Analiza wzmacniaczy z tranzystorami germanowymi i krzemowymi - parametry tranzystorów

[Romekd]

Czas wrócić do "tranzystorowego przedszkola" dla początkujących. Wcześniej zasugerowałem, by czytając książki poświęcone elektronice zachować czujność, gdyż podawane w nich informacje są jakimiś przybliżeniami, próbami uogólnień zagadnień bardziej złożonych lub "zapożyczeniami" informacji podawanych w innych książkach. Poniżej jeszcze raz przytoczę informacje zawarte w książce "Wzmacniacze małosygnałowe" ( viewtopic.php?p=421551#p421551 ). Analizując wykresy i charakterystyki sporządzone dla tranzystorów germanowych i krzemowych uważam, że twierdzenia te są delikatnie mówić nieprecyzyjne, by nie powiedzieć kompletnie błędne.

Zacznę od drugiego stwierdzenia, które jest prawdziwe jedynie dla małego zakresu zmian prądu bazy i kolektora danego tranzystora. Analizując wykresy wzmocnienia łatwo zauważyć, że poszczególne linie nie są liniami prostymi, a krzywymi, co oznacza, że przy wzroście prądów współczynnik temperaturowy zmian napięcia Ube nie jest stały, lecz stopniowo obniża się wraz z przyrostem prądu bazy i kolektora (poniżej wykres dla popularnego tranzystora krzemowego SS8050).

Wzmocnienie też nie rośnie z temperaturą o wartość 1/80°C dla Si i 1/60°C dla Ge

Jak widać na jednym z wykresów przy wzroście temperatury z -25°C do 25°C, czyli o 50°C wzmocnie rośnie z wartości 180 na 260 (ok. 1,44 raza), a przy wzroście temperatury z 25°C do 125°C, czyli aż o 100°C podnosi się z 260 na 350, czyli ok 1,35 raza. Jak to się ma do danych podanych w książce "Wzmacniacze małosygnałowe"?

Analizując charakterystyki tranzystorów BC177 można zauważyć, że cztery proste linie (jak by się mogło wydawać, gdyż w rzeczywistości to krzywe) dla różnych prądów kolektora (tu: 0,1 mA, 1 mA, 10 mA i 50 mA) znajdują się w stosunku do poziomu pod różnymi kątami, czyli ich nachylenia (do poziomu) w stosunku do rosnącej wartości prądu kolektora spada. Liniami prostymi zaznaczyłem i podałem wartości prądu bazy dla niezmieniającego się prądu kolektora przy wzroście temperatury o 100°C. Pokazuje to zmiany wzmocnienia przy wzroście temperatury struktury tranzystora.

Nałożyłem te cztery linie na siebie, by pokazać zmianę kąta ich pochylenia przy zmianach prądu kolektora i wyszło to jak poniżej.

Właśnie odwiedził mnie przyjaciel, więc temat będę kontynuował w następnym poście.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

cd.

Zależność wzmocnienia prądowego tranzystora od wartości prądu kolektora potrafi być bardzo różna w zależności od typu tranzystora. Tranzystory małej mocy, często określane jako sygnałowe z reguły pracują przy bardzo małych prądach w stosunku do ich prądu maksymalnego. Ten rzeczywisty prąd kolektora potrafi być we wzmacniaczach napięciowych nawet kilkadziesiąt lub kilkaset, lub nawet kilka tysięcy razy mniejszy od prądu dopuszczalnego dla danego typu tranzystora. W zakresie tak małych prądów elementy te potrafią charakteryzować się niskimi szumami własnymi dla średnich i większych impedancji wyjściowych źródła sygnału, który wzmacniają. Za to tranzystory dużej mocy często pracują w zakresie prądów od stosunkowo niskich (pojedyncze miliampery lub dziesiątki miliamperów /prądy spoczynkowe/) do bardzo dużych prądów, bliskich lub czasem nawet równych ich prądom dopuszczalnym (kilka lub kilkanaście amperów, po wysterowaniu wzmacniacza /w impulsie/). Ich producentom zależy by wzmocnienie prądowe takich tranzystorów było duże w szerokim zakresie prądów kolektora. Poniżej charakterystyka wzmocnienia prądowego tranzystora mocy 2SC5200 (TOSHIBA) w funkcji prądu kolektora.

