Особенности транзисторов с биполярным переходом (ТБП)[1]
Идеальный транзистор показал бы 0% искажений при усилении сигнала. При этом сие эталонное усиление распространяется на все частоты. Он мог бы контролировать ток в сотни ампер при сотнях градусов Цельсия. Но в унылой реальности имеющиеся устройства дают искажения. Усиление ограничено в высокочастотном конце спектра. Реальные детали выдерживают только десятки ампер, да и те нужно подавать аккуратно. Следует соблюдать осторожность при параллельном подключении транзисторов для получения более высокого тока. Работа при повышенных температурах может привести к выходу из строя транзисторов, если проявить беспечность.
Нелинейность
Усилитель с общим эмиттером класса A (аналогичный показанному в предыдущем разделе) почти полностью управляется до отсечки (рисунке 1 ниже). Обратите внимание, что положительный пик более плоский, чем отрицательный. Это искажение недопустимо во многих приложениях, например если на выходе нужно высококачественное аудио.
Рис. 1. Искажения большого сигнала в усилителе с общим эмиттером.
Усилители малых сигналов относительно линейны, поскольку они используют небольшой линейный диапазон значений характеристик транзистора. Усилители больших сигналов не являются на 100% линейными, поскольку характеристики транзисторов, такие как β, не являются постоянными, а изменяются в зависимости от коллекторного тока. β высокое при низком коллекторном токе и низкое при очень низком или высоком токе. Однако в первую очередь мы сталкиваемся с уменьшением β с увеличением тока коллектора.
Список соединений SPICE: для анализа переходных процессов и анализа Фурье:
Анализ Фурье показывает 10% полных гармонических искажений.
Код SPICE (и результаты анализа Фурье для него) иллюстрируют, как количественно оценивать величину искажения. Команда «.fourier 2000 v(2)» указывает SPICE выполнить анализ Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v(2). В командной строке с помощью директивы типа «spice -b имя_цепи.cir» выводится результат анализа Фурье, указанный в таблице. Анализ выдаёт значение THD (от англ. total harmonic distortion т.е. полное гармоническое искажение), которое равно более 10%. В таблице – вклад отдельных гармоник в общее искажение.
Частично преодолеть это искажение можно, если уменьшить коллекторный ток или задействовать усилитель на меньшей части линии нагрузки. Окончательное решение – использовать отрицательную обратную связь (см. раздел «Обратная связь» в этой же главе).
Температурный дрейф
Температура влияет на характеристики транзисторов по переменному и постоянному току. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагрев. Некоторые приложения (например, связанные с военной сферой или и автомобилестроением), требуют работы в расширенном температурном диапазоне. Цепи в благоприятных условиях подвержены самонагреву, особенно это касается цепей большой мощности.
Ток утечки IК0 и β увеличиваются с увеличением температуры. Бета-коэффициент по постоянному току (hFE) увеличивается экспоненциально. Бета-коэффициент по переменному току (hfe) тоже увеличивается, но не так прытко. Он удваивается при повышении температуры от -55° до 85°C. По мере увеличения температуры увеличение hfe приведёт к увеличению выходного сигнала с общим эмиттером, который в пограничных случаях может быть ограничен. Увеличение hFE сдвигает точку смещения, возможно, срезая один пик. Сдвиг точки смещения усиливается в многокаскадных усилителях с прямой связью. Решением является некоторая форма отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует усиление переменного тока.
Повышение температуры на рисунке 1.а ниже снизит VБЭ с номинальных 0,7 В для кремниевых транзисторов. Уменьшение VБЭ увеличивает коллекторный ток в усилителе с общим эмиттером, дополнительно смещая точку смещения. Переключения VБЭ «лечится» парой транзисторов, сконфигурированных как дифференциальный усилитель. Если оба транзистора на рисунке 1.б ниже имеют одинаковую температуру, VБЭ будет отслеживать изменение температуры и создавать компенсирующий эффект.
Рис. 2. (а) несимметричный (односторонний) усилитель с общим эмиттером или же (б) дифференциальный усилитель с компенсирующим VБЭ.
