BJT Quirks

Um transistor ideal apresentaria 0% de distorção na amplificação de um sinal. Seu ganho se estenderia a todas as frequências. Ele controlaria centenas de amperes de corrente, a centenas de graus C. Na prática, os dispositivos disponíveis mostram distorção. A amplificação é limitada na extremidade de alta frequência do espectro. As peças reais lidam apenas com dezenas de amperes com precauções. Deve-se ter cuidado ao colocar transistores em paralelo para corrente mais alta. A operação em temperaturas elevadas pode destruir os transistores se não forem tomadas precauções.

Não linearidade

O amplificador emissor comum de classe A (semelhante à Figura anterior) é levado quase ao corte na figura abaixo. Observe que o pico positivo é mais plano do que os picos negativos. Essa distorção é inaceitável em muitas aplicações, como áudio de alta fidelidade.



Distorção em amplificador de emissor comum de grande sinal.

Os amplificadores de sinais pequenos são relativamente lineares porque usam uma pequena seção linear das características do transistor. Amplificadores de sinais grandes não são 100% lineares porque as características do transistor como β não são constantes, mas variam com a corrente do coletor. β é alto em corrente de coletor baixa e baixo em corrente muito baixa ou corrente alta. Porém, encontramos principalmente β decrescente com o aumento da corrente de coletor.

 amplificador emissor comum 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 (é =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 .fim 

 especiarias -b ce.cir; Análise de Fourier v (2):THD:10,4688% 

Har Freq Norm Mag 000120001240000.0979929360000.0365461480000.004387095100000.001158786120000.000893887140000.000211698160003.8158e-059180003.3726e-05
Lista de rede SPICE:para análises transientes e de Fourier. A análise de Fourier mostra 10% de distorção harmônica total (THD).

A lista SPICE na tabela acima ilustra como quantificar a quantidade de distorção. O comando “.fourier 2000 v (2)” diz ao SPICE para realizar uma análise de Fourier a 2000 Hz na saída v (2). Na linha de comando, “spice -b nomedocircuito.cir” produz a saída da análise de Fourier na Tabela acima. Mostra THD (distorção harmônica total) de mais de 10% e a contribuição de cada harmônico.

Uma solução parcial para essa distorção é diminuir a corrente do coletor ou operar o amplificador em uma porção menor da linha de carga. A solução final é aplicar feedback negativo. Veja o feedback.

Desvio de temperatura

A temperatura afeta as características AC e DC dos transistores. Os dois aspectos desse problema são a variação da temperatura ambiente e o autoaquecimento. Algumas aplicações, como militares e automotivas, requerem operação em uma faixa de temperatura estendida. Os circuitos em um ambiente benigno estão sujeitos a autoaquecimento, em particular os circuitos de alta potência.

Corrente de fuga I _CO e β aumenta com a temperatura. O DC β (h _FE ) aumenta exponencialmente. O AC β (h _fe ) aumenta, mas não tão rapidamente. Ele dobra na faixa de -55 ° a 85 ° C. À medida que a temperatura aumenta, o aumento de h _fe irá produzir uma saída de emissor comum maior, que pode ser cortada em casos extremos. O aumento em hFE muda o ponto de viés, possivelmente cortando um pico. A mudança no ponto de polarização é amplificada em amplificadores de acoplamento direto de vários estágios. A solução é alguma forma de feedback negativo para estabilizar o ponto de polarização. Isso também estabiliza o ganho de CA.

O aumento da temperatura na figura abaixo (a) diminuirá V _BE do nominal 0,7 V para transistores de silício. A diminuição do VBE aumenta a corrente do coletor em um amplificador de emissor comum, deslocando ainda mais o ponto de polarização. A cura para o deslocamento do VBE é um par de transistores configurados como um amplificador diferencial. Se os dois transistores na Figura abaixo (b) estiverem na mesma temperatura, o VBE rastreará com a mudança de temperatura e cancelará.



(a) amplificador CE de terminação única vs (b) amplificador diferencial com cancelamento VBE.

