Quirks de BJT

Un transistor ideal mostraría un 0% de distorsión al amplificar una señal. Su ganancia se extendería a todas las frecuencias. Controlaría cientos de amperios de corriente, a cientos de grados C. En la práctica, los dispositivos disponibles muestran distorsión. La amplificación está limitada en el extremo de alta frecuencia del espectro. Las piezas reales solo manejan decenas de amperios con precaución. Se debe tener cuidado al conectar transistores en paralelo para una corriente más alta. El funcionamiento a temperaturas elevadas puede destruir los transistores si no se toman precauciones.

No linealidad

El amplificador de emisor común de clase A (similar al de la Figura anterior) se conduce casi al recorte en la siguiente figura. Tenga en cuenta que el pico positivo es más plano que los picos negativos. Esta distorsión es inaceptable en muchas aplicaciones como el audio de alta fidelidad.

Distorsión en amplificador de emisor común de señal grande.

Los amplificadores de señal pequeña son relativamente lineales porque utilizan una pequeña sección lineal de las características del transistor. Los amplificadores de señal grandes no son 100% lineales porque las características del transistor como β no son constantes sino que varían con la corriente del colector. β es alto con corriente de colector baja y bajo con corriente muy baja o alta. Sin embargo, encontramos principalmente una disminución de β al aumentar la corriente del colector.

 amplificador de emisor común 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 .modelo q2n2222 npn (es =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) .cuatro 2000 v (2) .tran 0.02m 0.74m .fin 

 especia -b ce.cir; Análisis de Fourier v (2):Distorsión armónica total:10,4688% 

Har Frec Norma Mag 000120001240000.0979929360000.0365461480000.004387095100000.001158786120000.000893887140000.000211698160003.8158e-059180003.3726e-05

Lista de redes SPICE:para análisis transitorios y de Fourier. El análisis de Fourier muestra un 10% de distorsión armónica total (THD).

La lista de SPICE en la tabla anterior ilustra cómo cuantificar la cantidad de distorsión. El comando ".fourier 2000 v (2)" le dice a SPICE que realice un análisis de Fourier a 2000 Hz en la salida v (2). En la línea de comando, “spice -b circuitname.cir” produce el resultado del análisis de Fourier en la Tabla anterior. Muestra THD (distorsión armónica total) superior al 10% y la contribución de los armónicos individuales.

Una solución parcial a esta distorsión es disminuir la corriente del colector u operar el amplificador en una porción más pequeña de la línea de carga. La solución definitiva es aplicar comentarios negativos. Ver comentarios.

Desviación de temperatura

La temperatura afecta las características de CA y CC de los transistores. Los dos aspectos de este problema son la variación de la temperatura ambiental y el autocalentamiento. Algunas aplicaciones, como militares y automotrices, requieren operación en un rango de temperatura extendido. Los circuitos en un entorno benigno están sujetos a autocalentamiento, en particular los circuitos de alta potencia.

Corriente de fuga I _CO y β aumentan con la temperatura. El DC β (h _FE ) aumenta exponencialmente. El AC β (h _fe ) aumenta, pero no tan rápidamente. Se duplica en el rango de -55 ° a 85 ° C. A medida que aumenta la temperatura, el aumento de h _fe producirá una salida de emisor común más grande, que podría recortarse en casos extremos. El aumento de hFE desplaza el punto de sesgo, posiblemente recortando un pico. El cambio en el punto de polarización se amplifica en amplificadores de acoplamiento directo de múltiples etapas. La solución es alguna forma de retroalimentación negativa para estabilizar el punto de sesgo. Esto también estabiliza la ganancia de CA.

El aumento de temperatura en la figura siguiente (a) disminuirá V _BE desde el nominal 0,7 V para transistores de silicio. La disminución de VBE aumenta la corriente del colector en un amplificador de emisor común, desplazando aún más el punto de polarización. La cura para cambiar VBE es un par de transistores configurados como un amplificador diferencial. Si ambos transistores en la Figura siguiente (b) están a la misma temperatura, el VBE rastreará el cambio de temperatura y se cancelará.

(a) amplificador CE de un solo extremo frente a (b) amplificador diferencial con cancelación de VBE.

