Меню

Максимальная частота усиления по току

Частотные свойства биполярных транзисторов

3.8.1. Особенности работы транзисторов на высоких частотах

С увеличением частоты усилительные свойства транзисторов ухудшаются. Причины, которые приводят к этому, следующие:

1. Влияние конечного времени пролета носителей через область базы от эмиттерного перехода к коллекторному.

2. Влияние емкостей эммитерного и коллекторного переходов.

3. Влияние объемного сопротивления базы, связанное с ее геометрическими размерами.

На высоких частотах среднее время перемещения неосновных носителей в базе становится сравнительным с периодом усиливаемого сигнала. Инжектированные в область базы носители не успевают дойти до коллекторного перехода, как полярность входного напряжения изменяется на противоположную. Часть носителей тормозится и рекомбинирует в базе, другая часть – уменьшает свою скорость и доходит до коллекторного перехода с некоторым запаздыванием относительно входного сигнала, в результате чего коэффициент усиления по току падает. Это явление получило название дисперсии скоростей носителей. Таким образом, уменьшается не только коэффициент усиления транзистора, но изменяется форма выходного сигнала. Коэффициент передачи по току становится комплексной величиной и определяется выражениями:

где − fα и fβ − предельные частоты усиления, по току в схеме с общей базой и общим эмиттером соответственно.

Предельной частотой усиления транзистора называется частота, на которой модуль коэффициента передачи по току уменьшается в раз или на

3 дБ по сравнению с его величиной на низкой частоте.

Фазовые сдвиги между токами в транзисторе можно пояснить с помощью временной диаграммы (рис. 3.10).

Токи в транзисторе определяются векторной суммой

Так как , предельная частота для схемы включения транзистора с общей базой намного выше, чем в схеме с общим эмиттером.

Связь между предельными частотами для схем с ОБ и ОЭ определяется следующим выражением:

где m = (1,1…2) .

На рис. 3.11 показана зависимость частотных параметров для транзистора с fα = 1 МГц.

В некоторых случаях при проведении расчетов пользуются граничной частотой fгр, на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эммитером становится равным единице .

Наиболее важным обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования, или максимальная частота усиления по мощности, т.е. частота на которой коэффициент усиления по мощности становится равным единице (Кр = 1)

где – объемное сопротивление базы;

– Емкость коллекторного перехода.

Влияние емкости эмиттерного перехода можно пояснить с помощью схемы входной цепи рис. 3.12.

– диффузионное сопротивление базы, связанное с воздействием коллекторного напряжения.

С ростом частоты шунтирующее действие емкости эммитерного перехода возрастает, что приводит к уменьшению управляющего напряжения и снижению инжекции носителей из эмиттера, т.е. к падению коэффициента передачи по току.

Для расчетов на высоких частотах можно пользоваться эквивалентной схемой Джиаколетто с генератором тока (рис. 3.13):

Эта схема дает удовлетворительные результаты до частот около 0,5fα.

Для схемы включения с общей базой можно пренебречь рядом паразитных параметров, и эквивалентная схема будет иметь вид рис. 3.14.

Она называется T— образная эквивалентная схема замещения транзистора.

В этой схеме отсутствует емкость эмиттерного перехода, так как в большинстве случаев на частотных свойствах раньше сказывается влияние емкости коллекторного перехода.

Таким образом, для улучшения частотных свойств транзисторов необходимо уменьшать толщину базы и ее сопротивление, снижать емкость эмиттерного и коллекторного переходов, а также применять специальные технологические методы при их изготовлении.

3.8.2. Разновидности биполярных транзисторов

Наиболее простым способом изготовления транзисторов является метод вплавления примесей. Для их получения берется исходный полупроводниковый материал p- или n- типа и с обеих сторон вплавляются донорные или акцепторные навески. Например, для изготовления p-n-p транзистора можно взять исходную полупроводниковую пластину германия n-типа и вплавить индиевые навески, после чего получаются две р-области: эмиттерная и коллекторная и соответствующие им электронно- дырочные переходы

Однако при током способе переходы получаются нерезкими и неровными, а толщина базы на многих участках значительно отличается от средней. Такие транзисторы предназначены для работы на низких и не очень высоких частотах.

