, der dem Beta-fachen der Kapazität im Emitter-Verstärker entspricht. Warum könnte das sein? Ein Verstärker mit gemeinsamem Emitter invertiert das Signal von der Basis zum Kollektor. Das zur Basis rückgeführte invertierte Kollektorsignal steht dem Eingang an der Basis gegenüber. Das Kollektorsignal ist Beta-mal größer als der Eingang. Für PN2222A gilt β=50–300. Somit sieht die C-E-Kapazität von 9 pF aus wie 9.50 =450 pF bis 9.300 =2700 pF.

Die Lösung des Problems der Sperrschichtkapazität besteht darin, einen Hochfrequenztransistor für Breitbandanwendungen auszuwählen – HF-(Radiofrequenz)- oder Mikrowellentransistor. Die Bandbreite kann weiter erweitert werden, indem die Common-Base- statt der Common-Emitter-Konfiguration verwendet wird. Die geerdete Basis schirmt den Emittereingang von der Rückkopplung des kapazitiven Kollektors ab. Eine Kaskodenanordnung mit zwei Transistoren ergibt die gleiche Bandbreite wie die Basisschaltung, mit der höheren Eingangsimpedanz der Emitterschaltung.

RÜCKBLICK:

• Transistorverstärker weisen aufgrund der β-Variation mit dem Kollektorstrom Verzerrungen auf.
• I_c , V_BE , β und Sperrschichtkapazität variieren mit der Temperatur.
• Ein Temperaturanstieg kann zu einem Anstieg des I_C . führen , was zu einem Temperaturanstieg führt, einem Teufelskreis, der als thermisches Durchgehen bekannt ist
• Die Übergangskapazität begrenzt die Hochfrequenzverstärkung eines Transistors. Der Miller-Effekt macht C_cb schauen β-mal größer an der Basis eines CE-Verstärkers.
• Transistorrauschen begrenzt die Fähigkeit, kleine Signale zu verstärken. Geräuschzahl ist eine Gütezahl bezüglich des Transistorrauschens.
• Wenn Sie Leistungstransistoren parallel schalten, um einen erhöhten Strom zu erzielen, fügen Sie Ballastwiderstände ein in Reihe mit den Emittern, um den Strom auszugleichen.
• F_T ist die absolute obere Frequenzgrenze für einen CE-Verstärker, die Stromverstärkung bei kleinen Signalen fällt auf eins, h_fe =1.
• Fmax ist die obere Frequenzgrenze für einen Oszillator unter den idealsten Bedingungen.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Klasse-A-BJT-Verstärker