Bizarreries BJT

SPICE net list :pour les analyses transitoires et de Fourier. L'analyse de Fourier montre une distorsion harmonique totale (THD) de 10 %.

La liste SPICE dans le tableau ci-dessus illustre comment quantifier la quantité de distorsion. La commande ".fourier 2000 v(2)" indique à SPICE d'effectuer une analyse de Fourier à 2000 Hz sur la sortie v(2). À la ligne de commande "spice -b nomcircuit.cir" produit la sortie d'analyse de Fourier dans le tableau ci-dessus. Il montre un THD (distorsion harmonique totale) de plus de 10 % et la contribution des harmoniques individuelles.

Une solution partielle à cette distorsion consiste à diminuer le courant de collecteur ou à faire fonctionner l'amplificateur sur une plus petite portion de la ligne de charge. La solution ultime est d'appliquer une rétroaction négative. Voir les commentaires.

Dérive de température

La température affecte les caractéristiques AC et DC des transistors. Les deux aspects de ce problème sont la variation de la température environnementale et l'auto-échauffement. Certaines applications, comme l'armée et l'automobile, nécessitent un fonctionnement sur une plage de températures étendue. Les circuits en environnement bénin sont sujets à l'auto-échauffement, en particulier les circuits de forte puissance.

Courant de fuite I_CO et augmente avec la température. Le DC β (h_FE ) augmente de façon exponentielle. L'AC (h_fe ) augmente, mais pas aussi rapidement. Il double dans la plage de -55° à 85° C. Au fur et à mesure que la température augmente, l'augmentation de h_fe produira une sortie d'émetteur commun plus importante, qui pourrait être écrêtée dans des cas extrêmes. L'augmentation de hFE décale le point de polarisation, écrêtant éventuellement un pic. Le décalage du point de polarisation est amplifié dans les amplificateurs à couplage direct à plusieurs étages. La solution est une forme de rétroaction négative pour stabiliser le point de polarisation. Cela stabilise également le gain AC.

L'augmentation de la température dans la figure ci-dessous (a) diminuera V_BE du 0,7V nominal pour les transistors au silicium. La diminution de VBE augmente le courant de collecteur dans un amplificateur à émetteur commun, déplaçant davantage le point de polarisation. Le remède pour le décalage de VBE est une paire de transistors configurés comme un amplificateur différentiel. Si les deux transistors de la figure ci-dessous (b) sont à la même température, le VBE suivra les changements de température et annulera.

(a) amplificateur CE asymétrique vs (b) amplificateur différentiel avec annulation VBE.

La température de jonction maximale recommandée pour les dispositifs en silicium est fréquemment de 125 °C. Cependant, elle doit être réduite pour une fiabilité accrue. L'action des transistors cesse au-delà de 150°C. Les transistors en carbure de silicium et en diamant fonctionneront considérablement plus haut.

Emballage thermique

Le problème avec l'augmentation de la température provoquant l'augmentation du courant du collecteur est que plus de courant augmente la puissance dissipée par le transistor qui, à son tour, augmente sa température. Ce cycle d'auto-renforcement est connu sous le nom de fuite thermique , ce qui peut détruire le transistor. Encore une fois, la solution est un schéma de biais avec une certaine forme de rétroaction négative pour stabiliser le point de biais.

Capacité de jonction

La capacité existe entre les bornes d'un transistor . La capacité collecteur-base C_CB et la capacité de base de l'émetteur C_EB diminuer le gain d'un circuit d'émetteur commun à des fréquences plus élevées. Dans un amplificateur à émetteur commun, la rétroaction capacitive du collecteur à la base multiplie efficacement C_CB par . La quantité de rétroaction négative de réduction de gain est liée à la fois au gain de courant et à la quantité de capacité de base du collecteur. C'est ce qu'on appelle l'effet Miller.

Bruit

La sensibilité ultime des petits amplificateurs de signaux est limitée par le bruit dû aux variations aléatoires du flux de courant. Les deux principales sources de bruit dans les transistors sont le shot noise en raison du flux actuel des porteurs dans la base et du bruit thermique . La source du bruit thermique est la résistance de l'appareil et augmente avec la température :

Le bruit dans un amplificateur à transistor est défini en termes de bruit excessif généré par l'amplificateur, non pas ce bruit amplifié de l'entrée à la sortie, mais celui généré à l'intérieur de l'amplificateur. Ceci est déterminé en mesurant le rapport signal sur bruit (S/N) à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur. La sortie de tension alternative d'un amplificateur avec une petite entrée de signal correspond à S+N, signal plus bruit. La tension alternative sans signal d'entrée correspond au bruit N. Le le chiffre de bruit correspond à "F" est défini en termes de S/N d'entrée et de sortie de l'amplificateur :

Le facteur de bruit F pour les transistors RF (radiofréquence) est généralement indiqué sur les fiches techniques des transistors en décibels, F_dB . Un bon facteur de bruit VHF (très haute fréquence, 30 MHz à 300 MHz) est <1 dB. Le chiffre de bruit au-dessus de la VHF augmente considérablement, 20 dB par décennie, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure de bruit du transistor à petit signal par rapport à la fréquence. Après Thiele, Figure 11.147 [AGT]

La figure ci-dessus montre également que le bruit aux basses fréquences augmente de 10 dB par décade avec la diminution de la fréquence. Ce bruit est connu sous le nom de bruit 1/f .

Le facteur de bruit varie selon le type de transistor (numéro de pièce). Les transistors RF à petit signal utilisés à l'entrée d'antenne d'un récepteur radio sont spécialement conçus pour un faible bruit. Le facteur de bruit varie avec le courant de polarisation et l'adaptation d'impédance. Le meilleur facteur de bruit pour un transistor est obtenu avec un courant de polarisation plus faible et éventuellement avec une inadaptation d'impédance.

