¿Qué es la ganancia de voltaje de un amplificador de transistor y cómo se ve afectada por la frecuencia?

(Agregado mucho más tarde) Zeroth, un transistor bipolar es en realidad un dispositivo muy complejo, cuando se trata de la física del dispositivo real. El voltaje a través de la unión emisor-base (polarización de la base) determina la corriente en el emisor, que va a la región de la base. La construcción del dispositivo determina cuánto de esa corriente se recombina en la base (y se convierte en corriente de base) y cuánto continúa en el colector. (La corriente se "divide".) La relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor se llama$\alpha$(alfa).$\alpha$generalmente oscila entre 0,95 y 0,995.

Por lo general, la relación entre la corriente de base y la corriente del colector es más útil, ya que esa es la ganancia de corriente de CC ($\beta$) (beta) del transistor.

Un poco de álgebra mostrará que

$\beta = \frac{\alpha}{(1 - \alpha)}$

o alternativamente,

$\alpha= \frac{\beta}{(\beta + 1)}$

Por ejemplo,$\alpha = 0.95$da$\beta = 19$, y$\alpha = 0.99$da$\beta = 99$.

Primero, un transistor generalmente se modela como una fuente de corriente controlada por corriente. La ganancia de voltaje es una función de$\beta$y los valores del circuito. La ganancia de corriente varía con los parámetros operativos.

El venerable 2N2222A especifica un mínimo$\beta$de cualquier lugar entre 35 y 100. En Vce = 10V e Ic = 150 mA, el dispositivo anuncia un mínimo$\beta$de 100, y un máximo de 300.

En segundo lugar, en una primera aproximación, el transistor puede considerarse como un dispositivo de ganancia fija en frecuencias desde CC hasta lo que podría llamarse la "frecuencia de esquina". La frecuencia de esquina es el producto ganancia-ancho de banda$f_T$dividido por transistores$\beta$.

El venerable 2N2222A anuncia un mínimo$f_T$de 300 MHz, medida a Vce = 20 V, Ic = 20 mA y f = 100 MHz. Con una ganancia de corriente CC mínima de 100, la frecuencia de esquina será de al menos (300 MHz)/100 = 3 MHz. Por debajo de 3 MHz (o más, según el dispositivo y las condiciones de funcionamiento), el dispositivo tiene una ganancia de corriente fija. Para frecuencias superiores a 3 MHz, la ganancia disminuye. A 30 MHz, esperaría una ganancia de corriente mínima de 300 MHz / 30 MHz = 10.

Su millaje variará. Usted diseña de manera conservadora y prueba su circuito, idealmente con varios transistores.

Esto te ayuda a empezar.

El modelo Hybrid Pi podría ser su mejor opción para comprender la respuesta de frecuencia de un BJT. Pero el efecto más significativo en la respuesta será la capacitancia del emisor base (C-pi), que interactuará con r-pi para crear un filtro de paso bajo que hará que la ganancia disminuya a medida que aumenta la frecuencia. Además, también hay otros efectos a tener en cuenta, pero creo que estarían fuera del alcance de un estudiante de secundaria.

Desde una perspectiva muy general, la limitación del ancho de banda proviene del hecho de que cualquier transistor tendrá una pequeña capacitancia entre cualquiera de sus terminales. Estas capacitancias pueden ser parásitas o intrínsecas a la física de cómo funciona en primer lugar, por lo que es inevitable tener alguna capacitancia.

Resulta que la capacitancia parece una resistencia muy pequeña a frecuencias suficientemente altas. Esto significa que los terminales se cortocircuitarán entre sí a altas frecuencias, lo que socavará las propiedades de amplificación de cualquier configuración dada.

Como usted es un estudiante de secundaria, la ganancia de voltaje de un amplificador es la relación entre el voltaje o/p amplificado y el voltaje i/p dado. Pero hay muchos otros parámetros que dependen de la ganancia de voltaje.

Los transistores bipolares son amplificadores de corriente. La razón es que el emisor base actúa exactamente como un diodo. No importa si usa un transistor de baja potencia como el 2N2222A o prueba con un TO-220 grande, encontrará +0.7 voltios en la base cuando el emisor es de 0.0 voltios (para NPN).

La ganancia del transistor en las hojas de datos siempre se da como una relación de la corriente de entrada/salida. El flujo de corriente de entrada desde la base hasta el emisor. El flujo de corriente de salida del colector al emisor. Es fascinante usar una batería de 1,5 voltios en serie con una resistencia (de 1 ohm a 1 K ohm) conectada en la base y poder atenuar una bombilla de 120 vatios conectada en el colector del transistor (y el otro cable de la bombilla conectada a un alto voltaje positivo). Puede encontrar transistores potentes ya montados en un buen disipador de calor dentro de cualquier televisor CRT, fácil de encontrar el día de la recolección de basura, ahora todos están reemplazando estos CRT por televisores de pantalla plana. También obtiene un suministro de alto voltaje lo suficientemente fuerte (a menudo +30 voltios y +120 voltios) en estos mismos televisores CRT desechados.

Supongo que la batería llamada "Vbb" en su esquema representaba la fuente equivalente de 0,7 voltios que se encuentra dentro del transistor. Es buena ingeniería representar un diodo como si estuviera hecho de un interruptor (abriéndose o cerrándose dependiendo de la polaridad que presente el diodo), una resistencia (muy pequeña... menos de 1 ohm) y una fuente de voltaje de 0.7 volts. .

Para evitar la pesadilla de probar tantos transistores hasta encontrar uno con la ganancia correcta, el enfoque estándar consiste en agregar una pequeña resistencia en el emisor del transistor para disminuir la ganancia a un valor conocido. Por ejemplo, suponga que el rango de ganancia del transistor es de 35 a 100 como el 2N2222A mencionado anteriormente, puede elegir el valor de resistencia para obtener una ganancia de 10. Con esa resistencia, la ganancia siempre será 10 para cada circuito, sin importar si el 2N2222A es realmente capaz de 100 o solo 35.

Para compensar la disminución de la ganancia con la frecuencia, los ingenieros a menudo agregan un capacitor en paralelo con esa resistencia que se agrega en el pin emisor del transistor. Este filtro de paso alto actúa efectivamente como un cortocircuito cuando la frecuencia es lo suficientemente alta

Para un amplificador de transistor, la curva de respuesta de frecuencia indica que la ganancia de voltaje es baja en frecuencias altas y bajas y alta en el rango de frecuencia media...