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4.16: Quirks de BJT

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    Un transistor ideal mostraría 0% de distorsión al amplificar una señal. Su ganancia se extendería a todas las frecuencias. Controlaría cientos de amperios de corriente, a cientos de grados C. En la práctica, los dispositivos disponibles muestran distorsión. La amplificación es limitada en el extremo de alta frecuencia del espectro. Las piezas reales solo manejan decenas de amperios con precauciones. Se debe tener cuidado al poner en paralelo los transistores para una corriente más alta. El funcionamiento a temperaturas elevadas puede destruir los transistores si no se toman precauciones.

    No linealidad

    El amplificador de emisor común de clase A (similar a la Figura anterior) es conducido casi al recorte en la Figura siguiente. Tenga en cuenta que el pico positivo es más plano que los picos negativos. Esta distorsión es inaceptable en muchas aplicaciones como el audio de alta fidelidad.

    23039.png

    Distorsión en amplificador de emisor común de señal grande.

    Los amplificadores de señal pequeña son relativamente lineales porque utilizan una pequeña sección lineal de las características del transistor. Los amplificadores de señal grandes no son 100% lineales porque las características del transistor como β no son constantes, sino que varían con la corriente del colector. β es alta a baja corriente de colector, y baja a muy baja corriente o alta corriente. Sin embargo, encontramos principalmente β decreciente con el aumento de la corriente de colector.

    cs.PNG

    Lista neta SPICE: para análisis transitorios y de Fourier. El análisis de Fourier muestra 10% de distorsión armónica total (THD).

    El listado de SPICE en la Tabla anterior ilustra cómo cuantificar la cantidad de distorsión. El comando “.fourier 2000 v (2)” le dice a SPICE que realice un análisis de Fourier a 2000 Hz en la salida v (2). En la línea de comandos “spice -b circuitname.cir” produce la salida del análisis de Fourier en la Tabla anterior. Muestra THD (distorsión armónica total) superior al 10%, y la contribución de los armónicos individuales.

    Una solución parcial a esta distorsión es disminuir la corriente del colector u operar el amplificador en una porción más pequeña de la línea de carga. La solución definitiva es aplicar comentarios negativos. Ver Comentarios.

    Deriva de temperatura

    La temperatura afecta las características de CA y CC de los transistores. Los dos aspectos de este problema son la variación de la temperatura ambiental y el autocalentamiento. Algunas aplicaciones, como militares y automotrices, requieren operación en un rango de temperatura extendido. Los circuitos en un ambiente benigno están sujetos a autocalentamiento, en particular circuitos de alta potencia.

    La corriente de fuga I CO y β aumentan con la temperatura. El DC β h FE aumenta exponencialmente. El AC β h fe aumenta, pero no tan rápidamente. Se duplica en el rango de -55 o a 85 o C. A medida que aumenta la temperatura, el incremento en h fe producirá una mayor salida de emisor común, que podría ser recortada en casos extremos. El incremento en h FE desplaza el punto de sesgo, posiblemente recortando un pico. El cambio en el punto de polarización se amplifica en amplificadores de acoplamiento directo de múltiples etapas. La solución es alguna forma de retroalimentación negativa para estabilizar el punto de sesgo. Esto también estabiliza la ganancia de CA.

    El aumento de la temperatura en la Figura a continuación (a) disminuirá V BE desde los 0.7V nominales para transistores de silicio. La disminución de V BE aumenta la corriente del colector en un amplificador de emisor común, desplazando aún más el punto de polarización. El curado para cambiar V BE es un par de transistores configurados como un amplificador diferencial. Si ambos transistores en la Figura a continuación (b) están a la misma temperatura, el V BE rastreará con cambio de temperatura y cancelará.

    03484.png

    (a) amplificador CE de un solo extremo vs (b) amplificador diferencial con cancelación V BE.

    La temperatura de unión máxima recomendada para los dispositivos de silicio es frecuentemente de 125 o C. Sin embargo, esta debe reducirse para mayor confiabilidad. La acción del transistor cesa más allá de 150 o C. Los transistores de carburo de silicio y diamante operarán considerablemente más altos.