Для работы на высоких частотах используются другие технологические принципы, позволяющие получить неравномерный профиль легирования базовой области: концентрация примесей уменьшается в направлении от эмиттерного перехода к коллекторному. Примерное распределение примесей в структуре такого транзистора приведено на рис. 3.16.

Неравномерность распределения концентрации носителей в базе приводит к появлению внутреннего поля. Поэтому наряду с диффузионным движением носителей, инжектируемых в базу, наблюдается и дрейфовое под воздействием этого поля, что значительно увеличивает их скорость. Таким образом, частотные свойства этих транзисторов значительно улучшаются. Такие транзисторы получили название дрейфовых, имеется множество технологических способов их изготовления.

Диффузионно-сплавные транзисторы сочетают сплавление основного материала полупроводника с легирующими веществами и их диффузию с жидкой или газообразной фазы.

Для изготовления данных транзисторов основой служит пластина p-германия, которая используется как коллектор. В исходной пластине делается углубление, в которое происходит наплавление сурьмы, диффундирующей вглубь германия и образующей тонкий слой n-германия. После этого этот слой стравливается по всей поверхности, кроме углубления, и осуществляется вплавление двух навесок – базовой и эмиттерной (рис. 3.17).

Базовая навеска представляет собой сплав сурьмы и свинца, эмиттерная – сплав Au-Ga-Sb-In. Поскольку скорость диффузии сурьмы наибольшая, то ее атомы проникают глубже, и толщина базы делается равной нескольким микронам, а концентрация носителей у эмиттерного перехода увеличивается. При вплавлении эмиттерной навески сплав Au-Ga-In образует эмиттерную область p-типа. На нижнюю часть исходной пластины наносят контактный слой из свинца, меди и индия.

Еще одной разновидностью дрейфовых транзисторов являются конверсионные. Они используют метод изготовления, описанный выше, только здесь диффузия происходит из исходной пластины германия, содержащей примеси n — и p -типа (рис. 3.18).

Примесью p-типа является медь, которая характеризуется очень высоким коэффициентом диффузии в германий. При вплавлении медь диффундирует в эмиттерную навеску, образуя область эмиттера p-типа, а сурьма – из эмиттерной навески в область базы. Таким образом, получается база n-типа с неравномерным профилем легирования. Обеднение исходной пластины примесями одного типа и образования слоя другого типа проводимости в результате диффузии называют конверсией.

Особенностью меза-транзисторов является уменьшение площади коллекторного перехода и его емкости, а также уменьшение объема области базы. Основные этапы изготовления таких транзисторов показаны на рис. 3.19, а, б, в.

Например, в пластину p-типа, служащую в дальнейшем областью коллектора, диффузионным путем вносят примесь n- типа, являющеюся базовой областью. Затем через одно и то же отверстие маски, но под разными углами напыляются контактные площадки. После этого материал площадок вплавляется, образуется омический контакт с областью базы и p-слой эмиттера. Активные части области базы покрываются защитным слоем, а пассивные стравливаются, что приводит к уменьшению площади коллекторного перехода. Меза-транзистор обладает хорошим теплоотводом и может быть мощным, а рабочая частота достигает диапазона сверхвысоких частот.

Еще одной разновидностью дрейфовых транзисторов являются планарные, название которых связано с расположением внешних границ p-n-переходов в одной плоскости. Исходная полупроводниковая пластина n-кремния покрывается окисью SiO2. Затем на этот окисел наносится светочувствительный слой – фоторезист, который засвечивается через маску. Затем осуществляется процесс травления: засвеченные участки не протравливаются, и под ними остается слой окисла, а незасвеченные удаляются. Таким образом, на пластине можно получить участок, служащий для внедрения примесей. На свободный участок методом диффузии вносят базовый слой p-типа. После этого описанные выше технологические приемы повторяют и получают эмиттер n-типа. В результате внешние границы p-n-переходов и областей транзистора оказываются защищенными окисью кремния, а база имеет неравномерный профиль легирования. Структура такого транзистора изображена на рис. 3.20.

