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

Question

En realidad me preocupa la respuesta en frecuencia de un transistor bipolar.

Busqué en Internet una respuesta a esta pregunta, pero no había una respuesta sencilla para que la entendiera un estudiante de secundaria. Así que me gustaría una respuesta sencilla.

Answer 1

(Añadido mucho más tarde) Zeroth, un transistor bipolar es en realidad un dispositivo muy complejo, cuando se trata de la física real del dispositivo. La tensión a través de la unión emisor-base (polarización de base) determina la corriente en el emisor, que va toda a la región de la base. La construcción del dispositivo determina cuánta de esa corriente se recombina en la base (y se convierte en corriente de base) y cuánta continúa hacia el colector. (La corriente se "divide".) La relación entre la corriente de colector y la de emisor se denomina $\alpha$ (alfa). $\alpha$ suele oscilar entre 0,95 y 0,995.

Normalmente, la relación entre la corriente de base y la corriente de colector es más útil, ya que es la ganancia de corriente continua ( $\beta$ ) (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 $\beta = 99$ .

En primer lugar, un transistor suele modelarse como una fuente de corriente controlada por corriente. La ganancia de tensión es función de $\beta$ y los valores del circuito. La ganancia de corriente varía con los parámetros de funcionamiento.

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

En segundo lugar, en una primera aproximación, el transistor puede considerarse un dispositivo de ganancia fija a frecuencias comprendidas entre CC y lo que podría denominarse la "frecuencia de esquina". La frecuencia de esquina es el producto ganancia-anchura de banda $f_T$ dividido por el $\beta$ .

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

Su kilometraje puede variar. Diseña de forma conservadora y prueba tu circuito, idealmente con varios transistores.

Con esto puedes empezar.

Answer 2

En Modelo Pi híbrido puede ser tu mejor opción para entender la respuesta en frecuencia de un BJT. Pero el efecto más significativo en la respuesta será la capacitancia del emisor de 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.

Answer 3

Como usted es un estudiante de secundaria, la ganancia de tensión de un amplificador es la relación entre la tensión o/p amplificada y la tensión i/p dada. Pero hay muchos otros parámetros que dependen de la ganancia de tensión.

Answer 4

Los transistores bipolares son amplificadores de corriente. La razón es que la base-emisor actúa exactamente como un diodo. No importa si utilizas un transistor de baja potencia como el 2N2222A o pruebas con un TO-220 grande, encontrarás +0,7 voltios en la base cuando el emisor está a 0,0 voltios (para NPN).

En las hojas de datos, la ganancia de un transistor se indica siempre como la relación entre la corriente de entrada y la de salida. La corriente de entrada fluye de la base al emisor. La corriente de salida fluye del colector al emisor. Es fascinante utilizar una pila de 1,5 voltios en serie con una resistencia (de 1 ohm a 1 K ohm) conectada a la base y poder regular una bombilla de 120 vatios conectada al colector del transistor (y el otro cable de la bombilla conectado a una tensión positiva alta). Puedes encontrar potentes transistores ya montados en un buen disipador de calor dentro de cualquier televisor CRT - fácil de encontrar en un día de recogida de basura - todo el mundo está sustituyendo estos CRT por televisores de pantalla plana ahora. Tambien puedes encontrar una fuente de alto voltaje (a menudo +30 Volt y +120 Volt) en estas mismas TV CRT desechadas.

Supongo que la pila llamada "Vbb" en tu esquema representaba la fuente equivalente de 0,7 voltios que está dentro del transistor. Es buena ingeniería representar un diodo como si estuviera hecho de un interruptor (abriéndose o cerrándose según la polaridad que se presente en el diodo), una resistencia (muy pequeña... menos de 1 ohmio) y una fuente de tensión de 0,7 voltios.

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

Para compensar la disminución de la ganancia con la frecuencia, los ingenieros suelen añadir un condensador en paralelo con esa resistencia que se añade en la patilla de emisor del transistor. Este filtro de paso alto actúa como un cortocircuito cuando la frecuencia es lo suficientemente alta.

Answer 5

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 tener algunos capacitancia es inevitable.

Resulta que la capacitancia se parece a resistencias muy pequeñas a frecuencias suficientemente altas. Esto significa que los terminales se cortocircuitarán entre sí a altas frecuencias, socavando las propiedades de amplificación de cualquier configuración dada.