Przyglądając się temu wykresowi łatwo zauważyć, że różnice we wzmocnieniu prądowym tranzystora, dla różnych temperatur, zmienia się stosunkowo niewiele, a różnice wynikające ze wzrostu temperatury są tym mniejsze im większa jest wartość prądu kolektora (różna długość odcinków narysowanych przeze mnie na niebiesko, dla wzrostu temperatury z -25°C do 25°C /przyrost temperatury o 50°C/ oraz na czerwono, dla wzrostu temperatury z 25°C do 100°C /przyrost o 75°C/). Dla pewnych, dość wysokich wartości prądu kolektora dla różnych temperatur złącza, krzywe wzmocnienia prądowego dla temperatur -25°C +25°C i 100°C przecinają się ze sobą, co oznaczyłem żółtymi kropkami. To samo zjawisko możemy obserwować dla napięciowego sterownia złącza baza-emiter, co widać na kolejnym wykresie.

cdn.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

cd.
Z wykresu przedstawiającego zależność prądu kolektora od napięcia kolektor-emiter (lewy wykres w drugim załączniku poprzedniego posta), dla stałego prądu bazy, można się zorientować, że rezystancja wewnętrzna tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera maleje wraz ze wzrostem prądu kolektora. Dla małych wartości prądów jest stosunkowo duża (krzywe przebiegają niemal poziomo), a ze wzrostem prądu ich rezystancja ulega obniżeniu (krzywe dla wyższych napięć wznoszą się coraz szybciej). Wynika to z nieliniowych wewnętrznych rezystancji tranzystora, w tym głównie rezystancji w obwodzie emitera (oznaczanej jako re /"e" powinno być napisane w indeksie dolnym, ale nie wiem jak to zapisać w tekście wyświetlanym przez "Triodę"/; re=25/Ic, dla Ic wyrażonego w miliamperach rezystancja wychodzi w omach).
Warto jeszcze przyjrzeć się wykresom z not katalogowych tranzystorów o przewodnictwie "npn" i "pnp", gdyż jest między nimi spora różnica. Posłużę się wykresami stworzonymi dla popularnych kiedyś tranzystorów typu BC211 (npn) i BC313 (pnp). Wykresy poniżej.

Przyglądając się wykresowi wzmocnienia prądowego w funkcji prądu kolektora możemy dostrzec, że do pewnej wartości prądu (do ok. 25 mA) prąd kolektora tranzystora BC211 (npn) nie zależy od napięcia kolektor-emiter - wartość wzmocnienia prądowego jest taka sama dla napięcia Uce=1 V, 5 V i 10 V, czego nie da się zaobserwować dla tranzystora o odwrotnym typie przewodnictwa typu BC313 (pnp). Różnica między oboma typami tranzystorów jest naprawdę duża, a wynika z różnych wartości tzw. napięcia Early'ego dla tranzystorów o przewodnictwie typu "npn" i "pnp". Napięcie Early'ego, to taka wartość napięcia, dla którego prąd kolektora ulegnie podwojeniu w stosunku do prądu obserwowanego przy niskim napięciu Uce. Dla tranzystorów typu "npn" wartość tego napięcia jest stosunkowo wysoka, szczególnie dla tranzystorów wysokonapięciowych o małym i średnim poziomie wzmocnienia prądowego, natomiast dla tranzystorów typu "pnp" napięcie to jest znacznie niższe, szczególnie dla tranzystorów o bardzo dużym wzmocnieniu prądowym i niskim dopuszczalnym napięciu kolektor-emiter. Zresztą stałość wzmocnienia prądowego tranzystorów sygnałowych "npn" jest tym gorsza (przeważnie, gdyż są wyjątki) im ich wzmocnienie prądowe jest wyższe. Można to zaobserwować oglądając przebiegi krzywych wzmocnienia prądowego dla różnych prądów kolektora tranzystorów z grupy wzmocnienia "A", "B" i "C". Poniżej wykresy z noty katalogowej Philipsa dla tranzystorów typu BC546 i BC547.