La temperatura de unión máxima recomendada para dispositivos de silicio es con frecuencia de 125 ° C. Sin embargo, esto debe reducirse para una mayor confiabilidad. La acción del transistor cesa más allá de los 150 ° C. Los transistores de carburo de silicio y diamante funcionarán considerablemente más alto.

Fuga térmica

El problema con el aumento de temperatura que provoca un aumento de la corriente del colector es que más corriente aumenta la potencia disipada por el transistor que, a su vez, aumenta su temperatura. Este ciclo de autorrefuerzo se conoce como fuga térmica , que puede destruir el transistor. Nuevamente, la solución es un esquema de sesgo con algún tipo de retroalimentación negativa para estabilizar el punto de sesgo.

Capacitancia de unión

Existe capacitancia entre los terminales de un transistor . La capacitancia de la base del colector C _CB y capacitancia de emisor-base C _EB Disminuir la ganancia de un circuito emisor común a frecuencias más altas. En un amplificador de emisor común, la retroalimentación capacitiva del colector a la base multiplica efectivamente C _CB por β. La cantidad de retroalimentación negativa reductora de ganancia está relacionada tanto con la ganancia de corriente como con la cantidad de capacitancia de la base del colector. Esto se conoce como efecto Miller.

Ruido

La máxima sensibilidad de los amplificadores de señal pequeña está limitada por el ruido debido a variaciones aleatorias en el flujo de corriente. Las dos principales fuentes de ruido en los transistores son el ruido de disparo debido al flujo de corriente de los portadores en la base y al ruido térmico . La fuente del ruido térmico es la resistencia del dispositivo y aumenta con la temperatura:

El ruido en un amplificador de transistor se define en términos de exceso de ruido generado por el amplificador, no el ruido amplificado de entrada a salida, sino el generado dentro del amplificador. Esto se determina midiendo la relación señal / ruido (S / N) en la entrada y salida del amplificador. La salida de voltaje CA de un amplificador con una pequeña entrada de señal corresponde a S + N, señal más ruido. El voltaje de CA sin señal corresponde al ruido N. El la cifra de ruido indica como "F" se define en términos de S / N de entrada y salida del amplificador:

El factor de ruido F para transistores de RF (radiofrecuencia) generalmente se enumera en las hojas de datos de transistores en decibelios, F _dB . Un buen factor de ruido de VHF (frecuencia muy alta, 30 MHz a 300 MHz) es <1 dB. La cifra de ruido por encima de VHF aumenta considerablemente, 20 dB por década, como se muestra en la siguiente figura.

Figura de ruido de transistor de señal pequeña frente a frecuencia. Después de Thiele, figura 11.147 [AGT]

La figura anterior también muestra que el ruido a bajas frecuencias aumenta a 10 dB por década al disminuir la frecuencia. Este ruido se conoce como ruido 1 / f .

La cifra de ruido varía con el tipo de transistor (número de pieza). Los transistores de RF de pequeña señal utilizados en la entrada de antena de un receptor de radio están diseñados específicamente para una figura de bajo ruido. La cifra de ruido varía con la corriente de polarización y la coincidencia de impedancia. La mejor figura de ruido para un transistor se logra con una corriente de polarización más baja y posiblemente con una falta de coincidencia de impedancia.

Desajuste térmico (problema con transistores en paralelo)

Si dos transistores de potencia idénticos se pusieran en paralelo para una corriente más alta, se esperaría que compartieran la corriente por igual. Debido a las diferencias en las características, los transistores no comparten la corriente por igual.

Los transistores en paralelo para aumentar la potencia requieren resistencias de balasto de emisor

No es práctico seleccionar transistores idénticos. El β para transistores de señal pequeña normalmente tiene un rango de 100-300, transistores de potencia:20-50. Si cada uno pudiera coincidir, uno aún podría calentarse más que el otro debido a las condiciones ambientales. El transistor más caliente consume más corriente, lo que resulta en una fuga térmica. La solución al conectar transistores bipolares en paralelo es insertar resistencias emisoras conocidas como resistencias de balasto de menos de un ohmio. Si el transistor más caliente consume más corriente, la caída de voltaje a través de la resistencia de balasto aumenta (retroalimentación negativa). Esto disminuye la corriente. Montar todos los transistores en el mismo disipador de calor también ayuda a ecualizar la corriente.