Читайте также:  Адаптера переменного тока ack dc80

Эпитаксиальная технология позволяет также получить высокочастотный транзистор (рис. 3.21).

Из паровой фазы выращивается тонкий слой монокристалла полупроводника между коллекторной и базовой областью. Это приводит к уменьшению вероятности пробоя транзистора, увеличению его рабочих напряжений и уменьшению емкости коллекторного перехода. У эпитаксиальных транзисторов предельная рабочая частота может достигать тысячи мегагерц.

Дата добавления: 2015-05-13 ; просмотров: 4760 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Особенности биполярных транзисторов

Идеальный транзистор будет показывать нулевые искажения при усилении сигнала. Его коэффициент усиления будет одинаков на всех частотах. Он будет работать с токами в сотни ампер при температурах в сотни градусов Цельсия. На практике, доступные устройства демонстрируют искажения. Усиление ограничивается на высоких частотах спектра. При параллельной работе транзисторов для получения больших токов следует соблюдать осторожность. Эксплуатация при повышенных температурах может привести транзисторов к выходу из строя, если не будут приняты меры предосторожности.

Нелинейность

Усилитель класса A с общим эмиттером управляется почти до отсечки, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что верхушка положительной полуволны более плоская, чем у отрицательной. Для многих приложений, таких как усиление аудиосигнала высокого качества, такое искажение неприемлемо.

Искажение большого сигнала в усилителе с общим эмиттером Искажение большого сигнала в усилителе с общим эмиттером

Усилители малых сигналов относительно линейны, потому что они используют небольшой линейный участок характеристик транзистора. Усилители больших сигналов не являются стопроцентно линейными, поскольку характеристики транзистора, такие как коэффициент β, не постоянны, а меняются в зависимости от тока коллектора. Коэффициент β высок при низком токе коллектора и низок при очень низком или высоком токе коллектора. Хотя в первую очередь, мы сталкиваемся с уменьшением β при увеличении тока коллектора.

Список соединений SPICE для анализа переходных процессов и анализа Фурье:

Анализ Фурье показывает коэффициент нелинейных искажений (THD) 10%:

В листинге SPICE, приведенном выше, показано, как определить величину искажений. Команда “ .fourier 2000 v(2) ” сообщает SPICE о необходимости выполнения анализа Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v(2). Командная строка “ spice -b circuitname.cir ” выдает вывод анализа Фурье, который приведен выше. Он показывает, что коэффициент нелинейных искажений (THD, total harmonic distortion) составляет более 10%, и величину отдельных гармоник сигнала.

Частичным решением проблемы с этими искажениями является уменьшение тока коллектора или работа усилителя при большей нагрузке. Окончательным решением является применение отрицательной обратной связи. Смотрите раздел «Обратная связь».

Температурный дрейф

Температура влияет на характеристики транзисторов по постоянному и переменному току. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагревание. Некоторые приложения, например, военные и автомобильные, требуют работы в расширенном температурном диапазоне. В благоприятной же среде схемы подвергаются самонагреванию, в частности высоковольтные схемы.

Ток утечки IК0 и коэффициент β увеличиваются с ростом температуры. Коэффициент β по постоянному току hFE возрастает экспоненциально. Коэффициент β по переменному току hfe увеличивается, но не так быстро. При повышении температуры от -55°C до 85°C он удваивается. По мере увеличения температуры увеличение hfe даст больший выходной сигнал в схеме с общим эмиттером, который в крайних случаях будет ограничен (отсечен). Увеличение hFE сдвигает точку смещения, приводя к возможному отсечению пиков на одной из полуволн. В многокаскадных усилителях с прямой связью сдвиг точки смещения усиливается. Решением этой проблемы является использование отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует и коэффициент усиления по переменному току.

