Warum arbeitet der Klasse-C-Modulator nicht in Sättigung?

Warum arbeitet der Klasse-C-Modulator nicht in Sättigung?

Warum arbeitet der Transistor durch Einfügen des Widerstands R6 nicht in Sättigung?

Warum sollte es? Es war nie bekannt, dass die Sättigung selbst für digitale Schaltungen sehr nützlich ist, da sie langsam ist (dies bezieht sich natürlich nur auf BJT-basierte Designs und nicht auf MOSFET-Schaltungen, bei denen wir von der Sättigung abhängen). Dies liegt an der internen Funktionsweise des BJT. Der Kollektor-Basis-Übergang ist aufgrund der Dotierungsniveaus der größte Übergang. Wenn Sie den Kollektor-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung vorspannen, erhalten Sie eine kleinere Verarmungszone, was sich als schlecht herausstelltDing. Was passiert ist, dass Sie überschüssige Löcher in den Collector statt in den Emitter bekommen. Diese Löcher haben aufgrund des relativ großen Abstands vom Verarmungsbereich zum Metallübergang (in der Größenordnung von mehreren Diffusionslängen) eine nahezu null Chance, zum Kollektor-Metallübergang zu gelangen. Dies bedeutet, dass diese Löcher rekombinieren und nicht austreten. Ebenso müssen sich die meisten Elektronen auch im Basisbereich verbinden, denn wenn dies nicht der Fall wäre, würde sich eine Ladung aufbauen. Dies macht die Basis zu einem schlechten Stromregler und verliert allmählich ihre Wirksamkeit bei der Steuerung des Stroms vom Kollektor zum Emitter. Tatsächlich wird bei richtiger Sättigung der gesamte neue Strom, der durch den Emitter fließt, ausschließlich von der Basis geliefert.

Etwas wortreich, ich weiß. Sie müssen jedoch die Physik eines Geräts verstehen, um zu erklären, warum Dinge passieren. Mit diesem Wissen im Hinterkopf können wir sehen, dass, wenn die Anzahl der Minoritätsträger und Majoritätsträger durch übermäßige Rekombination verringert wird, dies bedeutet, dass es länger dauert, wieder auf ein nützliches Niveau zu gelangen. Dies wird in Dioden die ganze Zeit als "Reverse Recovery" angezeigt, und das gleiche Phänomen tritt im BJT auf. Nun, für einen BJT ist die "Reverse Recovery" ein wenig anders und ein wenig gleich. Dieselbe Physik geht vor sich, aber für die entgegengesetzten Effekte. Die Rückwärtswiederherstellungszeit ist jetzt die Zeit, die die Basis benötigt, um nützlich zu werdenStromregler mit Hfe > 50 statt Hfe näher bei 1-5 in Sättigung. Diese "CB Reverse Recovery"-Zeit ist nun der entscheidende Faktor für das Abschalten des Geräts, da sich dieser Übergang selbst wieder herstellen muss, um in Abschaltung zu sein. Wenn Sie dies mit dem kombinieren, was ich zuvor gesagt habe, dass es sich um die größte Kreuzung im BJT handelt, sehen Sie, warum Sättigung bedeutet, dass Ihr Gerät langsamer wird. Es muss mehr Zeit in Anspruch nehmen, um den CB-Übergang wieder in Sperrichtung vorzuspannen, um ihn auszuschalten. Die Sättigung führt dazu, dass ein BJT langsamer wird, weniger stromeffizient wird, weniger energieeffizient wird und eine geringere Verstärkung hat. Alles schlecht.

Ich hoffe, irgendetwas davon hat für Sie Sinn gemacht, und wenn nicht, denken Sie daran, es sind nur Quantenphysik, Elektromagnetik und Halbleiterbauelementphysik. Dieses Zeug ist nicht einfach und braucht Zeit, um es zu verstehen.

Eine Art Abfolge, um zu beweisen, dass Sie keine Sättigung erreichen *********************

Ich nahm mir die Zeit, um etwas Simzeit mit einem Computer zu bekommen, der MultiSim 13 hatte, und führte die Simulationen durch, die erforderlich waren, um meinen alten Professor zu verifizieren (oder ihm das Gegenteil zu beweisen, wir ließen die Daten sprechen).

Dies ist die Schaltung, die ich simuliert habe:

Hier ist, was ich bekommen habe:

1. Sie müssen diese Sim viel länger laufen lassen , um ein stabiles Ergebnis zu erhalten. Unten ist ein Bild, das zeigt, dass es sich erst 15 Millisekunden nach dem Start der Simulation auszugleichen begann.
2. Ich habe auch festgestellt, dass das Ändern des Zeitschritts tatsächlich Ihre vorübergehende Antwort ändern würde. Ich habe einen Zeitschritt von 1e-007 Sekunden bzw. 1e-009 Sekunden verwendet.
3. Und weil ich gründlich sein wollte, stellte ich sicher, dass dies ein guter Verstärker war, und führte eine FFT mit denselben Segmenten der oben gezeigten Wellenform durch (also zwischen 20 ms und 20,1 ms).

Fazit: Sie können deutlich sehen, dass die Spannung an der Basis des Transistors niemals höher ist als die Spannung am Kollektor. Per Definition bedeutet dies, dass das Gerät nur entweder im „Cut-off“-Bereich oder im „Forward Active“-Bereich arbeiten kann. Dies war eine spannende Frage, und ich hoffe, Ihre Frage wurde damit zufriedenstellend beantwortet. Wenn Sie eine Klärung benötigen, fragen Sie bitte und ich werde sehen, ob ich mehr Sim-Zeit bekommen kann, um sie zu beantworten (1e-009-Zeit-Sims dauern jeweils ein paar Minuten. Wenn Sie also mehr Diagramme benötigen, haben Sie bitte Verständnis, wenn ich nur 1e bekomme -007). Wenn sich die Frage auf die Gerätephysik bezieht, stellen Sie sie bitte in einer neuen Frage, da diese Antworten ziemlich lang werden können.

Hängen Sie nicht zu sehr an der 0,2-V-Definition der Sättigung auf. Hier ist ein Ausschnitt aus dem Datenblatt für einen 2N3904: -

Bei einem Basisstrom von 5 mA zeigt die Tabelle eine Sättigungsspannung von 0,3 V. Außerdem ist bei BJTs zu beachten, dass die Basis-Emitter-Spannung einen Punkt erreicht, an dem die Kollektor-Basis liegt, wenn Sie mehrere mA in die Basis pumpen Bereich wird in Vorwärtsrichtung vorgespannt und jetzt "hebt" die Basis den Kollektor deutlich über die "herkömmlich akzeptierte" Sättigungsspannung von 0,2 Volt. Grundsätzlich arbeitet der BJT nicht im herkömmlichen Sinne.

Wenn Sie sich die Kennlinie des 2N3904 ansehen, können Sie sehen, dass die Sättigung mit zunehmendem Basisstrom progressiv ansteigt: -

Ich habe in der Grafik einen roten Kreis bei einem Kollektorstrom von etwa 12,5 mA angezeigt - die Sättigung liegt eindeutig deutlich über 0,5 Volt und grenzt an 1 V.

Fixieren Sie sich nicht auf 0,2 V!