Максимальная рекомендуемая температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125°C. Однако для большей надёжности её следует снизить. Действие транзистора прекращается при температуре выше 150°C. Транзисторы из карбида кремния и алмаза работают на значительно более высоких температурах.
Тепловой разгон
Проблема с увеличением температуры, вызывающей увеличение коллекторного тока, заключается в том, что увеличение тока увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как тепловой разгон, который может разрушить транзистор. Опять же, решением является схема смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.
Ёмкость перехода
Между выводами транзистора есть некоторая ёмкость (другими словами – между ними устанавливается паразитная ёмкостная «связь»). Ёмкость коллектор/база CКБ и ёмкость эмиттер/база CЭБ снижают усиление схемы общего эмиттера на более высоких частотах. В усилителе с общим эмиттером ёмкостная обратная связь от коллектора к базе эффективно умножает CКБ на β. Количество отрицательной обратной связи, снижающей усиление, связано как с усилением по току, так и с ёмкостью коллектор/база. Это так называемый эффект Миллера.
Шум
Конечная чувствительность усилителей слабого сигнала ограничена шумом из-за случайных изменений тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум (возникает из-за потока носителей электрического заряда в базе) и тепловой шум. Источником теплового шума является сопротивление устройства, которое увеличивается с температурой:
Рис. 3. Формула, показывающая изменение напряжения под воздействием шума.
Шум в транзисторном усилителе определяется как избыточный шум, генерируемый усилителем. Этот не тот шум, который усиливается от входа к выходу, а тот, что генерируется внутри усилителя. Это определяется путём измерения соотношения сигнал / шум (S / N) на входе и выходе усилителя. Выходное напряжение переменного тока усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сигнал плюс шум. Напряжение переменного тока при отсутствии сигнала соответствует шуму N. Коэффициент шума, обозначенный как «F», определяется в терминах соотношения сигнал / шум на входе и выходе усилителя:
Рис. 4. Формула для расчёта коэффициента шума.
Коэффициент шума F для РЧ (радиочастотных) транзисторов обычно указывается в технических паспортах транзисторов в децибелах, FдБ. Хороший коэффициент шума УКВ (очень высокая частота, от 30 МГц до 300 МГц) составляет < 1 дБ. Коэффициент шума на частотах выше УВЧ значительно увеличивается, на 20 дБ за декаду:
Рис. 5. Зависимость коэффициента шума слаботочного транзистора от частоты.
На этом графике также показано, что шум на низких частотах увеличивается на 10 дБ за декаду с уменьшением частоты. Этот шум известен как шум 1 / f.
Коэффициент шума зависит от типа транзистора (нужно смотреть на номер детали и сверяться с техпаспортом компонента). РЧ-транзисторы с малым сигналом, используемые на входе антенны радиоприёмника, специально разработаны с учётом низкого коэффициента шума. Коэффициент шума зависит от тока смещения и согласования импеданса. Наилучший коэффициент шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при несовпадении импеданса.
Тепловое рассогласование (проблема с параллельным включением транзисторов)
Если два идентичных силовых транзистора подключить параллельно (при более высоких токах), можно было бы ожидать, что они будут делить ток поровну. Однако из-за различий в характеристиках транзисторы ток поровну не распределяют.
Рис. 6. Для транзисторов, подключённых параллельно для увеличения мощности, требуются эмиттерные балластные резисторы.
Подбирать одинаковые транзисторы нецелесообразно. Коэффициент β для слаботочных транзисторов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов: 20–50. Если бы каждый из них мог быть подобран, один всё равно может разогреться сильнее, чем другой из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгону. Решением при параллельном подключении биполярных транзисторов является установка эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы, с сопротивлением менее 1 Ом. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивается – ввиду отрицательной обратной связи. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также способствует выравниванию тока.
Высокочастотные эффекты
Характеристики транзисторного усилителя относительно постоянны до определённого момента, что показано на рисунке 7 ниже (график по коэффициенту усиления по току с общим эмиттером слабого сигнала при увеличении частоты). Ну а после критической точки характеристики транзистора ухудшаются с увеличением частоты.
