BC547 e PSPICE in alta frequenza

[DirtyDeeds]

Ho provato a simulare il tuo circuito con LTspice, ottenendo risultati analoghi.

In questo manuale, p. 229, puoi trovare il circuito del modello Spice di un transistor bipolare. La resistenza di cui parla IsidoroKZ è la resistenza , il cui valore di default è 0.

Il modello del BC547C in LTspice è il seguente (dal file standard.BJT):

Codice: Seleziona tutto

.model BC547C NPN(IS=4.679E-14 NF=1.01 ISE=2.642E-15 NE=1.581 BF=458.7 IKF=0.1371 VAF=52.64 NR=1.019 ISC=2.337E-14 NC=1.164 BR=11.57 IKR=0.1144 var=364.5 RB=1 IRB=1.00E-06 RBM=1 RE=0.2598 RC=1 XTB=0 EG=1.11 XTI=3 CJE=1.229E-11 VJE=0.5591 MJE=0.3385 TF=4.689E-10 XTF=160 VTF=2.828 ITF=0.8842 PTF=0 CJC=4.42E-12 VJC=0.1994 MJC=0.2782 XCJC=0.6193 TR=1.00E-32 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.333 FC=0.7936 Vceo=45 Icrating=100m mfg=Philips)

e il valore di RB è di 1 ohm, decisamente basso, forse un po' troppo basso per un transistor di piccolo segnale (in realtà Spice considera una RB variabile a seconda dalle corrente di base secondo l'equazione (7.508) del manuale che ti ho linkato). Valori tipici per transistor per piccolo segnale vanno invece dalla decina al centinaio di ohm.

Uno dei problemi è l'intervallo di frequenze di validità del modello utilizzato: il BC547C ha una frequenza di transizione specificata dell'ordine dei 300 MHz: ho seri dubbi che il modello Spice si possa considerare valido molto al di là di quella frequenza. I modelli più semplici come quello di Giacoletto sono considerati validi fino a circa (una volta ero andato a vedere da cosa derivasse questo limite, ma mo' non me lo ricordo più). Dubito che il modello PSpice possa essere considerato valido molto oltre , ma per arrivare a quella frequenza bisogna probabilmente avere una stima dei parametri migliore di quella del modello dato sopra.

[banjoman]

Grazie IsidoroKZ e DirtyDeeds per i vostri commenti, sempre molto graditi

La resistenza del generatore l'ho posta a 50 ohm perché sto lavorando in VHF e i generatori (e strumentazione correlata) in quel campo di frequenze hanno appunto quella impedenza.
Lo stesso dicasi per la resistenza di uscita. Mi serve molto bassa, e questo spiega il valore di 390 ohm.

SPICE so che usa il modello Gummel-Poon, ma non l'ho mai approfondito più di tanto. A questo punto ho passato la giornata ad approfondire per capire meglio l'arcano, e sono giunto a varie conclusioni, dopo aver consultato attentamente molta documentazione e appunti di diversi ricercatori.

Il fatto della non spiega tutto, e comunque dalle prove che ho fatto non influisce moltissimo. Aumentandola, si abbassa la frequenza di taglio, ma non in maniera sufficiente a far rientrare il comportamento nella normalità.

D'altronde, con il circuito di Giacoletto, che è pur vero che ha una validità garantita perlomeno sino a , la risposta cala comunque drasticamente e non si estende fino al GHz come nel caso del BC547.
Facendo veloci simulazioni usando il circuito di Giacoletto, e facendo sia i calcoli a manina che con SPICE, i risultati sono "umani", nel senso che oltre i 300-400 MHz il BC547 "muore". E ovviamente io non mi sognerei mai di assumere che a 500 MHz un BC547 possa essere di qualche utilità in un circuito reale. (in realtà non è proprio vero, ma di questo ne parlerò più avanti).

A voler cercare il pelo nell'uovo, si può vedere, con una analisi approssimata, che un collettore comune, facendo tendere la resistenza del generatore a zero, la frequenza di taglio raggiunge al massimo il valore , punto e basta.

Più precisamente, svolgendo un'analisi sul circuito di Giacoletto in configurazione CC col metodo delle costanti di tempo, si trova che per



(Dove e sono le resistenze "viste" rispettivamente da con l'altra capacità aperta)
Ne consegue che

se è

Nell'emettitore comune si raggiunge soltanto (transverse cutoff frequency)come caso limite, cioè quando sia che .


Nel mio approfondimento, leggendo anche alcune notizie e discussioni specialistiche sul web, ho potuto concludere che il modello SPICE, basato sul Gummel-Poon, è discretamente preciso anche a frequenze molto alte, a patto di inserire i parametri corretti.
Inoltre, non è sempre possibile possibile modellizzare il BJT affinché dia risultati corretti sia in una analisi AC sia in una analisi in transitorio. Di più, molti venditori ottimizzano i loro modelli SPICE per un determinato campo applicativo: se il BJT è previsto per fast switching, vengono ottimizzati i parametri per rendere realistica la risposta nel tempo, ma viene trascurata la risposta alle alte frequenze.