cdn.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

To teraz zrób to samo dla TG5S. No i znajdź mi kartę katalogową krzemowego tranzystora, która by pokazywała dwukrotny wzrost prądu zerowego co 6 stopni. To wtedy możemy powiedzieć, że autorzy tej książki mieli rację, a mylili się choćby Horowitz I Hill...

Nie zbadałem prądów zerowych tranzystora TG5S, ponieważ takiego nie posiadam w swoich zbiorach. Sprawdziłem natomiast prądy te dla tranzystora AC187K g3. Wyniki przedstawia tabela poniżej.

Miałem pewne problemy z pomiarem prądu zerowego emiter-kolektor dla wyższych temperatur, gdyż prądy te okazały się dość duże, co powodowało powstawanie dodatkowych strat w germanowej strukturze i doszło do lawinowego narastania prądu przy temperaturze tranzystora wyższej od 60°C (prąd wzrósł tak bardzo, że w zasilaczu nagle załączyło się zabezpieczenie ustawione na 0,5 A, więc w tranzystorze przez krótki czas traciła się moc 2,5 W, po czym zaczęło spadać napięcie z zasilacza). Po wystudzeniu tranzystora powtórzyłem wcześniejsze pomiary uzyskując ponownie te same wyniki. Następnie zmniejszyłem napięcia baza-emiter do dwóch woltów i sprawdziłem zachowanie się tranzystora przy temperaturze 65°C i 75°C (zdaje sobie sprawę, że dla tej temperatury pewnie też przekroczyłem dopuszczalną moc tranzystora, która szybko obniża się wraz ze wzrostem temperatury obudowy elementu).

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Tak duży rozrzut parametrów elementów półprzewodnikowych produkowanych w Polsce do początku lat 90 mogło wynikać z technologi produkcji, w tym używania płytek (wafli) krzemowych o małej średnicy.

Tranzystory produkowane w latach 70., 80. i 90. miały dość spory rozrzut parametrów, choć wcześniej produkowane germanowe miały jeszcze większy. Popatrz jak duże różnice mogły występować dla tranzystora germanowego AC187K przy sterowaniu prądowym i napięciowym złącza baza-emiter.

Tranzystor mógł osiągać prąd kolektora równy 1 A typowo przy prądzie bazy równym 8 mA, ale mógł osiągać ten prąd również dla prądu bazy równego 3 mA lub 15,75 mA (między dopuszczalną dolną i górną granicą różnica prądu bazy mogła wynosić aż 5,25 razy). Poniżej wykres dla sterowania napięciowego złącza baza-emiter tranzystora AC187.

I w tym przypadku tranzystor mógł osiągać maksymalną wartość prądu 1 A przy napięciu baza-emiter równym 292 mV lub 1000 mV, przy typowej wartości tego napięcia równej 550 mV, w zależności od testowanego egzemplarza. Dlatego stosowanie tranzystorów "parowanych" było bardzo zalecane.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Przeanalizowałem jeszcze kilka wykresów pokazujących zależność prądu kolektora od napięcia baza-emiter lub prądu bazy przy różnych temperaturach obudowy tranzystora i te analizy również utwierdziły mnie w przekonaniu, że podane dane w książce "Wzmacniacze małosygnałowe" są błędne. Poniżej charakterystyki, przy czym pierwsza dotyczy popularnego tranzystora germanowego typu SFT357, a kolejne popularnych w latach PRL-u tranzystorów krzemowych: BF520, BF136 i BD354.