    Desbocado térmico

    El problema con el aumento de la temperatura que provoca el aumento de la corriente del colector es que más corriente aumenta la potencia disipada por el transistor que, a su vez, aumenta su temperatura. Este ciclo autorreforzante se conoce como fuga térmica, que puede destruir el transistor. Nuevamente, la solución es un esquema de sesgo con algún tipo de retroalimentación negativa para estabilizar el punto de sesgo.

    Capacitancia de empalme

    La capacitancia existe entre los terminales de un transistor. La capacitancia colector-base C CB y la capacitancia emisor-base C EB disminuyen la ganancia de un circuito emisor común a frecuencias más altas.

    En un amplificador emisor común, la retroalimentación capacitiva del colector a la base multiplica efectivamente C CB por β. La cantidad de retroalimentación negativa reductora de ganancia está relacionada tanto con la ganancia de corriente como con la cantidad de capacitancia colector-base. Esto se conoce como el efecto Miller.

    Ruido

    La máxima sensibilidad de los amplificadores de señal pequeña está limitada por el ruido debido a variaciones aleatorias en el flujo de corriente. Las dos principales fuentes de ruido en los transistores son el ruido de disparo debido al flujo de corriente de los portadores en la base y el ruido térmico. La fuente de ruido térmico es la resistencia del dispositivo y aumenta con la temperatura:

    13059.png

    El ruido en un amplificador de transistor se define en términos de exceso de ruido generado por el amplificador, no ese ruido amplificado de entrada a salida, sino el generado dentro del amplificador. Esto se determina midiendo la relación señal/ruido (S/N) en la entrada y salida del amplificador. La salida de voltaje AC de un amplificador con una entrada de señal pequeña corresponde a S+N, señal más ruido. El voltaje AC sin señal en corresponde al ruido N. La figura de ruido F se define en términos de S/N de entrada y salida del amplificador:

    13058.png

    La cifra de ruido F para transistores RF (radiofrecuencia) suele aparecer en las hojas de datos de transistores en decibelios, F dB. Una buena cifra de ruido VHF (frecuencia muy alta, 30 MHz a 300 Mhz) es < 1 dB. La cifra de ruido por encima de VHF aumenta considerablemente, 20 dB por década como se muestra en la Figura a continuación.

    03482.png

    Figura de ruido de transistor de señal pequeña vs Frecuencia. Después de Thiele, Figura 11.147 [AGT]

    La figura anterior también muestra que el ruido a bajas frecuencias aumenta a 10 dB por década con frecuencia decreciente. Este ruido se conoce como ruido 1/f.

    La cifra de ruido varía según el tipo de transistor (número de pieza). Los transistores RF de señal pequeña utilizados en la entrada de la antena de un receptor de radio están diseñados específicamente para la figura de bajo nivel de ruido. La cifra de ruido varía con la corriente de polarización y la adaptación de impedancia La mejor cifra de ruido para un transistor se logra a una corriente de polarización más baja, y posiblemente con una falta de coincidencia de impedancia.

    Desajuste térmico (problema con transistores paralelos)

    Si dos transistores de potencia idénticos fueran en paralelo para una corriente más alta, uno esperaría que compartieran la corriente por igual. Debido a las diferencias en las características, los transistores no comparten la corriente por igual.

    03481.png

    Los transistores en paralelo para aumentar la potencia requieren resistencias de balasto de emisor

    No es práctico seleccionar transistores idénticos. El β para transistores de señal pequeña normalmente tiene un rango de 100-300, transistores de potencia: 20-50. Si cada uno pudiera ser igualado, uno aún podría funcionar más caliente que el otro debido a las condiciones ambientales. El transistor más caliente consume más corriente, lo que resulta en una fuga térmica. La solución cuando se ponen en paralelo transistores bipolares es insertar resistencias de emisor conocidas como resistencias de balasto de menos de un ohmio. Si el transistor más caliente consume más corriente, la caída de voltaje a través de la resistencia de balasto aumenta: retroalimentación negativa. Esto disminuye la corriente. Montar todos los transistores en el mismo disipador térmico ayuda a igualar la corriente también.

