Сравнение частотных свойств популярных транзисторов для усилителей мощности звуковых частот

Сравнение частотных свойств мощных транзисторов 2SC5200, 2SC2922, 2SC3284 и TIP35C из чипа и с озона.
Пробуем, анализируем. Потом снова проверяем.
И… неожиданные результаты. ))

Как пара приборов (высокочастотный генератор Г4-102 и двухканальный осциллограф) способны сильно облегчить задачу.

1. Intro
Засилье поддельных товаров (в том числе электронных комплектующих) заставляет пользователей потеть всё больше и больше.
Статей на эту тему — пруд пруди:
Транзисторы 2SC5200 и 2SA1943 (20 шт)
Проверка операционных усилителей на оригинальность
Если пройти далее по связанным ссылкам, то и жизни не хватит на все проверки.
А что делать? ©

Братья из Поднебесной не спешат порадовать нас дешёвыми волшебными приборчиками, в который можно было бы воткнуть транзистор и увидеть результат (например, свечение красного или зелёного светодиода).
Думаю, кое-кто из нас уже вспомнил визатор из к\ф «Кин Дза Дза»:
Ну ладно, мечтать не вредно. ))

И так, в наличии имеются транзисторы:
и ещё вот такой зверёк:
Транзисторы 2sc5200 и 2sc2922 (на фото выше) с датой покупки около 2004 года, поэтому я считаю их оригинальными.
Все остальные транзисторы — 50 на 50 (полагаю, все помнят анекдот про динозавра).

Открываем даташит на 2sc5200:
Нас будет интересовать параметр Ft и режимы по постоянному напряжению.

Вообще, Ft — это весьма загадочный параметр: все про него знают, но мало кто держал в руках замерял самостоятельно, да ещё с выкладыванием честных результатов в открытый доступ. ;)

Вот что рассказывает нам ИИ канарейка:
Ну, поехали. ))

2. Первые замеры
Для обеспечения режима по постоянке (1А и Uкэ=5В) берётся простейшая схема:
PS 2n3055 далее потребуется для симуляции.

Как сказал мне когда-то шеф на работе: берёшь ВЧ генератор и пилишь вверх по частоте.
Что непонятно?
Беру генератор Г4-102 (1982 года выпуска):
Примечание: с выходом «uV» с первого раза не сложилось, пришлось перейти на нерегулируемый выход «1V». Пока разбирался, поизучал инструкцию на генератор.
Вследствие разборок добавился делитель 51 Ом и 2,2 Ом на входе каскада.

Пояснения к схеме.
1) Входное сопротивление самого транзистора при Iк=1А около 2 Ом (симулятор это подтверждает)
Т.о. получается делитель 51 Ом и (2,2 Ом ǁ 2 Ом), т.е. примерно 1:50.
2) Подключать генератор без входного делителя не получится (см. пункт выше).
3) Входная ёмкость мощного транзистора порядка 1000 пФ (проверено измерителем ёмкости), поэтому при выходном сопротивлении делителя 2 Ом получаем ФНЧ с частотой среза 80 МГц (-3дБ). Вряд ли мы доберёмся до таких частот.
4) Выходное сопротивление каскада 5 Ом. С учётом ёмкости кабеля ~200 пФ получаем ФНЧ с частотой среза 160 МГц.
5) Тепловыделение на коллекторе транзистора 5 Вт, поэтому не забываем про радиатор.

Первым делом проверяю пару оригинальных 2sc5200:
И второй:
На данном этапе выполняется подбор частоты до значения, чтобы совпали значения входного напряжения (перед делителем) и на коллекторе транзистора.

Результат 1в1 показал TIP35C от Sptech (статический к-т передачи по току 100):
TIP35C от ST (статический к-т передачи по току 50):

Чуть похуже оригинальный SanKen 2sc2922:

SanKen 2sc3284:

И тут я заметил что-то не то: какая-то ерунда с фазами сигналов.
Нагрузил генератор на резистор 51 Ом, к которому подключил накоротко оба входных щупа осциллографа DSO-2150. И увидел вот такую дичь:
Временной сдвиг лучей составил 7 нс !
Естественно, ни о какой достоверности дальнейших измерений можно не говорить. ((
Поэтому DSO-2150 отправился в сад. А я взял паузу, чтобы подумать.

3. Моделирование
«Спаял» схему в симуляторе с применением классики 2n3055 и подобрал частоту, чтобы входное и выходное напряжения сравнялись:
Всего 70 кГц. Ну да ладно, списал на то, что 2n3055 достаточно древний.
Показание осциллографа при этом:
Обратите внимание: выходной сигнал (желтый луч) уже имеет отставание по фазе! И это на каких-то 70 кГц.

