Warum fungiert ein BJT im linearen Bereich als Verstärker?

Ich behandle BJTs in meiner Halbleiterklasse und in der Vorlesung sagte der Professor, dass BJTs als Verstärker im linearen Bereich verwendet werden. Ich bin verwirrt, weil ich dachte, die Verstärkung sei proportional zum Basisstrom.

Wäre nach dieser Logik nicht die höchste Verstärkung im Sättigungsbereich?

Kann jemand diese Verwirrung aufklären?

Was verwirrend sein kann, ist, dass der Sättigungsbereich eines MOSFET manchmal als linearer Bereich in einem BJT bezeichnet wird, während der Sat-Bereich in einem BJT manchmal als linearer Bereich bezeichnet wird, in dem Vgs den Drain-Source-Widerstand steuern kann!
Tatsächlich sind die Namen vertauscht. SEHR verwirrend, wer hat sich das ausgedacht???
@Rimpelbekkie Im BJT bezieht es sich auf die Stromsättigung, im MOSFET auf die Spannungssättigung und die Namen wurden gewählt, da der BJT ein stromgesteuertes Gerät und der MOSFET ein spannungsgesteuertes Gerät ist (erster Ordnung). Es ist aus gerätephysikalischer Sicht sinnvoll. Aus Sicht des Schaltungsdesigns nicht so sehr.
Warum wurde diese Frage abgelehnt? Ich dachte, es wäre eine gültige Frage, die den Richtlinien dieser Website entspricht. Kann mir jemand Feedback geben, damit ich in Zukunft bessere Fragen stellen kann?

Antworten (3)

Wenn Sie nur einen großen Strom mit einem kleinen Steuerstrom (an der Basis) ein- / ausschalten, möchten Sie, dass der Transistor in die Sättigung geht.

Wenn Sie jedoch möchten, dass der Kollektorstrom folgt, beispielsweise einem oszillierenden Signal an der Basis, möchten Sie, dass der Transistor im linearen Bereich bleibt.

Ich glaube, ich verstehe, also würde der von der Versorgung kommende Strom dem Eingangssignal folgen und es im linearen Bereich verstärken?
Das ist richtig Adam.

Betrachten Sie die Kennlinien eines typischen Kleinsignal-NPN-Transistors:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Unter Bezugnahme auf das rechte Diagramm können wir sehen, dass die DC-Stromverstärkung hFE bei Kollektorstrom nahezu konstant ist, vorausgesetzt, dass Vce konstant bei 1 V gehalten wird. Er beginnt abzufallen, wenn Sie sich Ic von 100 mA nähern, und (nicht gezeigt) fällt er auch bei sehr niedrigem Kollektorstrom ab.

Wenn Sie sich nun den linken Graphen ansehen, entspricht der Schnittpunkt von Vce = 1,0 V einem Punkt auf dem rechten Graphen für jeden der Basisströme von 0,1 mA bis 1,0 mA. Wenn der Kollektorstrom zunimmt, ist die Verstärkung geringer, sodass der Abstand zwischen den gleichmäßig beabstandeten Basisströmen kleiner wird. Stellen Sie sich nun vor, der Transistor geht in die Sättigung, sodass Vce kleiner als 1 V ist und sich Null nähert. Bei 1 mA Basisstrom und 0,1 V Vce können Sie beispielsweise sehen, dass der Kollektorstrom nur etwa 25 mA beträgt - das bedeutet, dass die Stromverstärkung von mehr als 200 auf 25 gesunken ist. Bei 0,1 V und 0,1 mA Basisstrom ist die Verstärkung größer wie 50, immer noch weit entfernt von den 300 bei 1 V Vce.

Wenn sich Vce Null nähert, fällt der Verstärkungsstrom auf Null. Dies ist sinnvoll, da der Transistor eine gewisse Spannung benötigt, um zu arbeiten. Irgendwann sehr nahe Null wird es sogar leicht negativ, da ein zunehmender Basisstrom dazu führt, dass Strom aus dem Kollektor fließt.

Die andere Sache, die Sie vielleicht interessant finden, ist, dass die Kurven bei niedrigem Basisstrom ziemlich flach sind - die Verstärkung ändert sich mit Vce nicht viel, vorausgesetzt, sie sieht "genug".

Bitte beachten Sie, dass der „Sättigungsbereich“ für einen BJT der Bereich ist, in dem Vce < Vce_sat. In diesem Betriebsbereich wird Ic nicht nur durch Ib und Vbe bestimmt, sondern auch durch Vce. Wenn Sie ein kleines Signalmodell des BJT im Sättigungsbereich bestimmen würden, würden Sie feststellen, dass eine zusätzliche Komponente einen Teil des Kollektorstroms "auffrisst", was zu weniger gm führt (was Sie Verstärkung nennen).

Der lineare Bereich ist dort, wo Vce > Vce_sat. In diesem Betriebsbereich wird Ic hauptsächlich von Ib und Vbe bestimmt, aber weniger von Vce (nur durch den Early-Effekt). Dies führt zu einer höheren Ausgangsimpedanz (am Kollektor) im Vergleich zum gesättigten Bereich, was zu mehr nutzbarem gm führt.

Obwohl ein Signal in jedem Bereich durch einen BJT verstärkt werden kann, ist der lineare Bereich bequemer zu verwenden, da die Vce-Abhängigkeit (in 1. Ordnung) entfernt wird.

Die (Kleinsignal-) Transkonduktanz gm = dIc/dVbe eines BJT hängt hauptsächlich von Ic ab, aber da Beta = Ic/Ib (vorausgesetzt, wir sind im linearen Bereich!) Könnte man sagen, dass die gm (ich würde das nicht Verstärkung nennen da gm Eins [A/V] hat) von Ib abhängig ist. Aber es ist bequemer zu sagen, dass gm von Ic abhängig ist, da gm = Ic/Vt.

Nur eine kleine Korrektur: Der Early-Effekt bewirkt eine SENKUNG des Ausgangswiderstands.
Ein BJT ist gesättigt, wenn beide Übergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Der v C E ( S A T ) ist ein Nennwert, der vom Kollektorstrom und dergleichen abhängt. v C E kann nicht niedriger sein als v C E ( S A T ) , per Definition. Was auch immer v C E Wert wird bei Sättigung gemessen v C E ( S A T ) (für die gegebenen zusätzlichen Bedingungen, die vorhanden sind).
@ LvW: Bitte lesen Sie sorgfältig, der Punkt, den ich machen wollte, ist, dass der Early-Effekt im linearen Bereich der Hauptschuldige ist, der Ic (Vce) beeinflusst, und dass dies zu einer höheren Ausgangsimpedanz im VERGLEICH zum Sättigungsbereich führt. Ich habe nie vorgeschlagen, dass der Early-Effekt Rout erhöht, da dies nicht der Fall ist.
@ Kax: "VCE kann per Definition nicht niedriger als VCE(SAT) sein". Warum zeigen dann alle Transistorkurven VCE von 0 bis was auch immer, während für eine bestimmte VBE der VCE_sat beispielsweise 200 mV betragen würde? Was Sie meinen, ist, dass der lineare Bereich dort beginnt, wo VCE > VCE_sat ist, genau wie ich es oben erwähnt habe.
@Rimpelbekkie, OK - ich verstehe. Um solche Fehlinterpretationen zu vermeiden, wäre es hilfreich, immer "höher ...im Vergleich zu..." zu sagen.
Guter Vorschlag, ich werde die Antwort ändern
Warum fungiert ein BJT im linearen Bereich als Verstärker?
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