Особенности биполярных транзисторов

Идеальный транзистор будет показывать нулевые искажения при усилении сигнала. Его коэффициент усиления будет одинаков на всех частотах. Он будет работать с токами в сотни ампер при температурах в сотни градусов Цельсия. На практике, доступные устройства демонстрируют искажения. Усиление ограничивается на высоких частотах спектра. При параллельной работе транзисторов для получения больших токов следует соблюдать осторожность. Эксплуатация при повышенных температурах может привести транзисторов к выходу из строя, если не будут приняты меры предосторожности.

Нелинейность

Усилитель класса A с общим эмиттером управляется почти до отсечки, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что верхушка положительной полуволны более плоская, чем у отрицательной. Для многих приложений, таких как усиление аудиосигнала высокого качества, такое искажение неприемлемо.

Усилители малых сигналов относительно линейны, потому что они используют небольшой линейный участок характеристик транзистора. Усилители больших сигналов не являются стопроцентно линейными, поскольку характеристики транзистора, такие как коэффициент β, не постоянны, а меняются в зависимости от тока коллектора. Коэффициент β высок при низком токе коллектора и низок при очень низком или высоком токе коллектора. Хотя в первую очередь, мы сталкиваемся с уменьшением β при увеличении тока коллектора.

Список соединений SPICE для анализа переходных процессов и анализа Фурье:

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
    

Анализ Фурье показывает коэффициент нелинейных искажений (THD) 10%:

spice -b ce.cir
Fourier analysis v(2):
THD: 10.4688 %
  
Har  Freq    Norm Mag
---  ----    ---------
0    0       0         
1    2000    1         
2    4000    0.0979929 
3    6000    0.0365461 
4    8000    0.00438709
5   10000    0.00115878
6   12000    0.00089388
7   14000    0.00021169
8   16000    3.8158e-05
9   18000    3.3726e-05
    

В листинге SPICE, приведенном выше, показано, как определить величину искажений. Команда “.fourier 2000 v(2)” сообщает SPICE о необходимости выполнения анализа Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v(2). Командная строка “spice -b circuitname.cir” выдает вывод анализа Фурье, который приведен выше. Он показывает, что коэффициент нелинейных искажений (THD, total harmonic distortion) составляет более 10%, и величину отдельных гармоник сигнала.

Частичным решением проблемы с этими искажениями является уменьшение тока коллектора или работа усилителя при большей нагрузке. Окончательным решением является применение отрицательной обратной связи. Смотрите раздел "Обратная связь".

Температурный дрейф

Температура влияет на характеристики транзисторов по постоянному и переменному току. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагревание. Некоторые приложения, например, военные и автомобильные, требуют работы в расширенном температурном диапазоне. В благоприятной же среде схемы подвергаются самонагреванию, в частности высоковольтные схемы.

Ток утечки I_К0 и коэффициент β увеличиваются с ростом температуры. Коэффициент β по постоянному току h_FE возрастает экспоненциально. Коэффициент β по переменному току h_fe увеличивается, но не так быстро. При повышении температуры от -55°C до 85°C он удваивается. По мере увеличения температуры увеличение h_fe даст больший выходной сигнал в схеме с общим эмиттером, который в крайних случаях будет ограничен (отсечен). Увеличение h_FE сдвигает точку смещения, приводя к возможному отсечению пиков на одной из полуволн. В многокаскадных усилителях с прямой связью сдвиг точки смещения усиливается. Решением этой проблемы является использование отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует и коэффициент усиления по переменному току.

Повышение температуры на рисунке ниже (a) приведет к уменьшению V_БЭ от номинальных 0,7 В для кремниевых транзисторов. Уменьшение V_БЭ увеличивает ток коллектора в усилителе с общим эмиттером, что дополнительно приводит к сдвигу точки смещения. Лекарством от смещения V_БЭ является использование пары транзисторов, собранных в схему дифференциального усилителя. Если оба транзистора на рисунке ниже (b) имеют одинаковую температуру, V_БЭ будет отслеживать изменение температуры и компенсировать его.

Рекомендуемая максимальная температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125°C. Хотя для повышения надежности, работать необходимо при более низких температурах. Транзистор прекращает работать при температуре выше 150°C. Транзисторы из карбида кремния и алмазные транзисторы будут работать при значительно более высоких температурах.

Тепловой разгон

Проблема увеличения температуры, вызывающая увеличение тока коллектора, заключается в том, что больший ток увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как тепловой разгон, который может вывести транзистор из строя. Опять же, решение представляет собой схему смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.

Емкость перехода

Между выводами транзистора есть емкость. Емкость коллектор-база C_КБ и емкость эмиттер-база C_ЭБ на более высоких частотах уменьшают коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

В усилителе с общим эмиттером емкостная обратная связь от коллектора к базе фактически умножает C_КБ на β. Величина отрицательной обратной связи, уменьшающей усиление, связана и с коэффициентом усиления по току, и с величиной емкости коллектор-база. Это явление известно как эффект Миллера.

Шум

Максимальная чувствительность усилителей малых сигналов ограничена шумом случайных колебаний тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум из-за потока носителей заряда в базе и тепловой шум. Источником теплового шума является сопротивление устройства, и с ростом температуры уровень теплового шума увеличивается:

\[V_ш = \sqrt{4kTRB_ш}\]

где

• k – постоянная Больцмана (1,38 · 10^-23 Вт · с/К);
• T – температура резистора в кельвинах;
• R – сопротивление в омах;
• B_ш – полоса шума в герцах.