Efectos de alta frecuencia

El rendimiento de un amplificador de transistor es relativamente constante, hasta cierto punto, como lo muestra la ganancia de corriente del emisor común de señal pequeña con frecuencia creciente en la figura siguiente. Más allá de ese punto, el rendimiento de un transistor se degrada a medida que aumenta la frecuencia.

Frecuencia de corte beta , fT es la frecuencia a la que la ganancia de corriente de señal pequeña de emisor común (h _fe ) cae a la unidad. Un amplificador práctico debe tener una ganancia> 1. Por tanto, no se puede utilizar un transistor en un amplificador práctico en fT. Un límite más utilizable para un transistor es 0.1 · fT. Considere la ilustración.

Ganancia de corriente de señal pequeña de emisor común (hfe) frente a frecuencia.

Algunos transistores bipolares de silicio de RF se pueden utilizar como amplificadores hasta unos pocos GHz. Los dispositivos de silicio-germanio extienden el rango superior a 10 GHz.

Frecuencia de corte alfa ,

f _alpha es la frecuencia a la que α cae a 0,707 de α de baja frecuencia. El límite alfa y el límite beta son casi iguales:f _alpha ≅fT. Beta cutoff fT es la figura preferida de mérito del rendimiento de alta frecuencia.

f máx. es la frecuencia de oscilación más alta posible en las condiciones más favorables de adaptación de polarización e impedancia. Es la frecuencia a la que la ganancia de potencia es la unidad. Toda la salida se retroalimenta a la entrada para sostener las oscilaciones. f _max es un límite superior para la frecuencia de funcionamiento de un transistor como dispositivo activo. Sin embargo, un amplificador práctico no sería utilizable en f _max .

Efecto Miller: El límite de alta frecuencia para un transistor está relacionado con las capacitancias de la unión. Por ejemplo, un PN2222A tiene una capacitancia de entrada C _obo =9pF y una capacitancia de salida C _ibo =25pF de C-B y E-B respectivamente. [FAR] Aunque la capacitancia C-E de 25 pF parece grande, es un factor menor que la capacitancia C-B (9pF) debido al efecto Miller , la capacitancia C-B tiene un efecto en la base equivalente a beta veces la capacitancia en el amplificador de emisor común. ¿Por qué podría ser esto? Un amplificador de emisor común invierte la señal de la base al colector. La señal del colector invertido retroalimentada a la base se opone a la entrada en la base. La señal del colector es beta veces mayor que la entrada. Para el PN2222A, β =50–300. Por lo tanto, la capacitancia C-E de 9pF parece 9 · 50 =450pF a 9 · 300 =2700pF.

La solución al problema de la capacitancia de la unión es seleccionar un transistor de alta frecuencia para aplicaciones de ancho de banda amplio:RF (radiofrecuencia) o transistor de microondas. El ancho de banda se puede ampliar aún más utilizando la base común en lugar de la configuración de emisor común. La base conectada a tierra protege la entrada del emisor de la retroalimentación capacitiva del colector. Una disposición en cascodo de dos transistores producirá el mismo ancho de banda que la base común, con la impedancia de entrada más alta del emisor común.

REVISAR:

• Los amplificadores de transistores exhiben distorsión debido a la variación β con la corriente del colector.
• Yo _c , V _BE , β y la capacitancia de la unión varían con la temperatura.
• Un aumento de temperatura puede provocar un aumento de I _C , provocando un aumento de temperatura, un círculo vicioso conocido como fuga térmica .
• La capacitancia de unión limita la ganancia de alta frecuencia de un transistor. El efecto Miller hace que C _cb parece β veces más grande en la base de un amplificador CE.
• El ruido del transistor limita la capacidad de amplificar señales pequeñas. Figura de ruido es una figura de mérito con respecto al ruido de transistores.
• Cuando conecte en paralelo transistores de potencia para aumentar la corriente, inserte resistencias de balasto en serie con los emisores para igualar la corriente.
• F _T es el límite de frecuencia superior absoluto para un amplificador CE, la ganancia de corriente de señal pequeña cae a la unidad, h _fe =1.
• Fmax es el límite de frecuencia superior para un oscilador en las condiciones más ideales.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase A