Keunikan BJT

Daftar bersih SPICE:untuk analisis sementara dan empatier. Analisis Fourier menunjukkan 10% distorsi harmonik total (THD).

Daftar SPICE pada tabel di atas menggambarkan bagaimana mengukur jumlah distorsi. Perintah “.fourier 2000 v(2)” memberitahu SPICE untuk melakukan analisis fourier pada 2000 Hz pada output v(2). Pada baris perintah "spice -b circuitname.cir" menghasilkan output analisis Fourier pada Tabel di atas. Ini menunjukkan THD (distorsi harmonik total) lebih dari 10%, dan kontribusi harmonik individu.

Solusi parsial untuk distorsi ini adalah dengan mengurangi arus kolektor atau mengoperasikan amplifier pada bagian yang lebih kecil dari garis beban. Solusi utamanya adalah menerapkan umpan balik negatif. Lihat Masukan.

Pergeseran suhu

Suhu mempengaruhi karakteristik AC dan DC transistor. Dua aspek dari masalah ini adalah variasi suhu lingkungan dan pemanasan sendiri. Beberapa aplikasi, seperti militer dan otomotif, memerlukan pengoperasian pada rentang suhu yang diperpanjang. Sirkuit di lingkungan yang ramah dapat mengalami pemanasan sendiri, khususnya sirkuit daya tinggi.

Arus bocor I_CO dan meningkat dengan suhu. DC (h_FE ) meningkat secara eksponensial. AC (h_fe ) meningkat, tetapi tidak secepat itu. Ini berlipat ganda pada kisaran -55 ° hingga 85 ° C. Saat suhu meningkat, peningkatan h_fe akan menghasilkan output emitor bersama yang lebih besar, yang dapat dipotong dalam kasus ekstrim. Peningkatan hFE menggeser titik bias, mungkin memotong satu puncak. Pergeseran titik bias diperkuat dalam amplifier berpasangan langsung multi-tahap. Solusinya adalah beberapa bentuk umpan balik negatif untuk menstabilkan titik bias. Ini juga menstabilkan penguatan AC.

Peningkatan suhu pada gambar di bawah (a) akan menurunkan V_BE dari nominal 0,7V untuk transistor silikon. Penurunan VBE meningkatkan arus kolektor dalam penguat emitor-bersama, lebih lanjut menggeser titik bias. Obat untuk menggeser VBE adalah sepasang transistor yang dikonfigurasi sebagai penguat diferensial. Jika kedua transistor pada Gambar di bawah (b) berada pada suhu yang sama, VBE akan melacak dengan perubahan suhu dan membatalkan.

(a) penguat CE ujung tunggal vs (b) penguat diferensial dengan pembatalan VBE.

Suhu sambungan maksimum yang direkomendasikan untuk perangkat silikon seringkali 125° C. Meskipun demikian, ini harus diturunkan untuk keandalan yang lebih tinggi. Tindakan transistor berhenti melebihi 150 ° C. Transistor silikon karbida dan berlian akan beroperasi jauh lebih tinggi.

Pelarian termal

Masalah dengan peningkatan suhu yang menyebabkan peningkatan arus kolektor adalah semakin banyak arus meningkatkan daya yang dihamburkan oleh transistor yang, pada gilirannya, meningkatkan suhunya. Siklus penguatan diri ini dikenal sebagai lari termal , yang dapat merusak transistor. Sekali lagi, solusinya adalah skema bias dengan beberapa bentuk umpan balik negatif untuk menstabilkan titik bias.

Kapasitas sambungan

Kapasitas ada di antara terminal transistor . Kapasitansi kolektor-basis C_CB dan kapasitansi basis emitor C_EB mengurangi keuntungan dari rangkaian emitor umum pada frekuensi yang lebih tinggi. Dalam penguat emitor umum, umpan balik kapasitif dari kolektor ke basis secara efektif mengalikan C_CB oleh . Jumlah umpan balik pengurang penguatan negatif terkait dengan penguatan arus, dan jumlah kapasitansi basis kolektor. Ini dikenal sebagai efek Miller.

