BJT 단점

이상적인 트랜지스터는 신호를 증폭할 때 왜곡이 0%입니다. 이득은 모든 주파수로 확장됩니다. 수백 섭씨에서 수백 암페어의 전류를 제어합니다. 실제로 사용 가능한 장치는 왜곡을 보여줍니다. 증폭은 스펙트럼의 고주파수 끝에서 제한됩니다. 실제 부품은 예방 조치를 통해 수십 암페어만 처리합니다. 더 높은 전류를 위해 트랜지스터를 병렬화할 때 주의해야 합니다. 높은 온도에서 작동하면 예방 조치를 취하지 않으면 트랜지스터가 파손될 수 있습니다.

비선형성

클래스 A 공통 이미 터 증폭기(이전 그림과 유사)는 아래 그림에서 거의 클리핑으로 구동됩니다. 양의 피크는 음의 피크보다 평평합니다. 이 왜곡은 하이파이 오디오와 같은 많은 애플리케이션에서 허용되지 않습니다.

대형 신호 공통 이미 터 증폭기의 왜곡.

소신호 증폭기는 트랜지스터 특성의 작은 선형 섹션을 사용하기 때문에 상대적으로 선형입니다. β와 같은 트랜지스터 특성은 일정하지 않고 컬렉터 전류에 따라 변하기 때문에 대형 신호 증폭기는 100% 선형이 아닙니다. β는 낮은 컬렉터 전류에서 높고 매우 낮은 전류 또는 높은 전류에서 낮습니다. 그러나 우리는 주로 컬렉터 전류가 증가함에 따라 감소하는 β에 직면합니다.

공통 이미 터 증폭기 Vbias 4 0 0.74 Vsig 5 4 죄(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) .푸리에 2000 v(2) .트란 0.02m 0.74m .끝 

<사전> 향신료 -b ce.cir; 푸리에 분석 v(2):THD:10.4688% 하 빈도 표준 매그 000120001240000.0979929360000.0365461480000.004387095100000.001158786120000.000893187140001.0082

SPICE 순 목록:과도 및 푸리에 분석용. 푸리에 분석은 10%의 총 고조파 왜곡(THD)을 보여줍니다.

위 표의 SPICE 목록은 왜곡의 양을 정량화하는 방법을 보여줍니다. ".fourier 2000 v(2)" 명령은 출력 v(2)에 대해 2000Hz에서 푸리에 분석을 수행하도록 SPICE에 지시합니다. 명령줄에서 "spice -b circuitname.cir"은 위 표의 푸리에 분석 출력을 생성합니다. 10% 이상의 THD(총 고조파 왜곡)와 개별 고조파의 기여도를 보여줍니다.

이 왜곡에 대한 부분적인 해결책은 컬렉터 전류를 감소시키거나 부하 라인의 더 작은 부분에서 증폭기를 작동하는 것입니다. 궁극적인 해결책은 부정적인 피드백을 적용하는 것입니다. 피드백을 참조하십시오.

온도 드리프트

온도는 트랜지스터의 AC 및 DC 특성에 영향을 줍니다. 이 문제의 두 가지 측면은 환경적 온도 변화와 자체 발열입니다. 군사 및 자동차와 같은 일부 애플리케이션은 확장된 온도 범위에서 작동해야 합니다. 양성 환경의 회로, 특히 고전력 회로는 자체 발열될 수 있습니다.

누설 전류 I_CO 및 β는 온도에 따라 증가합니다. DC β(h_FE ) 기하급수적으로 증가합니다. AC β(h_fe ) 증가하지만, 그렇게 빠르지는 않습니다. -55° ~ 85° C 범위에서 두 배로 증가합니다. 온도가 증가함에 따라 h_fe의 증가 극단적인 경우 잘릴 수 있는 더 큰 공통 이미 터 출력을 생성합니다. hFE가 증가하면 바이어스 포인트가 이동하여 하나의 피크가 클리핑될 수 있습니다. 바이어스 포인트의 이동은 다단 직접 결합 증폭기에서 증폭됩니다. 해결책은 바이어스 포인트를 안정화하기 위한 일종의 네거티브 피드백입니다. 이것은 또한 AC 게인을 안정화시킵니다.

아래 그림(a)에서 온도를 높이면 V_BE가 감소합니다. 실리콘 트랜지스터의 공칭 0.7V에서. VBE를 낮추면 공통 이미 터 증폭기의 컬렉터 전류가 증가하여 바이어스 포인트가 추가로 이동합니다. VBE 이동에 대한 치료법은 차동 증폭기로 구성된 한 쌍의 트랜지스터입니다. 아래 그림 (b)의 두 트랜지스터가 동일한 온도에 있으면 VBE는 온도 변화에 따라 추적하고 취소합니다.

(a) 단일 종단 CE 증폭기 대 (b) VBE 제거 기능이 있는 차동 증폭기.

