Der BJT-Arbeitspunkt schafft Raum für ein Kleinsignal

Zuerst Arbeitspunkt, dann Signal

Ein Bipolartransistor kann eine kleine Änderung um einen Gleichstromarbeitspunkt verstärken. Verwenden Sie für einen NPN im vorwärtsaktiven Betrieb $I_C\approx\beta I_B$ und eine gewählte $V_{BE}$-Näherung. Weder β noch VBE sind exakte Konstanten. Sättigung und Sperrung sind andere Betriebsbereiche; prüfen Sie Spannungen nach Verwendung des aktiven Modells.

Betrachten Sie eine bewusst idealisierte 5-V-Schaltung mit idealer 1.7-V-Quelle an der Basis, Emitterwiderstand 1 kΩ nach Masse und Kollektorwiderstand 2 kΩ nach 5 V. Nehmen Sie VBE = 0.7 V und β = 100 an. Emitterspannung ist 1 V und Emitterstrom 1 mA. Kollektorstrom ist β/(β+1) mal Emitterstrom, also 0.990099 mA. Kollektorspannung ist 3.019802 V und VCE 2.019802 V.

Um diesen Arbeitspunkt linearisieren

Bei Raumtemperaturnäherung VT = 25.85 mV beträgt die Transkonduktanz $g_m=I_C/V_T$ 38.3017 mS. Ihr Kehrwert beträgt ungefähr 26.1085 Ω. Ohne Transistorausgangswiderstand und mit groß angenommenem β für eine einfache Kleinsignalschätzung liefert ein nicht überbrückter Emitterwiderstand Verstärkung $-R_C/(R_E+1/g_m)$, ungefähr −1.9491.

Ein Basissignal mit 10 mV Spitzenwert erzeugt daher ungefähr 19.49 mV invertierte Kollektoränderung. Diese Kleinsignalschätzung ist lokal; größere Amplitude bis zur Sperrung oder Sättigung zerstört das lineare Modell. Der Emitterwiderstand verringert Verstärkung, macht das Verhalten aber weniger von β und der reinen Übergangskennlinie abhängig.

Die Basisquelle zählt

Unsere ideale Basisquelle liefert den Basisstrom von ungefähr 9.90 μA ohne Abfall. Ein realer Widerstandsteiler darf nicht als ideal angenommen werden. Ersetzen Sie ihn durch seine Thevenin-Spannung und seinen Widerstand, berücksichtigen Sie Basisstrom und lösen Sie den Gleichstrompunkt erneut. Koppel- und Überbrückungskondensatoren haben ebenfalls frequenzabhängige Effekte.

Erfassen Sie Arbeitspunkt getrennt von Signalverstärkung und definieren Sie die Näherungen für jede Zahl. Eine Lehrbuch-Transistorschätzung ist weder ein qualifiziertes Bauteilmodell noch ein garantierter physischer Verstärkerentwurf.