Kebisingan

Sensitivitas tertinggi dari penguat sinyal kecil dibatasi oleh noise karena variasi acak dalam aliran arus. Dua sumber utama kebisingan di transistor adalah suara tembakan karena aliran pembawa arus di pangkalan dan gangguan termal . Sumber kebisingan termal adalah resistensi perangkat dan meningkat seiring suhu:

Kebisingan dalam penguat transistor didefinisikan dalam istilah kebisingan berlebih dihasilkan oleh amplifier, bukan noise yang diperkuat dari input ke output, tetapi yang dihasilkan di dalam amplifier. Ini ditentukan dengan mengukur rasio sinyal terhadap noise (S/T) pada masukan dan keluaran penguat. Output tegangan AC dari penguat dengan input sinyal kecil sesuai dengan S+N, sinyal plus noise. Tegangan AC tanpa sinyal sesuai dengan noise N. angka kebisingan dilambangkan sebagai “P” didefinisikan dalam hal S/N input dan output amplifier:

Angka kebisingan F untuk transistor RF (frekuensi radio) biasanya tercantum pada lembar data transistor dalam desibel, F_dB . Angka kebisingan VHF (frekuensi sangat tinggi, 30 MHz hingga 300 MHz) yang baik adalah <1 dB. Angka kebisingan di atas VHF meningkat cukup besar, 20 dB per dekade seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Angka kebisingan transistor sinyal kecil vs Frekuensi. Setelah Thiele, Gambar 11.147 [AGT]

Gambar di atas juga menunjukkan bahwa kebisingan pada frekuensi rendah meningkat sebesar 10 dB per dekade dengan penurunan frekuensi. Suara ini dikenal sebagai 1/f noise .

Angka kebisingan bervariasi dengan jenis transistor (nomor bagian). Transistor RF sinyal kecil yang digunakan pada input antena penerima radio dirancang khusus untuk angka kebisingan rendah. Angka kebisingan bervariasi dengan arus bias dan pencocokan impedansi. Angka kebisingan terbaik untuk transistor dicapai pada arus bias yang lebih rendah, dan mungkin dengan ketidakcocokan impedansi.

Ketidakcocokan termal (masalah dengan transistor paralel)

Jika dua transistor daya yang identik diparalelkan untuk arus yang lebih tinggi, orang akan mengharapkan mereka untuk berbagi arus secara merata. Karena perbedaan karakteristik, transistor tidak membagi arus secara merata.

Transistor paralel untuk meningkatkan daya memerlukan resistor ballast emitor

Tidak praktis untuk memilih transistor yang identik. untuk transistor sinyal kecil biasanya memiliki kisaran 100-300, transistor daya:20-50. Jika masing-masing dapat dicocokkan, yang satu mungkin masih berjalan lebih panas daripada yang lain karena kondisi lingkungan. Transistor yang lebih panas menarik lebih banyak arus sehingga menghasilkan pelarian termal. Solusi saat memparalelkan transistor bipolar adalah dengan memasukkan resistor emitor yang dikenal sebagai resistor ballast kurang dari satu ohm. Jika transistor yang lebih panas menarik lebih banyak arus, penurunan tegangan melintasi resistor pemberat meningkat—umpan balik negatif. Ini mengurangi arus. Memasang semua transistor pada heatsink yang sama membantu menyamakan arus juga.

Efek Frekuensi Tinggi

Kinerja penguat transistor relatif konstan, sampai titik tertentu, seperti yang ditunjukkan oleh penguatan arus emitor bersama sinyal kecil dengan peningkatan frekuensi pada gambar di bawah. Di luar titik itu, kinerja transistor menurun seiring dengan meningkatnya frekuensi.

