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Indiana Jones e l'hfe maledetto

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 5 mar 2016, 16:28

Argomento ampiamente dibattuto è sulle differenze tra h_{FE}, \beta e h_{fe}.

Qui invece voglio segnalare una cosa in cui mi sono imbattuto durante il progetto di un amplificatore wideband a BJT discreti.
Si sa che l'h_{fe} non è la stessa cosa che l'h_{FE}. Per eseguire certi calcoli a me occorre h_{fe}, che in genere ricavo dai datasheet, con le curve di h_{fe} in fuzione diI_C. Se non ci sono, uso un valore medio tra il min e il max che fornisce il datasheet.
Se non c'è neanche quello, uso il valore di h_{FE}, che so che non è la stessa cosa, ma in qualche modo devo pur avere un valore realistico da usare nei calcoli (non sto usando SPICE). Al massimo lo maggioro del 20%, tanto alla fine il circuito lo verifico sempre sperimentalmente, come è giusto fare.

Devo dire però che ultimamente i datasheet stanno diventando sempre più scarni, e certe informazioni sui parametri ibridi o di Giacoletto divengono sempre più difficili da estrapolare. Il colmo dei colmi è sapere che per recuperarli, molti usano i parametri del modello SPICE. Che poi tali modelli non sempre hanno valori dei parametri congrui è un'altra storia... :mrgreen:

Molto graziosamente, mentre scorrevo le caratteristiche di un 2N3904 della Fairchild, mi sono imbattuto in questo grafico:
2n3904hfe.jpg

Ed è fantastico, perché è raro trovare graficata esplicitamente la dipendenza di h_{fe} dalla frequenza. Di fatto molti ignorano o trascurano che il valore di h_{fe} fornito dai datasheet è solitamente riferito a 1 kHz. Ma tale parametro varia abbondantemente al salire della frequenza, eccome!

In genere se va bene, si trova la dipendenza del prodotto current gain-baindwidth dalla corrente di collettore. A volte neanche quello, ma semplicemente una f_T tipica :?

Per inciso, il valore di h_{fe} a me occorre in genere per ricavarmi la r_{b'e} del modello di Giacoletto. Ovvio che se il costruttore sul datasheet mi fornisce graziosamente tale valore, tabellato o graficato che sia, io sono riconoscente. ;-)

E voi? Come vi regolate se in qualche calcolo vi occorre un valore decente e realistico di h_{fe}?
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[2] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 5 mar 2016, 16:56

Quello che mi viene da dire è che forse è ricavabile, dai datasheet, con maggior precisione hfe ad alta frequenza che non in corrente continua.
Voglio dire semplicemente che ad alta frequenza si può fare ft/f e quello è già il valore cercato, mentre in corrente continua il datasheet presenta una fascia di valori molto ampia o in altri termini possiamo dire che non sappiamo a che frequenza ha fine la zona piatta.
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[3] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 5 mar 2016, 18:59

f_T\approx h_{fe}f_\beta è la definizione corretta per la frequenza di transizione.
f_\beta è la frequenza alla quale il valore di h_{fe} alle medie/basse frequenze vale 0.707 ed è la frequenza di taglio a -3 dB del valore di h_{fe} alle basse frequenze.

Quindi non è corretto dire che per un qualsiasi valore di frequenza f si ricava h_{fe} conoscendo f_T facendo h_{fe}=f_T/f.

Al più, assumendo f \gg f_\beta si può misurare h_{fe}=f_T/f e quindi desumere f_T. E' questo il modo normale di misurare f_T, assai difficilmente determinabile in maniera diretta.

Vi sono queste regolette per determinare h_{fe}
some frequency f:
1): Se f < f_\beta \to h_{fe} = h_{fe0}, ove h_{fe0} = valore alle basse frequenze, tipicamente a 1KHz
2): Se f \approx  f_\beta \to hfe = 0.7 hfe0
3): Se f > f_{\beta} si considera h_{fe} decrescente con pendenza 6 dB per ottava alla frequenza f e si fanno un po' di calcoletti di conseguenza :mrgreen:

Il tutto sembra quindi facile ma: f_T dipende da vari parametri, come ad esempio le impedenze del circuito in cui è inserito il BJT utilizzato.
E poi, gira e rigira, ricasca la domanda fatale: quanto vale h_{fe0}? :mrgreen:

Il guadagno in corrente nella configurazione a emettitore comune vale 1 alla frequenza f_T, ma il circuito può presentare comunque un guadagno di potenza a causa delle differenti impedenze di ingresso e di uscita del circuito.
Cosicché f_T non rappresenta necessariamente la massima frequenza usabile del BJT.
Un altro parametro, detto massima frequenza di oscillazione f_{max} e definita come:
f_{max} \approx \sqrt{f_T \over {8\pi r_{b'e}C_c}}
ed è la frequenza alla quale il guadagno di potenza del BJT a emettitore comune vale 1.

f_T viene inclusa nei datasheet principalmente per usarla come una figura di merito, non come parametro da utilizzare nei calcoli di progettazione. Ad esempio, se si hanno a disposizione due BJT con uguale f_T, il transistor avente h_{fe0} più basso avrà una banda passante usabile maggiore. Tutto qui, giusto per confrontare e scegliere rapidamente il transistor più conveniente.

Un altro parametro (ancora! #-o ) che definisce il campo di validità del circuito equivalente di Giacoletto è la frequenza di taglio trasversa (transverse cutoff frequency) e indicata con f_b (da non confondersi con f_\beta) che vale:
f_b={{g_{bb'}+g_{b'e}}\over{c_c+C_e}}
ed è la frequenza di taglio che si ottiene utilizzando il circuito equivalente del BJT normalmente usato per la determinazione di f_{\beta} ma alimentandolo con un generatore ideale di tensione anziché di corrente.

Alla fine di tutto questo bellissimo discorso, resta quindi la constatazione iniziale: desumere h_{fe} dai datasheet odierni è un gran casino. :mrgreen:
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[4] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 5 mar 2016, 19:29

banjoman ha scritto:non è corretto dire che per un qualsiasi valore di frequenza f si ricava h_{fe} conoscendo f_T facendo h_{fe}=f_T/f.

Sì, ho detto "ad alta frequenza" pensando di evitare l'ostacolo, in modo un po' vago non volendo dilungarmi.
Non è che io sia un tecnologo dei transistor ma la mia impressione è che 'sto parametro sia ballerino per natura quindi per garantirne un valore preciso bisognerebbe complicare tanto la selezionatura e la nomenclatura, quindi le scorte commerciali, che alla fine si è preferito lasciare il mondo com'è e i progettisti siano avvertiti che se vuoi conoscerlo te lo devi misurare esemplare per esemplare.
Quando costruivo piccole trasmittenti VHF ho dovuto accorgermi che ft mente di parecchio nei transistor acquistati al banco, questo è ben più grave, ad un certo punto ho anche imparato a interpretare certe strane serie di cifre che precedevano la sigla dei transistor 2N4427 e simili, se la prima cifra era un 7 il transistor era scarso e si poteva usare soltanto nei primi stadi moltiplicatori, invece quelli che iniziavano con 9 si potevano usare in modo pressocchè regolare.
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[5] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 5 mar 2016, 20:18

EcoTan ha scritto:Quando costruivo piccole trasmittenti VHF ho dovuto accorgermi che ft mente di parecchio nei transistor acquistati al banco, questo è ben più grave, ad un certo punto ho anche imparato a interpretare certe strane serie di cifre che precedevano la sigla dei transistor 2N4427 e simili, se la prima cifra era un 7 il transistor era scarso e si poteva usare soltanto nei primi stadi moltiplicatori, invece quelli che iniziavano con 9 si potevano usare in modo pressocchè regolare.


Sarebbe interessante se tu esponessi meglio questa cosa, io non la sapevo.

Per il resto tutto giusto come dici tu. Io possiedo un decente tracciacurve e nei casi drastici mi misuro l'h_{fe} maledetto. :-) Però che pa..e. :mrgreen:
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[6] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 5 mar 2016, 21:48

Sì confermo. Naturalmente non è che io potessi misurare esattamente ft, ma visto che sempre gli stessi transistor si rifiutano di amplificare oltre una certa armonica anche se pazientemente accordati, mentre gli altri aventi la stessa sigla ce la fanno, la conclusione a cui sono giunto per me è sicura.
Allego la foto di un transistor dove si leggono sia la sigla, che non ricordo di avere mai adoperato, sia le cifre misteriose di cui la prima è 9 quindi in questo caso OK.
Vorrei aggiungere che costruivo anche dei VFO a transistor, e qui ho scoperto un'altra grana: modulando in ampiezza lo stadio finale, anche se separato dall'oscillatore per la presenza di svariati stadi intermedi, si otteneva una modulazione parassita mista di frequenza-ampiezza cioè la modulazione si ripercuoteva sulla frequenza di oscillazione. Ho fatto ricorso a tutti gli accorgimenti, a un certo punto ho copiato pedissequamente dal Radio Handbook americano (infallibile) ma niente da fare. Anche qui sono giunto alla conclusione che i transistor acquistati da me al banco difettavano nel parametro di ammettenza inversa uscita verso entrata o qualcosa di simile. La soluzione vincente è stata.. una resistenza serie da 100 kohm per separare sul serio e poi riamplificare la radiofrequenza.
Allegati
IMG_20160305_201656.jpg
Transistor
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[7] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 6 mar 2016, 2:54