Повышение температуры на рисунке ниже (a) приведет к уменьшению VБЭ от номинальных 0,7 В для кремниевых транзисторов. Уменьшение VБЭ увеличивает ток коллектора в усилителе с общим эмиттером, что дополнительно приводит к сдвигу точки смещения. Лекарством от смещения VБЭ является использование пары транзисторов, собранных в схему дифференциального усилителя. Если оба транзистора на рисунке ниже (b) имеют одинаковую температуру, VБЭ будет отслеживать изменение температуры и компенсировать его.

(a) односторонний усилитель с общим эмиттером и (b) дифференциальный усилитель с компенсацией изменений VБЭ (a) односторонний усилитель с общим эмиттером и (b) дифференциальный усилитель с компенсацией изменений VБЭ

Рекомендуемая максимальная температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125°C. Хотя для повышения надежности, работать необходимо при более низких температурах. Транзистор прекращает работать при температуре выше 150°C. Транзисторы из карбида кремния и алмазные транзисторы будут работать при значительно более высоких температурах.

Тепловой разгон

Проблема увеличения температуры, вызывающая увеличение тока коллектора, заключается в том, что больший ток увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как тепловой разгон, который может вывести транзистор из строя. Опять же, решение представляет собой схему смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.

Емкость перехода

Между выводами транзистора есть емкость. Емкость коллектор-база CКБ и емкость эмиттер-база CЭБ на более высоких частотах уменьшают коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

В усилителе с общим эмиттером емкостная обратная связь от коллектора к базе фактически умножает CКБ на β. Величина отрицательной обратной связи, уменьшающей усиление, связана и с коэффициентом усиления по току, и с величиной емкости коллектор-база. Это явление известно как эффект Миллера.

Максимальная чувствительность усилителей малых сигналов ограничена шумом случайных колебаний тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум из-за потока носителей заряда в базе и тепловой шум. Источником теплового шума является сопротивление устройства, и с ростом температуры уровень теплового шума увеличивается:

  • k – постоянная Больцмана (1,38 · 10 -23 Вт · с/К);
  • T – температура резистора в кельвинах;
  • R – сопротивление в омах;
  • Bш – полоса шума в герцах.

Шум в транзисторном усилителе определяется с точки зрения дополнительного шума, создаваемого усилителем, то есть не того шума, который усиливается от входа к выходу, а того, который генерируется в усилителе. Он определяется путем измерения отношения сигнал/шум (С/Ш, S/N) на входе и выходе усилителя. Выходное переменное напряжение усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сумме сигнала и шума. Переменное напряжение без входного сигнала соответствует только шуму N. Величина шума F определяется через отношения S/N на входе и выходе усилителя.

Величина шума F для радиочастотных (РЧ, RF) транзисторов обычно приводится в технических описаниях в децибелах, FдБ. На ОВЧ (очень высоких частотах, VHF, от 30 МГц до 300 МГц) хорошим показателем шума является величина Уровень шума малосигнального транзистора в зависимости от частоты Уровень шума малосигнального транзистора в зависимости от частоты

На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах с уменьшением частоты увеличивается на 10 дБ за декаду. Этот шум известен как шум 1/f.

Уровень шума зависит от типа транзистора (модели). Радиочастотные транзисторы малых сигналов, используемые на антенном входе радиоприемников, специально разработаны для внесения малого уровня шума. Уровень шума зависит от тока смещения и согласования импедансов. Наилучший показатель шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при рассогласовании импедансов.

Температурное рассогласование (проблема с параллельными транзисторами)

Если два идентичных мощных транзистора включены параллельно для получения большей величины тока, можно было бы ожидать, что ток между ними будет распределяться одинаково. Но из-за различий в характеристиках транзисторов ток будет распределяться неодинаково.