I teraz mam do Was takie pytanie sprawdzające (jeżeli ktoś w ogóle czyta moje wypowiedzi w tym wątku), kiedy stopień z tranzystorem krzemowym będzie bardziej stabilny temperaturowo w układzie bez dodatkowej kompensacji termicznej (bez ujemnego sprzężenia zwrotnego dla DC) przy zmianach temperatury? Czy w sytuacji gdy tranzystor będzie polaryzowany sztywnym napięciem baza-emiter (ze źródła napięcia o niskiej rezystancji, np. z rezystorowego dzielnika lub innego źródła stabilnego napięcia), czy może w sytuacji gdy do bazy będzie dostarczany stabilny prąd, ze źródła prądu o dużej rezystancji wewnętrznej (np. polaryzacja rezystorem o dużej rezystancji lub źródłem prądowym)?
Jeżeli znacie odpowiedź, to proszę o wypowiedź.

Pozdrawiam
Romek

[Wiech]

Szanowni Koledzy ten temat powstał nie po to aby chwalić lub porównywać wytwory z piasku (Si), tylko aby pomóc, wyśmiać lub skrytykować końcówkę mocy dla "mamutów", taką na której The Beatles mogliby zagrać swoje przeboje w latach 60-tych, czyli czysty, żywy german!
Ja proponowałem na początku 1 czy 2 schematy, które spotkały się tu z chłodnym przyjęciem, a temat został obrócony o 180 stopni i naraz wszyscy obrabiają BC, BF i inne krzemopochodne złomy.
Zróbcie krok w tył, może więcej 2 lub 3 i poprawcie moje schematy przedstawione niżej, tak aby miały sens i wszystko działało bez większych problemów.
Schemat nr 1 - ten z publikacji Valvo, ze zmianami umożliwiającymi pracę w czystym germanie

Schemat nr 2 - podejrzany w necie z zasilaniem symetrycznym, konstrukcja nowsza, zmiany moje.

Tranzystory mocy 2SB471 mam i mogą być zastosowane zamiennie z AD149
Koszty bardzo podobne.

PS
Dodatkowo jak można określić , zmierzyć szumy w tranzystorze wejściowym?

Pozdrawiam
Wiesław

[AZ12]

Witam

We wzmacniaczu o zasilaniu symetrycznym zamiast R4 można zastosować odpowiednio włączony potencjometr o małej rezystancji, można nim sprowadzić napięcie stałe wyjściowe do zera.

Do pomiaru poziomu szumów tranzystora potrzebny jest wzmacniacz o dużej czułości i niskim poziomie szumów własnych oraz odpowiedni układ pomiarowy.

[onyx1944]

Czołem.

I teraz mam do Was takie pytanie sprawdzające (jeżeli ktoś w ogóle czyta moje wypowiedzi w tym wątku), kiedy stopień z tranzystorem krzemowym będzie bardziej stabilny temperaturowo w układzie bez dodatkowej kompensacji termicznej (bez ujemnego sprzężenia zwrotnego dla DC) przy zmianach temperatury? Czy w sytuacji gdy tranzystor będzie polaryzowany sztywnym napięciem baza-emiter (ze źródła napięcia o niskiej rezystancji, np. z rezystorowego dzielnika lub innego źródła stabilnego napięcia), czy może w sytuacji gdy do bazy będzie dostarczany stabilny prąd, ze źródła prądu o dużej rezystancji wewnętrznej (np. polaryzacja rezystorem o dużej rezystancji lub źródłem prądowym)?
Jeżeli znacie odpowiedź, to proszę o wypowiedź.

Pozdrawiam
Romek

Jak bym stabilizował stałym prądem, a jeśli napięciem użyłbym do kompensacji takiego samego złącza pn jak w tranzystorze. I spiął termicznie tak jak w przypadku par różnicowych. Teraz mam zagwozdkę jak zmontować i skopulować termicznie bc107/77 i ich metalowe obudowy...