실리콘 장치에 권장되는 최대 접합 온도는 종종 125°C입니다. 하지만 더 높은 신뢰성을 위해서는 이 온도를 낮추어야 합니다. 트랜지스터 동작은 150°C 이상에서 멈춥니다. 탄화규소 및 다이아몬드 트랜지스터는 훨씬 더 높게 작동합니다.

열폭주

컬렉터 전류를 증가시키는 온도 증가의 문제는 더 많은 전류가 트랜지스터에 의해 소비되는 전력을 증가시켜 차례로 온도를 증가시킨다는 것입니다. 이 자기 강화 주기를 열폭주라고 합니다. , 트랜지스터를 파괴할 수 있습니다. 다시 말하지만, 해결책은 바이어스 포인트를 안정화하기 위해 일종의 네거티브 피드백이 있는 바이어스 방식입니다.

접합 커패시턴스

트랜지스터 단자 사이에 커패시턴스가 존재함 . 컬렉터 베이스 커패시턴스 C_CB 및 이미 터 베이스 커패시턴스 C_EB 더 높은 주파수에서 공통 이미 터 회로의 이득을 줄입니다. 공통 이미 터 증폭기에서 컬렉터에서베이스로의 용량 성 피드백은 C_CB를 효과적으로 곱합니다. β에 의해. 음의 이득 감소 피드백의 양은 전류 이득 및 컬렉터 베이스 커패시턴스의 양과 관련이 있습니다. 이것을 밀러 효과라고 합니다.

소음

소신호 증폭기의 궁극적인 감도는 전류 흐름의 무작위 변화로 인한 잡음에 의해 제한됩니다. 트랜지스터의 두 가지 주요 노이즈 소스는 샷 노이즈입니다. 베이스의 캐리어 전류 흐름 및 열 소음으로 인해 . 열 잡음의 원인은 장치 저항이며 온도에 따라 증가합니다.

트랜지스터 증폭기의 잡음은 과잉 잡음으로 정의됩니다. 입력에서 출력으로 증폭되는 잡음이 아니라 증폭기 내부에서 생성되는 잡음. 이는 신호 대 잡음비를 측정하여 결정됩니다. (S/N) 증폭기 입력 및 출력에서. 신호 입력이 작은 증폭기의 AC 전압 출력은 S+N, 신호 + 잡음에 해당합니다. 신호 입력이 없는 AC 전압은 노이즈 N에 해당합니다. 노이즈 수치는 으로 나타냅니다. "F" 증폭기 입력 및 출력의 S/N으로 정의됩니다.

RF(무선 주파수) 트랜지스터의 잡음 지수 F는 일반적으로 트랜지스터 데이터 시트에 데시벨 단위로 나열됩니다. F_dB . 좋은 VHF(초고주파, 30MHz ~ 300MHz) 잡음 지수는 <1dB입니다. VHF 위의 잡음 지수는 아래 그림과 같이 10년당 20dB로 상당히 증가합니다.

소신호 트랜지스터 잡음 지수 대 주파수. Thiele 이후, 그림 11.147 [AGT]

위의 그림은 또한 저주파에서 잡음이 주파수가 감소함에 따라 디케이드당 10dB로 증가한다는 것을 보여줍니다. 이 노이즈를 1/f 노이즈라고 합니다. .

노이즈 지수는 트랜지스터 유형(부품 번호)에 따라 다릅니다. 무선 수신기의 안테나 입력에 사용되는 소신호 RF 트랜지스터는 낮은 잡음 지수를 위해 특별히 설계되었습니다. 잡음 지수는 바이어스 전류와 임피던스 매칭에 따라 달라집니다. 트랜지스터에 대한 최상의 잡음 지수는 낮은 바이어스 전류와 임피던스 불일치에서 얻을 수 있습니다.

열 불일치(트랜지스터 병렬 문제)

2개의 동일한 전력 트랜지스터가 더 높은 전류를 위해 병렬로 연결되면 두 트랜지스터가 전류를 동등하게 공유할 것으로 예상할 수 있습니다. 특성의 차이로 인해 트랜지스터는 전류를 균등하게 공유하지 않습니다.

전력 증가를 위해 병렬 연결된 트랜지스터에는 이미 터 안정기 저항이 필요합니다.

동일한 트랜지스터를 선택하는 것은 실용적이지 않습니다. 소신호 트랜지스터의 β는 일반적으로 100-300, 전력 트랜지스터의 범위는 20-50입니다. 각각이 일치할 수 있다면 환경 조건으로 인해 하나가 다른 것보다 더 뜨거워질 수 있습니다. 트랜지스터가 뜨거울수록 더 많은 전류가 소모되어 열 폭주가 발생합니다. 바이폴라 트랜지스터를 병렬로 연결할 때의 해결책은 밸러스트 저항기라고 하는 이미 터 저항기를 삽입하는 것입니다. 옴 미만. 더 뜨거운 트랜지스터가 더 많은 전류를 소비하면 안정기 저항 양단의 전압 강하가 증가합니다(음의 피드백). 이것은 전류를 감소시킵니다. 동일한 방열판에 모든 트랜지스터를 장착하면 전류도 균등화하는 데 도움이 됩니다.