Читайте также:  При каком условии в замкнутом проводнике возникает индукционный ток

Для транзисторов, включенных параллельно для получения большего тока, требуются балластные эмиттерные резисторы Для транзисторов, включенных параллельно для получения большего тока, требуются балластные эмиттерные резисторы

На практике нецелесообразно выбирать идентичные транзисторы. Коэффициент β для транзисторов малых сигналов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов: 20–50. Если бы они совпадали, то любой из них мог бы нагреваться сильнее других из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгону. Решение при параллельном использовании биполярных транзисторов состоит в добавлении эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы с сопротивлением менее ома. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивает отрицательную обратную связь. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также помогает выравнивать ток.

Высокочастотные эффекты

Производительность транзисторного усилителя относительно постоянна вплоть до некоторой точки, как показано на графике зависимости коэффициента усиления по току от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером (рисунок ниже). За этой точкой по мере увеличения частоты производительность транзистора ухудшается.

Граничная частота (частота отсечки коэффициента бета), fгр, fT – это частота, при которой коэффициент усиления по току (hfe) усилителя малых сигналов с общим эмиттером падает ниже единицы (рисунок ниже). Реальный усилитель должен иметь коэффициент усиления > 1. Таким образом, на частоте fгр транзистор использоваться не может. Максимальная частота, приемлемая для использования транзистора, равна 0,1fгр.

Зависимость коэффициента усиления по току (hfe) от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером Зависимость коэффициента усиления по току (hfe) от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером

Некоторые радиочастотные биполярные транзисторы могут использоваться в качестве усилителей на частотах до нескольких ГГц. Кремниево-германиевые устройства расширяют диапазон до 10 ГГц.

Предельная частота (частота отсечки коэффициента альфа), fпр, falpha – это частота, при которой коэффициент α снижается до 0,707 от коэффициента α на низких частотах, α=0,707α. Предельная частота и граничная частота примерно равны: fпр≅fгр. В качестве высокочастотного показателя предпочтительнее использовать граничную частоту fгр.

fmax – самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Весь выходной сигнал подается назад на вход для поддержания колебаний. fmax является верхним пределом частоты работы транзистора в качестве активного устройства. Хотя реальный усилитель не используется на fmax.

Эффект Миллера: верхний предел частоты для транзистора, связанный с емкостями переходов. Например, PN2222A имеет входную емкость Cibo=25пФ и выходную емкость Cobo=9пФ между К-Б и К-Э соответственно. Хотя емкость К-Э 25 пФ кажется большой, она меньше, чем емкость К-Б (9 пФ). Из-за эффекта Миллера в усилителе с общим эмиттером емкость К-Б оказывает влияние на базу в β раз. Почему это так? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал, проходящий от базы к эмиттеру. Инвертированный сигнал коллектора, подаваемый назад на базу, противодействует входному сигналу. Сигнал на коллекторе в β раз больше входного сигнала. Для PN2222A β=50–300. Таким образом, емкость К-Б 9 пФ выглядит так: от 9 · 50 = 450 пФ до 9 · 300 = 2700 пФ.

Решение проблемы с емкостью перехода для широкополосных приложений заключается в выборе высокочастотного транзистора – RF (радиочастотного) или СВЧ транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования схемы с общей базой, вместо схемы с общим эмиттером. Заземленная база защищает входной эмиттер от емкостной обратной связи с коллектора. Каскодная схема из двух транзисторов будет обеспечивать такую же полосу пропускания, как и схема с общей базой, но уже с более высоким входным импедансом схемы с общим эмиттером.

Источник



Максимальная частота усиления по току

где fа – предельная частота усиления по току в МГц;

rб – сопротивление базы на высоких частотах в Ом;

Ск – ёмкость коллекторного перехода в пикофарадах.

Приближенное значение fмакс можно определить и по другой формуле

где к – коэффициент пропорциональности.

Для транзисторов с невысокой частотой fа (до 2 – 3 МГц) k = 2 – 3, для транзисторов, у которых fа = 20 – 30 МГц, k 1, а для более высоких значений fа k = 0,7 – 0,9.

В большинстве случаев для высокочастотных транзисторов можно допускать k = 0,7.