[Romekd]

Jak bym stabilizował stałym prądem, a jeśli napięciem użyłbym do kompensacji takiego samego złącza pn jak w tranzystorze. I spiął termicznie tak jak w przypadku par różnicowych. Teraz mam zagwozdkę jak zmontować i skopulować termicznie bc107/77 i ich metalowe obudowy...

Bardzo trafna konstatacja. Pod względem wzmocnienia prądowego, traktowanego jako iloraz prądu kolektora przez prąd bazy, tranzystory wykazują dużo mniejsze zmiany ze wzrostem temperatury niż zmiany prądu wywołane zmianami napięcie Ube, które powodują, że przy niezmiennym napięciu złącza baza-emiter prąd kolektora przy wzroście temperatury o ok. 30°C wzrośnie (jeśli aplikacja na to pozwoli) mniej więcej o 1000% (ok. 2 mV/°C x 30°C daje ok. 60 mV, a prąd kolektora rośnie dziesięciokrotnie przy wzroście napięcia Ube o ok. 58 mV). Myślę, że to było powodem, że przy polaryzowaniu bazy tranzystora dzielnikiem, w obwodzie emiterem prawie zawsze stosowano rezystor, poprawiający stabilność punktu pracy tranzystora.
W kolejnym poście przedstawię wiele przykładów takiego postępowania.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Myślę, że powoli trzeba "dobijać do brzegu" z tymi temperaturowymi zależnościami. Wiele lat temu przyjrzałem się dokładniej kilku notom katalogowym popularnych w latach 70. i 80. tranzystorów krzemowych i germanowych. Starsze noty były o wiele bogatsze w ciekawe informacje, niż noty późniejsze, bardziej oszczędne pod względem przedstawiania skutków zmian parametrów, wynikających ze zmian temperatury złącza. Pewnie dokładne badania tranzystorów były dość kłopotliwe w przeprowadzaniu i generowały dodatkowe koszty, których producenci nie chcieli ponosić. Dość dokładne informacje o zależności prądu kolektora od napięcia baza-emiter przy różnych temperaturach podała dla popularnego tranzystora BC546 i BC556 firma Motorola. Z not katalogowych tych tranzystorów można się dowiedzieć, że dla małych prądów kolektora współczynnik temperaturowy zmian napięcia baza-emiter jest mniej więcej stały w szerokim zakresie temperatur i wynosi ok. 2,45 mV/°C, a ze wzrostem prądu kolektora współczynnik ten spada poniżej 2 mV/°C, by dla wysokiego prądu kolektora (100 mA) osiągnąć ok. 1,4 mV/°C oraz jedynie ok. 1 mV/°C dla prądu 200 mA (dopuszczalna wartość prądu kolektora dla BC546 i BC556 w impulsie). Poniżej fragmenty not katalogowych, opracowane przez Motorolę dla wymienionych typów tranzystorów.