Frekuensi batas beta , fT adalah frekuensi penguatan arus sinyal kecil emitor bersama (h_fe ) jatuh ke kesatuan. Penguat praktis harus memiliki penguatan>1. Dengan demikian, transistor tidak dapat digunakan dalam penguat praktis pada fT. Batas yang lebih dapat digunakan untuk transistor adalah 0,1·fT. Perhatikan ilustrasinya.

Penguatan arus sinyal kecil emitor bersama (hfe) vs frekuensi.

Beberapa transistor bipolar silikon RF dapat digunakan sebagai amplifier hingga beberapa GHz. Perangkat silikon-germanium memperpanjang jangkauan hingga 10 GHz.

Frekuensi batas alfa ,

f_alfa adalah frekuensi di mana turun menjadi 0,707 dari frekuensi rendah . Batas alfa dan batas beta hampir sama:f_alfa fT. Beta cutoff fT adalah sosok yang disukai dari kinerja frekuensi tinggi.

f maks adalah frekuensi osilasi tertinggi yang mungkin terjadi di bawah kondisi bias dan pencocokan impedansi yang paling menguntungkan. Ini adalah frekuensi di mana penguatan daya adalah kesatuan. Semua output diumpankan kembali ke input untuk mempertahankan osilasi. f_maks adalah batas atas frekuensi operasi transistor sebagai perangkat aktif. Padahal, penguat praktis tidak akan dapat digunakan pada f_maks .

Efek penggilingan: Batas frekuensi tinggi untuk transistor terkait dengan kapasitansi sambungan. Misalnya, PN2222A memiliki kapasitansi input C_obo =9pF dan kapasitansi keluaran C_ibo =25pF dari C-B dan E-B masing-masing. [FAR] Meskipun kapasitansi C-E 25 pF tampak besar, faktor ini lebih kecil daripada kapasitansi C-B (9pF) karena Efek Miller , kapasitansi C-B memiliki efek pada basis yang setara dengan beta kali kapasitansi dalam penguat common-emitter. Mengapa ini bisa terjadi? Penguat common-emitter membalikkan sinyal dari basis ke kolektor. Sinyal kolektor terbalik diumpankan kembali ke pangkalan menentang input di pangkalan. Sinyal kolektor beta kali lebih besar dari input. Untuk PN2222A, =50–300. Jadi, kapasitansi C-E 9pF terlihat seperti 9·50=450pF hingga 9·300=2700pF.

Solusi untuk masalah kapasitansi sambungan adalah memilih transistor frekuensi tinggi untuk aplikasi bandwidth lebar— RF (frekuensi radio) atau transistor gelombang mikro. Bandwidth dapat diperpanjang lebih lanjut dengan menggunakan common-base daripada konfigurasi common-emitter. Basis yang diarde melindungi input emitor dari umpan balik kolektor kapasitif. Susunan cascode dua transistor akan menghasilkan bandwidth yang sama dengan basis umum, dengan impedansi masukan yang lebih tinggi dari emitor bersama.

TINJAUAN:

• Penguat transistor menunjukkan distorsi karena variasi dengan arus kolektor.
• Saya_c , V_JADI , dan kapasitansi sambungan bervariasi menurut suhu.
• Peningkatan suhu dapat menyebabkan peningkatan I_C , menyebabkan peningkatan suhu, lingkaran setan yang dikenal sebagai pelarian termal.
• Kapasitas sambungan membatasi penguatan frekuensi tinggi dari transistor. Efek Miller membuat C_cb terlihat kali lebih besar di dasar penguat CE.
• Kebisingan transistor membatasi kemampuan untuk memperkuat sinyal kecil. Angka kebisingan adalah sosok yang pantas tentang kebisingan transistor.
• Saat memparalelkan transistor daya untuk meningkatkan arus, masukkan resistor pemberat secara seri dengan emitor untuk menyamakan arus.
• B_T adalah batas frekuensi atas mutlak untuk penguat CE, penguatan arus sinyal kecil jatuh ke satu, h_fe =1.
• Fmax adalah batas frekuensi atas untuk osilator dalam kondisi paling ideal.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Amplifier BJT Kelas A