Теперь плавно подбираемся к коэффициенту передачи по току.
Если ранее мы смотрели напряжения, то теперь будем смотреть токи (переменную составляющую тока базы и тока коллектора).

Помехи в симуляторе не мешают, поэтому крутим частоту вверх до значения, когда оба тока сравняются:
Частота получилась 1,87 МГц.

4. Иду по полю с граблями
Достал осциллограф посерьёзней: АКИП-4115/3А (70МГц, чувствительность 2мВ/дел).
Проверил временную разницу между каналами: порядка 1 нс.

Ставлю на стенд 2sc5200 и подбираю частоту, чтобы выходное напряжение было примерно в 20 раз ниже, чем входное перед делителем (это условие, что токи уравняются, т.е. это частота Ft):
Здесь жёлтый луч — вход, голубой — выход.

Получил 38,8 МГц.
Казалось бы всё, цель достигнута. А дудки!
Вылез нежданчик: АЧХ в области ВЧ имеет всплески и провалы, а не монотонный спад.
Поэтому:
1) большая вероятность ошибки
2) из-за нестабильности показаний на диапазоне «2мВ/дел» точность совсем низкая

Поставил 2sc3284 и решил поискать частоту, на которой сдвиг фазы 180 градусов.
Получил картинку:
Но когда переключил чувствительность по второму лучу с 2мВ/дел на 5мВ/дел, картинка развалилась: ослик показал не 180 градусов, а другое значение.

Пришёл к неутешительным выводам:
— диапазон 2мВ/дел лучше не использовать
— измерять осциллографом мАлые напряжения на таких частотах вообще дурная затея
— замер Ft для сравнения транзисторов интересен, но практическая польза от значения Ft нулевая, бо транзистор на этой частоте превращается в тыкву

Наибольший практический интерес представляет не коэффициент передачи по току, а частота, на которой транзистор сдвигает фазу на 90 градусов, потому что это самым непосредственным образом влияет на устойчивость схемы с ООС.

5. Метод определения частоты для фазового сдвига 90 градусов
Осциллограф менять не стал: всё же с ним покомфортней работать.
А вот картинки придётся делать камерой смартфона.
Для тестов оставил всего четыре транзистора, у которых коэффициент передачи по току 90..110.

И так всё с начала, 2sc5200:
90 градусов на 6,3 МГц.

2sc2922:
90 градусов на 5,7 МГц.

2sc3284:
90 градусов на 10 МГц.

TIP35C (Sptech):
90 градусов на 12,5 МГц.

Бонусом воткнул TIP41C:
Неплохо для такого дешёвого транзистора (12,5 МГц).

Результат в порядке улучшения частотных свойств:
2sc2922 -> 2sc5200 -> 2sc3284 -> TIP35C

Ну что сказать? Метод рабочий, но требуется генератор до 20..30 МГц и соответствующий осциллограф.
Но практической пользы (кроме сравнения) от полученных значений частот также немного: достаточно представить два каскада, каждый из которых задерживает фазу на 90 градусов. В сумме получается 180 градусов, и отрицательная ОС превращается в положительную ОС. Здравствуй, генерация! ))

6. Метод определения частоты по снижению усиления на 6 дБ
Тут ещё проще:
— на генераторе устанавливается частота 200 кГц и потециометром устанавливается такое входное напряжение, чтобы выходное напряжение составило 4 деления
— запоминаем значение входного напряжения
— увеличиваем частоту до значения, чтобы выходное напряжение стало 2 деления (т.е. -6 дБ)
— достигнутое значение частоты и есть интересующее значение
Всё ))

2sc5200
Uвх. = 258 мВ (RMS)
f (-6 dB) = 3,8 MHz

2sc2922
Uвх. = 258 мВ (RMS)
f (-6 dB) = 3,2 MHz

2sc3284
Uвх. = 301 мВ (RMS)
f (-6 dB) = 4,26 MHz

TIP35C (Sptech)
Uвх. = 300 мВ (RMS)
f (-6 dB) = 4,5 MHz

Результат аналогичный: 2sc2922 -> 2sc5200 -> 2sc3284 -> TIP35C
Что не может не радовать. ))

Резюме.
Метод тоже рабочий, но приборы можно попроще:
генератор до 10 МГц и осциллограф с полосой до 10..15 МГц.

7. Вместо заключения
Задача выполнена: получилось проверить транзисторы TIP35C в сравнении с оригинальными полупроводниками.
SanKen 2sc3284 также похожи на настоящие (по крайней мере по частотным свойствам).

Последний способ мне показался более лёгким, т.к. меньше вероятность ошибки.

Всем удачных экспериментов!