2_BC548_MOTOROLA.png (29.05 KiB) Przejrzano 641 razy

3_BC548_MOTOROLA.png (23.05 KiB) Przejrzano 641 razy

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Ponieważ tranzystory wykazują dużą zmianę prądu kolektora od napięcia baza-emiter, a napięcie to ulega dużym zmianom w zależności od temperatury struktury tranzystora, to zdecydowana większość tranzystorów w układach elektronicznych ma polaryzowaną bazę przez wykorzystywanie ujemnego sprzężenia zwrotnego do stabilizowania ich punktu pracy. Bardzo ważne jest to szczególnie w układach, w których kilka tranzystorów jest ze sobą połączona w sposób galwaniczny i wzajemnie na siebie oddziałuje. Ponieważ w takich układach wzrost temperatury jednych tranzystorów wpływa na wzrost temperatury pozostałych w mniejszy lub większy sposób, to problemy ze stabilnością powielają się i są to trudniejsze do rozwiązania. W przypadku tranzystorów germanowych problemy są znacznie większe, gdyż napięcia między bazą i emiterem są w nich niższe, więc nawet gdyby zmiany tego napięcia były podobne jak w tranzystorach krzemowych, to i tak stwarzają większy problem z kompensacją termiczną, mającą na celu utrzymanie prądu kolektora (w warunkach spoczynkowych) na tej samej wartości, niezależnie od zmian temperatury. W tranzystorach krzemowych przy małych prądach kolektora, przy których najczęściej pracują tranzystory w stopniach napięciowych, zmiany napięcia np. o ok. 60 mV (bliżej 58 mV) powodują aż 10 krotną zmianę prądu kolektora (zmianę dwukrotną powodują zmiany napięcia bazy względem emitera o ok. 18 mV), więc w obwodzie emitera stosuje się dodatkowy rezystor, który może być zablokowany kondensatorem, dając w ten sposób ujemne sprzężenie zwrotne tylko dla napięć stałych (lub wolno się zmieniających) lub może tego kondensatora nie być i wówczas ujemne lokalne sprzężenie zwrotne działa zarówno dla napięć stałych jak i sygnałów zmiennych (użytkowych), co daje dodatkową korzyść w postaci np. redukcji zniekształceń nieliniowych (THD) i intermodulacyjnych. Tranzystory są bardzo nieliniowe bez lokalnego sprzężenia zwrotnego, gdyż prąd kolektora rośnie w nich dwukrotnie (o 100%) gdy napięcie baza-emiter rośnie o 18 mV, ale przy spadku napięcia spoczynkowego baza-emiter o te same 18 mV, prąd kolektora nie zmienia się (zmniejsza) o 100%, a jedynie spada o połowę, czyli o 50%. Tak więc układy wielotranzystorowe opracowywane są z ujemnym sprzężeniem zwrotnym tylko dla napięć i prądów stałych, stosowane są w najmniej wymagających zastosowaniach, np. były stosowane i bardzo popularne w układach komunikacji radioamatorskiej, gdyż nawet przy stosunkowo dużym poziomie zniekształceń nieliniowych zrozumiałość przekazu mowy była bardzo dobra. Poniżej dwa popularne układy wzmacniaczy napięciowych, w których ujemne sprzężenie zwrotne istnieje tylko dla składowej stałej, dzięki czemu układy te dają bardzo duże wzmocnienie napięciowe (układ o trzech tranzystorach potrafi wzmacniać napięcie sygnału nawet ponad 100 dB). Dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu dla DC układy pracowały stabilnie nawet przy dużych zmianach temperatury.

Pozdrawiam
Romek

[Ukaniu]

Ponieważ tranzystory wykazują dużą zmianę prądu kolektora od napięcia baza-emiter, a napięcie to ulega dużym zmianom w zależności od temperatury struktury tranzystora, to zdecydowana większość tranzystorów w układach elektronicznych ma polaryzowaną bazę przez wykorzystywanie ujemnego sprzężenia zwrotnego do stabilizowania ich punktu pracy.

Tranzystor trzeba traktować jak zło konieczne, poleganie na jakimkolwiek parametrze to strzał w kolano.
We wspomnianych przez Ciebie wzmacniaczach WE typowe podejście to możliwie sztywne napięciowe polaryzowanie bazy i ustalenie punktu pracy rezystorem emiterowym, czyli sprzężenie miejscowe no albo to sprzężenie stabilizujące punkt pracy DC większej ilości. Wtedy minimalizujemy wpływ parametrów tranzystora. Ale... jakie wartości będą optymalne? Czy się nie wzbudzi? no właśnie! to jest projektowanie na najgorszy przypadek. Spora dziedzina czarnej magii projektowania.
Ja zwykle nie dzielę włosa na czworo i nie badam charakterystyk lupą, zakładam, że może być źle albo gorzej i nic nie wiem i staram się by działało zawsze