Шум в транзисторном усилителе определяется с точки зрения дополнительного шума, создаваемого усилителем, то есть не того шума, который усиливается от входа к выходу, а того, который генерируется в усилителе. Он определяется путем измерения отношения сигнал/шум (С/Ш, S/N) на входе и выходе усилителя. Выходное переменное напряжение усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сумме сигнала и шума. Переменное напряжение без входного сигнала соответствует только шуму N. Величина шума F определяется через отношения S/N на входе и выходе усилителя.

\[F = {(S/N)_{вх} \over (S/N)_{вых}}\]

\[F_{дБ} = 10 \lg F\]

Величина шума F для радиочастотных (РЧ, RF) транзисторов обычно приводится в технических описаниях в децибелах, F_дБ. На ОВЧ (очень высоких частотах, VHF, от 30 МГц до 300 МГц) хорошим показателем шума является величина <1 дБ. На частотах свыше ОВЧ уровень шума значительно увеличивается, 20 дБ на декаду, как показано на рисунке ниже.

На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах с уменьшением частоты увеличивается на 10 дБ за декаду. Этот шум известен как шум 1/f.

Уровень шума зависит от типа транзистора (модели). Радиочастотные транзисторы малых сигналов, используемые на антенном входе радиоприемников, специально разработаны для внесения малого уровня шума. Уровень шума зависит от тока смещения и согласования импедансов. Наилучший показатель шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при рассогласовании импедансов.

Температурное рассогласование (проблема с параллельными транзисторами)

Если два идентичных мощных транзистора включены параллельно для получения большей величины тока, можно было бы ожидать, что ток между ними будет распределяться одинаково. Но из-за различий в характеристиках транзисторов ток будет распределяться неодинаково.

На практике нецелесообразно выбирать идентичные транзисторы. Коэффициент β для транзисторов малых сигналов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов: 20–50. Если бы они совпадали, то любой из них мог бы нагреваться сильнее других из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгону. Решение при параллельном использовании биполярных транзисторов состоит в добавлении эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы с сопротивлением менее ома. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивает отрицательную обратную связь. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также помогает выравнивать ток.

Высокочастотные эффекты

Производительность транзисторного усилителя относительно постоянна вплоть до некоторой точки, как показано на графике зависимости коэффициента усиления по току от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером (рисунок ниже). За этой точкой по мере увеличения частоты производительность транзистора ухудшается.

Граничная частота (частота отсечки коэффициента бета), f_гр, f_T – это частота, при которой коэффициент усиления по току (h_fe) усилителя малых сигналов с общим эмиттером падает ниже единицы (рисунок ниже). Реальный усилитель должен иметь коэффициент усиления > 1. Таким образом, на частоте f_гр транзистор использоваться не может. Максимальная частота, приемлемая для использования транзистора, равна 0,1f_гр.

Некоторые радиочастотные биполярные транзисторы могут использоваться в качестве усилителей на частотах до нескольких ГГц. Кремниево-германиевые устройства расширяют диапазон до 10 ГГц.

Предельная частота (частота отсечки коэффициента альфа), f_пр, f_alpha – это частота, при которой коэффициент α снижается до 0,707 от коэффициента α₀ на низких частотах, α=0,707α₀. Предельная частота и граничная частота примерно равны: f_пр≅f_гр. В качестве высокочастотного показателя предпочтительнее использовать граничную частоту f_гр.

f_max – самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Весь выходной сигнал подается назад на вход для поддержания колебаний. f_max является верхним пределом частоты работы транзистора в качестве активного устройства. Хотя реальный усилитель не используется на f_max.

Эффект Миллера: верхний предел частоты для транзистора, связанный с емкостями переходов. Например, PN2222A имеет входную емкость C_ibo=25пФ и выходную емкость C_obo=9пФ между К-Б и К-Э соответственно. Хотя емкость К-Э 25 пФ кажется большой, она меньше, чем емкость К-Б (9 пФ). Из-за эффекта Миллера в усилителе с общим эмиттером емкость К-Б оказывает влияние на базу в β раз. Почему это так? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал, проходящий от базы к эмиттеру. Инвертированный сигнал коллектора, подаваемый назад на базу, противодействует входному сигналу. Сигнал на коллекторе в β раз больше входного сигнала. Для PN2222A β=50–300. Таким образом, емкость К-Б 9 пФ выглядит так: от 9 · 50 = 450 пФ до 9 · 300 = 2700 пФ.

Решение проблемы с емкостью перехода для широкополосных приложений заключается в выборе высокочастотного транзистора – RF (радиочастотного) или СВЧ транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования схемы с общей базой, вместо схемы с общим эмиттером. Заземленная база защищает входной эмиттер от емкостной обратной связи с коллектора. Каскодная схема из двух транзисторов будет обеспечивать такую же полосу пропускания, как и схема с общей базой, но уже с более высоким входным импедансом схемы с общим эмиттером.

Подведем итоги:

• Транзисторные усилители вносят искажения из-за изменений коэффициента β в зависимости от тока коллектора.
• I_К, V_БЭ, β и емкость перехода изменяются в зависимости от температуры.
• Повышение температуры может привести к увеличению I_К, вызывающему повышение температуры, и вредного цикла, известного как тепловой разгон.
• Емкость перехода ограничивает коэффициент усиления транзистора на высоких частотах. Эффект Миллера в схеме с общим эмиттером заставляет емкость C_КБ выглядеть на базе в β раз больше.
• Транзисторный шум ограничивает возможность усиления малых сигналов. Величина шума – это показатель качества относительно транзисторного шума.
• При параллельном использовании мощных транзисторов для увеличения тока необходимо вставлять в эмиттерные цепи балластные резисторы для выравнивания токов.
• F_гр (F_T) – абсолютный верхний предел частоты для усилителя с общим эмиттером, при котором коэффициент усиления по току малого сигнала падает до единицы, h_fe=1.
• Fmax – верхний предел частоты для генератора в самых идеальных условиях.

Теги