고주파 효과

트랜지스터 증폭기의 성능은 아래 그림에서 주파수가 증가함에 따라 소신호 공통 이미 터 전류 이득으로 표시되는 것처럼 어느 정도까지는 비교적 일정합니다. 그 이상은 주파수가 증가함에 따라 트랜지스터의 성능이 저하됩니다.

베타 컷오프 빈도 , fT는 공통 이미터 소신호 전류 이득(h_fe ) 통일에 빠진다. 실제 증폭기의 이득은>1이어야 합니다. 따라서 트랜지스터는 fT에서 실제 증폭기에 사용할 수 없습니다. 트랜지스터에 대한 더 사용 가능한 한계는 0.1·fT입니다. 삽화를 고려하십시오.

공통 이미 터 소신호 전류 이득(hfe) 대 주파수.

일부 RF 실리콘 바이폴라 트랜지스터는 최대 몇 GHz의 증폭기로 사용할 수 있습니다. 실리콘 게르마늄 장치는 상위 범위를 10GHz로 확장합니다.

알파 차단 주파수 ,

f_알파 α가 저주파 α의 0.707로 떨어지는 주파수입니다. 알파 컷오프와 베타 컷오프는 거의 같습니다:f_alpha ≅피트 베타 컷오프 fT는 고주파수 성능에서 선호되는 성능 지수입니다.

f 최대 바이어스 및 임피던스 매칭의 가장 유리한 조건에서 가능한 가장 높은 진동 주파수입니다. 전력 이득이 1이 되는 주파수입니다. 모든 출력은 진동을 유지하기 위해 입력으로 피드백됩니다. f_최대 능동 소자로서의 트랜지스터의 동작 주파수의 상한선이다. 그러나 실제 앰프는 f_max에서 사용할 수 없습니다. .

밀러 효과: 트랜지스터의 높은 주파수 한계는 접합 커패시턴스와 관련이 있습니다. 예를 들어, PN2222A의 입력 커패시턴스는 C_obo입니다. =9pF 및 출력 커패시턴스 C_ibo =C-B 및 E-B에서 각각 25pF. [FAR] 25pF의 CE 커패시턴스가 커 보이지만 밀러 효과 때문에 C-B(9pF) 커패시턴스보다 요소가 적습니다. , C-B 커패시턴스는 공통 이미 터 증폭기의 커패시턴스에 베타를 곱한 것과 동일한 베이스에 영향을 미칩니다. 왜 그럴까요? 공통 이미 터 증폭기는 신호를베이스에서 컬렉터로 반전시킵니다. 베이스로 피드백되는 반전된 컬렉터 신호는 베이스의 입력과 반대입니다. 컬렉터 신호는 입력보다 베타 배 더 큽니다. PN2222A의 경우 β=50–300입니다. 따라서 9pF CE 커패시턴스는 9·50=450pF ~ 9·300=2700pF처럼 보입니다.

접합 커패시턴스 문제에 대한 해결책은 RF(무선 주파수) 또는 마이크로파 트랜지스터와 같은 광대역 애플리케이션을 위한 고주파수 트랜지스터를 선택하는 것입니다. 공통 이미터 구성 대신 공통 베이스를 사용하여 대역폭을 더 확장할 수 있습니다. 접지된 베이스는 커패시티브 컬렉터 피드백으로부터 이미터 입력을 보호합니다. 2-트랜지스터 캐스코드 배열은 공통-이미터의 더 높은 입력 임피던스와 함께 공통-베이스와 동일한 대역폭을 생성합니다.

검토:

<울>

트랜지스터 증폭기는 컬렉터 전류에 따른 β 변동으로 인해 왜곡을 나타냅니다.

나는_c , V_BE , β 및 접합 커패시턴스는 온도에 따라 다릅니다.

온도가 증가하면 I_C가 증가할 수 있습니다. , 온도 상승을 일으키는 열 폭주라는 악순환입니다.

접합 커패시턴스는 트랜지스터의 고주파 이득을 제한합니다. 밀러 효과 C_cb를 만듭니다. CE 증폭기 베이스에서 β배 더 크게 보입니다.

트랜지스터 노이즈는 작은 신호를 증폭하는 능력을 제한합니다. 노이즈 피겨 는 트랜지스터 노이즈에 관한 성능 지수입니다.

전류 증가를 위해 전력 트랜지스터를 병렬로 연결할 때 안정기 저항기를 삽입합니다. 전류를 균등화하기 위해 이미 터와 직렬로 연결됩니다.

F_T CE 증폭기의 절대 상한 주파수 한계, 소신호 전류 이득은 1로 떨어집니다. h_fe =1.

Fmax는 가장 이상적인 조건에서 발진기의 주파수 상한입니다.

관련 워크시트:

<울>

클래스 A BJT 증폭기 워크시트