A temperatura máxima de junção recomendada para dispositivos de silício é frequentemente 125 ° C. Porém, isso deve ser reduzido para maior confiabilidade. A ação do transistor cessa além de 150 ° C. Transistores de carboneto de silício e diamante operam consideravelmente mais alto.

Fuga térmica

O problema com o aumento da temperatura causando o aumento da corrente do coletor é que mais corrente aumenta a potência dissipada pelo transistor que, por sua vez, aumenta sua temperatura. Este ciclo de auto-reforço é conhecido como fuga térmica , o que pode destruir o transistor. Novamente, a solução é um esquema de polarização com alguma forma de feedback negativo para estabilizar o ponto de polarização.

Capacitância de junção

Existe capacitância entre os terminais de um transistor . A capacitância de base do coletor C _CB e capacitância base do emissor C _EB diminuir o ganho de um circuito emissor comum em frequências mais altas. Em um amplificador emissor comum, o feedback capacitivo do coletor para a base multiplica efetivamente C _CB por β. A quantidade de feedback de redução de ganho negativo está relacionada ao ganho de corrente e à quantidade de capacitância da base do coletor. Isso é conhecido como efeito Miller.

Ruído

A sensibilidade final de pequenos amplificadores de sinal é limitada pelo ruído devido a variações aleatórias no fluxo de corrente. As duas principais fontes de ruído em transistores são ruído de disparo devido ao fluxo de corrente de portadores na base e ruído térmico . A fonte de ruído térmico é a resistência do dispositivo e aumenta com a temperatura:



O ruído em um amplificador de transistor é definido em termos de excesso de ruído gerado pelo amplificador, não aquele ruído amplificado da entrada para a saída, mas aquele gerado dentro do amplificador. Isso é determinado medindo a relação sinal-ruído (S / N) na entrada e saída do amplificador. A saída de tensão CA de um amplificador com uma pequena entrada de sinal corresponde a S + N, sinal mais ruído. A tensão CA sem sinal corresponde ao ruído N. O figura de ruído denota como “F” é definido em termos de S / N de entrada e saída do amplificador:



A figura de ruído F para transistores de RF (frequência de rádio) é geralmente listada nas folhas de dados do transistor em decibéis, F _dB . Uma boa figura de ruído VHF (frequência muito alta, 30 MHz a 300 MHz) é <1 dB. O número de ruído acima de VHF aumenta consideravelmente, 20 dB por década, conforme mostrado na figura abaixo.



Figura de ruído do transistor de sinal pequeno vs frequência. Depois de Thiele, Figura 11.147 [AGT]

A figura acima também mostra que o ruído em baixas frequências aumenta em 10 dB por década com frequência decrescente. Este ruído é conhecido como ruído 1 / f .

O número de ruído varia com o tipo de transistor (número da peça). Transistores de RF de pequeno sinal usados ​​na entrada da antena de um receptor de rádio são projetados especificamente para figuras de baixo ruído. O número de ruído varia com a corrente de polarização e o casamento de impedância. A melhor figura de ruído para um transistor é obtida com corrente de polarização mais baixa e, possivelmente, com uma diferença de impedância.

Incompatibilidade térmica (problema com transistores em paralelo)

Se dois transistores de potência idênticos fossem colocados em paralelo para uma corrente mais alta, seria de se esperar que eles compartilhassem a corrente igualmente. Por causa das diferenças nas características, os transistores não compartilham a corrente igualmente.



Os transistores em paralelo para aumentar a potência requerem resistores de lastro do emissor

Não é prático selecionar transistores idênticos. O β para transistores de sinal pequenos normalmente tem uma faixa de 100-300, transistores de potência:20-50. Se cada um pudesse ser compatível, um ainda poderia ficar mais quente do que o outro devido às condições ambientais. O transistor mais quente consome mais corrente, resultando em fuga térmica. A solução para paralelizar transistores bipolares é inserir resistores de emissor conhecidos como resistores de lastro de menos de um ohm. Se o transistor mais quente puxa mais corrente, a queda de tensão no resistor de lastro aumenta - feedback negativo. Isso diminui a corrente. A montagem de todos os transistores no mesmo dissipador de calor também ajuda a equalizar a corrente.

