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

(Agregado mucho más tarde) Zeroth, un transistor bipolar es en realidad un dispositivo muy complejo, cuando se trata de la física real del dispositivo. El voltaje a través de la unión de la base del emisor (sesgo de la base) determina la corriente en el emisor, que todo va en la región 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. (Las "divisiones" actuales.) La proporción de la corriente del colector a la corriente del emisor se denomina \ $ \ alpha \ $ (alpha). \ $ \ alpha \ $ generalmente oscila entre 0.95 y 0.995.

Por lo general, la proporción de la corriente base a la corriente del 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 \ $.

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 actual varía con los parámetros operativos.

El venerable 2N2222A especifica un mínimo de \ $ \ beta \ $ en cualquier lugar 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 como un dispositivo de ganancia fija en las frecuencias desde DC hasta lo que podría llamarse la "frecuencia de esquina". La frecuencia de la esquina es el producto de ancho de banda de ganancia \ $ f_T \ $ dividido por el \ $ \ beta \ $ del transistor.

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

Su kilometraje va a variar. Usted diseña de forma conservadora y prueba su circuito, idealmente con varios transistores.

Esto te ayuda a comenzar.

El Hybrid Pi Model podría ser su mejor apuesta 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 la frecuencia aumenta. 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 capacidad.

Resulta que la capacitancia se ve como resistencias muy pequeñas a frecuencias suficientemente altas. Esto significa que los terminales estarán cortocircuitados 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 de 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 de la base al emisor. El flujo de corriente de salida desde el 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 a la base y poder atenuar una bombilla de 120 vatios conectada al colector del transistor (y el otro cable de la bombilla conectada a un alto voltaje positivo). Puede encontrar potentes transistores ya montados en un buen disipador de calor dentro de cualquier televisor CRT, que es fácil de encontrar el día de recolección de basura. Todos están reemplazando estos CRT por televisores de pantalla plana ahora. También obtienes una fuente de alimentación de alto voltaje lo suficientemente fuerte (a menudo de +30 voltios y +120 voltios) en estos mismos televisores CRT descartados.

Supongo que la batería llamada "Vbb" en su esquema representó la fuente equivalente de 0.7 voltios que está dentro del transistor. Es una buena ingeniería representar un diodo como si estuviera hecho de un interruptor (apertura o cierre según la polaridad presentada en el diodo), una resistencia (muy pequeña ... menos de 1 ohmio) y una fuente de voltaje de 0.7 voltios .

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, supongamos que el rango de ganancia del transistor 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 de 10 para cada circuito, sin importar si 2N2222A es realmente capaz de 100 o solo 35.

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