È vero che il valore del guadagno di corrente cambia con la frequenza, ma questo fenomeno è descritto in prima approssimazione dalle capacità parassite, in particolare da Cpi.il problema è che fT varia con il bias point e quindi anche le prestazioni in frequenza cambiano. In generale sarebbe sempre meglio usare gm, ma tanto il problema del beta risalta fuori.

Prova a dare un'occhiata al Gray Meyer, introduttivo ma dettagliato, e al Reisch, high frequency bipolar transistors,
Per usare proficuamente un simulatore, bisogna sapere molta più elettronica di lui
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[8] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 6 mar 2016, 13:45

E infatti mi succede proprio così: in alta frequenza uso g_m (che mi da' risultati mooolto più consistenti anche a bassa frequenza, comunque) ma per quanto riguarda l'h_{fe} è una cosa impossibile. Lo chiudo fuori dalla porta e lui mi rientra dalla finestra :?

Ho scoperto con mio disappunto che il maggior problema è l'incompletezza dei datasheet. A volte sembra che pubblichino i dati a casaccio, svogliatamente. Molti di essi spesso non hanno nemmeno una, dico una curva caratteristica.
Bontà loro, forniscono spesso il modello SPICE. Che però a volte è sbagliato, come mi sono nuovamente accorto per un BJT tra quelli che sto provando per decidere quale utilizzare.

A parte C_{jc} e C_{je} che mi fanno sorridere con tutte quelle cifre significative dopo la vircgola (tipo 3.1743 pF :D ), a volte resto perplesso nel leggere valori di Bf che non collimano con quelli riportati nei datasheet.

Non sono esperto del modello Gummel-Poon, ma a me risulta che Bf dovrebbe essere il massimo beta forward ideale in continua, ovvero l'h_{FE}, estrapolato con qualche punto dalle curve (se ci sono!)
In un modello PSPICE, per il BJT 2N3904, esso vale 416.4.

Nel datasheet che uso io, per il 2N3904 della OnSemiconductor viene specificato un h_{FE} minimo di 100 e massimo di 300 a 10 mA. :-M

Apparentemente la simulazione dà risultati congrui, ma resto sempre sospettoso. Nei miei calcoli uso valori desunti dai datasheet.
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[9] Re: Indiana Jones e l'hfe maledetto

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 6 mar 2016, 13:55

Foto UtenteEcoTan, interessante quello che hai scritto. Sarebbe utile se non fosse che con i nuovi (si fa per dire) componenti SMD tutti quei dettagli che erano riportati una volta sui case dei transistor sarebbero impossibili da scrivere, per ragioni di spazio.
Occorrerebbe indagare più a fondo, ricercando nelle vecchie app notes dei costruttori, sperando che non sia materiale riservato. :?

Piuttosto ho scoperto con mio orrore che la marchiatura dei componenti SMD (transistor in specie) non è univoca. Io sono un po' all'antica, e gli SMD ho iniziato a utilizzarli seriamente da pochi anni.

Un mio amico mi ha spiegato l'utilizzo dei marking code, quindi niente più 2N2222 stampigliato in bella vista sul case. E un giorno mi portano un circuito da riparare. Un piccolo ricevitore RF. Non funzionava e mi chiesero aiuto.
Io tirai giù lo schema elettrico di massima. Un semplice ricevitore con 3 medie frequenze, realizzato con quattro transistorini in croce di adeguate caratteristiche. Sennonché il circuito non funzionava perché... provando a sostituire i BJT credendo fossero difettosi, avevano saldato un package che aveva lo stesso marking code, ma che corrispondeva a 2 diodi schottky :D .

Tolta quella schifezza di diodi e messoci un BC547 giusto per provare, il circuito ha iniziato a riprendere vita.
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