    Efectos de alta frecuencia

    El rendimiento de un amplificador de transistor es relativamente constante, hasta cierto punto, como lo muestra la ganancia de corriente del emisor común de señal pequeña con frecuencia creciente en la Figura a continuación. Más allá de ese punto, el rendimiento de un transistor se degrada conforme aumenta la frecuencia.

    Frecuencia de corte beta, f T es la frecuencia a la que la ganancia de corriente de señal pequeña del emisor común (h fe) cae a la unidad. (Figura abajo) Un amplificador práctico debe tener una ganancia >1. Por lo tanto, no se puede usar un transistor en un amplificador práctico a f T. Un límite más utilizable para un transistor es 0.1·f T.

    03483.png

    Ganancia de corriente de señal pequeña del emisor común (h fe) vs frecuencia.

    Algunos transistores bipolares de silicio RF son utilizables como amplificadores de hasta unos pocos GHz. Los dispositivos de silicio-germanio extienden el rango superior a 10 GHz.

    Frecuencia de corte alfa, f alfa es la frecuencia a la que el α cae a 0.707 de baja frecuencia α, 0 α=0.707α 0. El corte alfa y el corte beta son casi iguales: f alfa f T El corte beta f T es la figura preferida de mérito del rendimiento de alta frecuencia.

    f max es la frecuencia de oscilación más alta posible bajo las condiciones más favorables de polarización y adaptación de impedancia. Es la frecuencia a la que la ganancia de poder es la unidad. Toda la salida se retroalimenta a la entrada para sostener oscilaciones. f max es un límite superior para la frecuencia de operación de un transistor como dispositivo activo. Sin embargo, un amplificador práctico no sería utilizable a f max.

    Efecto Miller: El límite de alta frecuencia para un transistor está relacionado con las capacitancias de unión. Por ejemplo, un PN2222A tiene una capacitancia de entrada C obo =9pF y una capacitancia de salida C ibo =25pF de C-B y E-B respectivamente. [FAR] Aunque la capacitancia C-E de 25 pF parece grande, es menor factor que la capacitancia C-B (9pF). debido al efecto Miller, la capacitancia C-B tiene un efecto sobre la base equivalente a beta veces la capacitancia en el amplificador de emisor común. ¿Por qué podría ser esto? Un amplificador de emisor común invierte la señal de la base al colector. La señal de colector invertida realimentada a la base se opone a la entrada en la base. La señal del colector es beta veces mayor que la entrada. Para el PN2222A, β=50—300. Así, la capacitancia C-E de 9pF se ve como 9·50=450pF a 9·300=2700pF.

    La solución al problema de la capacitancia de la unión es seleccionar un transistor de alta frecuencia para aplicaciones de ancho de banda amplio: RF (radiofrecuencia) o transistor de microondas. El ancho de banda se puede ampliar aún más mediante el uso de la base común en lugar de la configuración del emisor común. La base conectada a tierra protege la entrada del emisor de la retroalimentación capacitiva del colector. Una disposición de cascode dos transistores producirá el mismo ancho de banda que la base común, con la impedancia de entrada más alta del emisor común.

    Revisar

    • Los amplificadores de transistor exhiben distorsión debido a la variación β con la corriente del colector.
    • I c, V BE, β y la capacitancia de unión varían con la temperatura.
    • Un aumento en la temperatura puede provocar un aumento en I C, provocando un aumento de la temperatura, un círculo vicioso conocido como fuga térmica.
    • La capacitancia de la unión limita la ganancia de alta frecuencia de un transistor. El efecto Miller hace que C cb parezca β veces más grande en la base de un amplificador CE.
    • El ruido del transistor limita la capacidad de amplificar señales pequeñas. La cifra de ruido es una cifra de mérito con respecto al ruido del transistor.
    • Al conectar en paralelo los transistores de potencia para aumentar la corriente, inserte resistencias de balasto en serie con los emisores para igualar la corriente.
    • F T es el límite de frecuencia superior absoluto para un amplificador CE, la ganancia de corriente de señal pequeña cae a la unidad, h fe =1.
    • F max es el límite de frecuencia superior para un oscilador en las condiciones más ideales.

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