Come controprova, ho realizzato uno stadio utilizzando il BJT 2N5109, un transistor previsto espressamente come amplificatore e driver RF nel campo VHF-UHF.
Esso ha una tipica di a .
Una veloce simulazione col modello SPICE fornisce una frequenza di taglio intorno ai 900 MHz, sicuramente realistica:

Utilizzando un modello migliorato, sviluppato dalla Intusoft, che tiene anche conto delle capacità e induttanze parassite, si ottiene una curva di risposta molto realistica e una frequenza di taglio di :

Però stiamo esaminando un transistor per RF, e i risultati ottenuti sono assolutamente sensati. I parametri del modello SPICE sono stati accuratamente ottimizzati. Inoltre i risultati della simulazione sono stati comparati con i parametri del transistor (e non con i quattro parametri in croce che forniscono - quando li forniscono -i normali datasheet!) e sono risultati in ottimo accordo con essi.
Per contro, nel modello del BC547, a un più attento esame salta all'occhio, ad esempio, il parametro TR, che mentre per il 2N5109 vale 20 ns (modello della Texas Instruments) oppure 8 ns (modello Intusoft), per il BC547 esso vale ... ! Il che fa sospettare che tale modello non sia stato fatto propriamente a regola d'arte, perlomeno non per simulazioni del BC547 alle alte frequenze.

E' comunque notevole che tale BJT non sia comunque assolutamente disprezzabile. Io stesso in più occasioni l'ho utilizzato con successo come amplificatore wideband fino a 50MHz e oltre. Per di più, scorrendo il web alla ricerca di approfondimenti, ho scoperto degli appassionati talebani come me, che si sono posti il problema di verificare fino a che limite era possibile spingere il povero BC547.
Ebbene, in diversi hanno realizzato oscillatori tipo Hartley o Pierce, ottenendo fino a 500 MHz, con discreta purezza spettrale. Ovviamente hanno lavorato di fino, usando basette ramate per UHF e montaggi in aria, compensatori e resistenze per UHF, ma il risultato mostra comunque che anche un BC547 può effettivamente lavorare a quelle frequenze.

Per la cronaca, i transistor migliori si sono rivelati quelli prodotti dalla Motorola, mentre i peggiori sono risultati i Philips e altre marche secondarie.

E' comunque ovvio che non vale la pena utilizzare per certi lavori un BC547. Si fa prima, meglio e con meno fatica usando un BJT della serie BFR9x o tanti altri, ma sicuramente non un BC547.
D''altronde oggigiorno il costo di un BJT è minimo in confronto a 30 anni fa: un BFR92 lo si acquista per 20 centesimi. 30 anni fa transistor simili costavano molto di più.

Un'altra conclusione che si può trarre è che i transistor oggigiorno hanno raggiunto tali prestazioni e tali volumi di fabbricazione con costi bassissimi, con la conseguenza che anche un volgare BC547 da tutti disprezzato riesce ad ottenere risultati degnissimi anche alle alte frequenze. A patto di saperlo sfruttare ovviamente.

Pensateci la prossima volta che prenderete in mano un BC547 °per accendere° il solito LED...

Altre simulazioni, utilizzando vari tipi di transistor, mi hanno mostrato risultati a volte coerenti, a volte no. La conclusione che se ne può trarre è che occorre essere sicuri della bontà del modello SPICE che si sta utilizzando, onde evitare di prendere cantonate colossali. Un conto è usare SPICE per giocherellarci, un conto è usarlo per simulazioni di un certo peso. Come già detto da altri membri del forum più e più volte, e io lo ribadisco, chi usa SPICE deve saperne più di lui, e non prendere tutti i risultati per oro colato.

Per concludere, proverò nei prossimi giorni a modellizzare un BC547 in maniera più consona, seguendo anche le interessanti indicazioni che si possono trovare qui: Direct Extraction of SPICE Gummel-Poon Parameters for High Frequency Modeling. J .W. Breti, J.D. Kendall and L. Nathawad

[EcoTan]

E' uno stadio emitter follower? Che funzione ha?

[banjoman]

E' uno stadio emitter follower? Che funzione ha?

Sì è un collettore comune. Ha la funzione di buffer in un progetto di un probe attivo che sto sviluppando. Non necessariamente con un BC547

[EcoTan]

Da un punto di vista intuitivo non mi stupisce che un segnale ad alta frequenza passi senza grossa attenuazione tramite la capacità base-emettitore.