Граничная частота
Граничная частота (частота отсечки для β или бета-отсечка), fT – это частота, на которой коэффициент усиления по току для слабого сигнала с общим эмиттером (hfe) падает до единицы. Практический усилитель должен иметь коэффициент усиления > 1. Таким образом, транзистор нельзя использовать в практическом усилителе на частоте fT. Более приемлемый предел для транзистора – это 0,1 × fT:
Рис. 7. Зависимости от частоты для коэффициент усиления по току для слабого сигнала с общим эмиттером (hfe).
Некоторые кремниевые биполярные РЧ-транзисторы (радиочастотные) могут использоваться в качестве усилителей до нескольких ГГц. Кремний-германиевые устройства расширяют верхний диапазон до 10 ГГц.
Предельная частота
Предельная частота (частота отсечки для α или альфа-отсечка), fα – это частота, при которой α падает до 0,707 × α при низких частотах. Альфа-отсечка (предельная частота) и бета-отсечка (граничная частота) почти равны: fα ≅ fT. Бета-отсечка fT является более предпочтительным показателем качества высокочастотных характеристик.
Максимальная частота
Максимальная частота, fМакс. – это самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления равен единице. Весь выход возвращается на вход для поддержания колебаний. fМакс. – это верхний предел частоты работы транзистора как активного устройства. Однако практический усилитель не будет использоваться при fМакс..
Эффект Миллера
Эффект Миллера – это предел высокой частоты для транзистора, связанный с ёмкостями перехода. Например, модель PN2222A имеет входную ёмкость CВх.КБ = 9pF и выходную ёмкость СВых.БЭ = 25pF для переходов коллектор/база и эмиттер/база соответственно. Хотя выходная ёмкость СВых.БЭ = 25 пФ якобы больше, она на самом деле меньше, чем входная ёмкость CВх.КБ = 9 пФ, из-за эффекта Миллера. Ёмкость в усилителе с общим эмиттером влияет на базу, она эквивалентна бета, умноженной на ёмкость. Почему так происходит? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал от базы к коллектору. Обратный коллекторный сигнал, подаваемый обратно на базу, противодействует входу на базе. Коллекторный сигнал в бета раз больше входного. Для модели PN2222A β варьируется в диапазоне 50–300. Таким образом, ёмкость CВх.КБ = 9 пФ на самом деле варьируется от 9 × 50 = 450 пФ до 9 × 300 = 2700 пФ.
Решением проблемы ёмкости перехода является выбор высокочастотного транзистора для широкополосных РЧ-приложений или микроволнового транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счёт использования конфигурации с общей базой вместо конфигурации с общим эмиттером. Заземлённая база экранирует вход эмиттера от ёмкостной обратной связи коллектора. Двухтранзисторная каскодная схема даст ту же полосу пропускания, что и схема с общей базой, но с более высоким входным сопротивлением, чем у генератора с общим эмиттером.
Итог
Транзисторные усилители демонстрируют искажения из-за изменения β в зависимости от коллекторного тока.
IК, VБЭ, β и ёмкость перехода зависят от температуры.
Повышение температуры может вызвать повышение IК, вызывая дальнейшее повышение температуры. Этот порочный круг известен как тепловой разгон.
Ёмкость перехода ограничивает высокочастотное усиление транзистора. Эффект Миллера заставляет CКБ выглядеть в β раз больше на базе усилителя c с общим эмиттером.
Транзисторный шум ограничивает возможность усиления слабых сигналов. Коэффициент шума является показателем качества транзисторного шума.
При параллельном подключении силовых транзисторов для увеличения тока последовательно с эмиттерами используйте дополнительные балластные резисторы для выравнивания тока.
fT – абсолютный верхний предел частоты для усилителя, коэффициент усиления по току малого сигнала падает до единицы, hfe = 1.
fМакс. – это верхний предел частоты для генератора в условиях, максимально приближённых к идеальным.