Efeitos de alta frequência

O desempenho de um amplificador a transistor é relativamente constante, até certo ponto, conforme mostrado pelo pequeno ganho de corrente do emissor comum com frequência crescente na figura abaixo. Além desse ponto, o desempenho de um transistor se degrada à medida que a frequência aumenta.

Freqüência de corte beta , fT é a frequência na qual o pequeno emissor comum ganha corrente de sinal (h _fe ) cai para a unidade. Um amplificador prático deve ter um ganho> 1. Assim, um transistor não pode ser usado em um amplificador prático em fT. Um limite mais utilizável para um transistor é 0,1 · fT. Considere a ilustração.



Ganho de corrente de pequeno sinal de emissor comum (hfe) vs frequência.

Alguns transistores bipolares de silício de RF podem ser usados ​​como amplificadores de até alguns GHz. Dispositivos de silício-germânio estendem a faixa superior para 10 GHz.

Frequência de corte alfa ,

f _alfa é a frequência em que o α cai para 0,707 de baixa frequência α. O corte alfa e o limite beta são quase iguais:f _alfa ≅fT. Beta cutoff fT é a figura de mérito preferida de desempenho de alta frequência.

f max é a maior frequência de oscilação possível sob as condições mais favoráveis ​​de polarização e casamento de impedância. É a frequência com que o ganho de potência é unitário. Toda a saída é realimentada para a entrada para sustentar as oscilações. f _max é um limite superior para a frequência de operação de um transistor como um dispositivo ativo. Porém, um amplificador prático não seria utilizável em f _max .

Efeito Miller: O limite de alta frequência para um transistor está relacionado às capacitâncias da junção. Por exemplo, um PN2222A tem uma capacitância de entrada C _obo =9pF e uma capacitância de saída C _ibo =25pF de C-B e E-B, respectivamente. [FAR] Embora a capacitância C-E de 25 pF pareça grande, é menos fator do que a capacitância C-B (9pF) por causa do efeito Miller , a capacitância C-B tem um efeito na base equivalente a beta vezes a capacitância no amplificador emissor comum. Por que isso pode ser? Um amplificador emissor comum inverte o sinal da base para o coletor. O sinal do coletor invertido realimentado na base se opõe à entrada na base. O sinal do coletor é beta vezes maior do que a entrada. Para o PN2222A, β =50–300. Assim, a capacitância 9pF C-E parece 9,50 =450pF a 9,300 =2700pF.

A solução para o problema da capacitância da junção é selecionar um transistor de alta frequência para aplicações de largura de banda ampla - RF (radiofrequência) ou transistor de micro-ondas. A largura de banda pode ser estendida ainda mais usando a configuração de base comum em vez da configuração de emissor comum. A base aterrada protege a entrada do emissor da realimentação do coletor capacitivo. Um arranjo de cascode de dois transistores produzirá a mesma largura de banda que a base comum, com a impedância de entrada mais alta do emissor comum.

REVER:

• Os amplificadores de transistor exibem distorção devido à variação β com a corrente do coletor.
• I _c , V _BE , β e capacitância de junção variam com a temperatura.
• Um aumento na temperatura pode causar um aumento em I _C , causando um aumento na temperatura, um ciclo vicioso conhecido como fuga térmica.
• A capacitância da junção limita o ganho de alta frequência de um transistor. O efeito Miller torna C _cb parece β vezes maior na base de um amplificador CE.
• O ruído do transistor limita a capacidade de amplificar pequenos sinais. Figura de ruído é uma figura de mérito em relação ao ruído do transistor.
• Ao colocar transistores de potência em paralelo para aumentar a corrente, insira resistores de lastro em série com os emissores para equalizar a corrente.
• F _T é o limite de frequência superior absoluto para um amplificador CE, pequeno ganho de corrente de sinal cai para a unidade, h _fe =1.
• Fmax é o limite de frequência superior para um oscilador nas condições mais ideais.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de amplificadores BJT Classe A