Discordance thermique (problème de mise en parallèle des transistors)

Si deux transistors de puissance identiques étaient mis en parallèle pour un courant plus élevé, on s'attendrait à ce qu'ils partagent le courant de manière égale. En raison des différences de caractéristiques, les transistors ne partagent pas le courant de manière égale.

Les transistors mis en parallèle pour une puissance accrue nécessitent des résistances de ballast d'émetteur

Il n'est pas pratique de sélectionner des transistors identiques. Le pour les transistors à petit signal a généralement une plage de 100-300, les transistors de puissance :20-50. Si chacun pouvait être apparié, l'un pourrait encore être plus chaud que l'autre en raison des conditions environnementales. Le transistor le plus chaud consomme plus de courant, ce qui entraîne un emballement thermique. La solution lors de la mise en parallèle de transistors bipolaires consiste à insérer des résistances d'émetteur appelées résistances de ballast de moins d'un ohm. Si le transistor le plus chaud consomme plus de courant, la chute de tension aux bornes de la résistance de ballast augmente - rétroaction négative. Cela diminue le courant. Le montage de tous les transistors sur le même dissipateur thermique permet également d'égaliser le courant.

Effets haute fréquence

Les performances d'un amplificateur à transistors sont relativement constantes, jusqu'à un certain point, comme le montre le gain de courant de l'émetteur commun du petit signal avec une fréquence croissante dans la figure ci-dessous. Au-delà de ce point, les performances d'un transistor se dégradent à mesure que la fréquence augmente.

Fréquence de coupure bêta , fT est la fréquence à laquelle le gain de courant du petit signal de l'émetteur commun (h_fe ) tombe à l'unité. Un amplificateur pratique doit avoir un gain>1. Ainsi, un transistor ne peut pas être utilisé dans un amplificateur pratique à fT. Une limite plus utilisable pour un transistor est 0,1·fT. Considérez l'illustration.

Gain de courant de petit signal de l'émetteur commun (hfe) par rapport à la fréquence.

Certains transistors bipolaires RF au silicium sont utilisables comme amplificateurs jusqu'à quelques GHz. Les appareils au silicium-germanium étendent la plage supérieure à 10 GHz.

Fréquence de coupure alpha ,

f_alpha est la fréquence à laquelle le tombe à 0,707 de basse fréquence . La coupure alpha et la coupure bêta sont presque égales :f_alpha fT. La coupure bêta fT est le facteur de mérite préféré des performances à haute fréquence.

f max est la fréquence d'oscillation la plus élevée possible dans les conditions les plus favorables de polarisation et d'adaptation d'impédance. C'est la fréquence à laquelle le gain de puissance est l'unité. Toute la sortie est renvoyée à l'entrée pour maintenir les oscillations. f_max est une limite supérieure pour la fréquence de fonctionnement d'un transistor en tant que dispositif actif. Cependant, un amplificateur pratique ne serait pas utilisable à f_max .

Effet Miller : La limite de haute fréquence pour un transistor est liée aux capacités de jonction. Par exemple, un PN2222A a une capacité d'entrée C_obo =9pF et une capacité de sortie C_ibo =25pF de C-B et E-B respectivement. [FAR] Bien que la capacité C-E de 25 pF semble importante, elle est moins importante que la capacité C-B (9pF) en raison de l'effet Miller , la capacité C-B a un effet sur la base équivalent à bêta fois la capacité dans l'amplificateur à émetteur commun. Pourquoi cela pourrait-il être? Un amplificateur à émetteur commun inverse le signal de la base au collecteur. Le signal de collecteur inversé renvoyé à la base s'oppose à l'entrée sur la base. Le signal du collecteur est bêta fois plus grand que l'entrée. Pour le PN2222A, =50–300. Ainsi, la capacité 9pF C-E ressemble à 9·50=450pF à 9·300=2700pF.

La solution au problème de la capacité de jonction consiste à sélectionner un transistor haute fréquence pour les applications à large bande passante :transistor RF (radiofréquence) ou micro-ondes. La bande passante peut être étendue davantage en utilisant la configuration de base commune au lieu de la configuration d'émetteur commun. La base mise à la terre protège l'entrée de l'émetteur de la rétroaction capacitive du collecteur. Un arrangement cascode à deux transistors donnera la même bande passante que la base commune, avec l'impédance d'entrée plus élevée de l'émetteur commun.

AVIS :

• Les amplificateurs à transistors présentent une distorsion en raison de la variation avec le courant de collecteur.
• Je_c , V_BE , et la capacité de jonction varient avec la température.
• Une augmentation de la température peut entraîner une augmentation de I_C , provoquant une augmentation de la température, un cercle vicieux connu sous le nom d'emballement thermique.
• La capacité de jonction limite le gain haute fréquence d'un transistor. L'effet Miller fait C_cb regardez β fois plus grand à la base d'un amplificateur CE.
• Le bruit du transistor limite la capacité d'amplification de petits signaux. Facteur de bruit est une figure de mérite concernant le bruit des transistors.
• Lors de la mise en parallèle de transistors de puissance pour un courant accru, insérez des résistances de ballast en série avec les émetteurs pour égaliser le courant.
• F_T est la limite de fréquence supérieure absolue pour un amplificateur CE, le gain de courant de petit signal tombe à l'unité, h_fe =1.
• Fmax est la limite de fréquence supérieure pour un oscillateur dans les conditions les plus idéales.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les amplificateurs BJT de classe A