Таким образом, если известна величина fа, то можно найти составляющее

значение f макс.

Необходимо указать, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой на высоких частотах измеряется модулем коэффициента , то есть его абсолютным значением .

Значение модуля коэффициента усиления по току на некоторой частоте f можно определить по формуле

где — значение коэффициента на самых низких частотах (несколько сотен Гц).

Из формулы видно, что на частотах величина , а на частотах начинает резко снижаться. По этой причине для усилителей электрических сигналов подбираются транзисторы, у которых fа в несколько раз превышает максимальную частоту сигнала.

В схеме с общем эмиттером зависимость от частоты максимального усиления по мощности точно такая же, как и для схемы с общей базой. Но снижение усиления по току происходит значительно быстрее, чем это наблюдается в схеме с общей базой.

Усиление по току на высоких частотах в схеме с общим эмиттером характеризуется модулем, т. е. абсолютной величиной коэффициента ,определяемым по формуле

где — усиление по току на самых низких частотах;

fm- граничная частота усиления по току для схемы с общим эмиттером, на которой .

Частота, на которой называется предельной частотой усиления по току в схеме с общим эмиттером и обозначается как :

Эта частота непосредственно не определяет каких – либо частотных пределов применения транзисторов. Однако она указывает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

Шумовые характеристики транзисторов

Транзистор так же, как и любой другой усилительный прибор, обладает некоторыми собственными шумами, наличие которых затрудняет усиление слабых сигналов. Если бы транзистор был идеальным усилительным устройством, то выходные шумы определялись бы только величиной тепловых шумов, действующих на входе усилителя. Шумовые характеристики выражаются коэффициентом шума Fш.

Коэффициентом шума усилителя называется отношение полной мощности шумов на выходе усиления к той части шумов на выходе, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала. Другими словами, коэффициент шума Fш указывает во сколько раз собственные шумы усилителя больше тепловых шумов выходного сопротивления источника сигнала.

Обычно величина Fш оценивается в децибелах. Особенностью транзисторов является то, что для них величина Fш во многом зависит от режима по постоянному току, обратного тока коллектора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты. Минимальный уровень шумов большинства типов плоскостных транзисторов наблюдается при Uк = 1,5 – 2 в, Iк = 0,2 – 0,5 ма, минимальном токе Iко и внутреннем сопротивлении источника сигнала = 300 – 1000 ам.

От самых низких частот до частоты 1000 Гц величина Fш уменьшается обратно пропорционально частоте. На частотах выше вплоть до некоторой частоты уровень Fш остаётся минимальным и независимым от частоты. На частоте выше величина Fш растёт примерно пропорционально квадрату частоты.

Расчёты и эксперименты показывают, что на частоте модуль крутизны входной характеристики составляет 70 % от своего значения на низких частотах, поэтому в технической литературе можно встретить и другое обозначение предельной частоты , называемой также предельной частотой крутизны

Читайте также:  Багоцкий скундин химические источники тока

Таким образом, область частот, где наблюдается заметный рост коэффициента шума, характеризуется значительным ухудшением усилительных свойств транзистора, вследствие чего использование транзисторов на частотах выше нецелесообразно.

Источник

Частотные свойства биполярных транзисторов

date image2015-06-04
views image10836

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.

Для биполярных транзисторов в основном представляет интерес зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока, а также зависимость входного и выходного сопротивлений. Обычно рассматривается активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме между входными и выходными сигналами появляются фазовые сдвиги и вместо приращений токов и напряжений необходимо брать комплексные величины, поэтому и параметры заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами.

Проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют время пролета носителей через базу tБ, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов СЭ, СК и объёмное сопротивление базы .

При рассмотрении работы транзистора р-п-р в схеме ОБ оказывается, что диффузионный характер распространения неравновесных дырок в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а, следовательно, и коэффициент передачи тока. Допустим, что в момент поступления на вход транзистора положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число дырок. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения дырок в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение действия отрицательного полупериода число инжектированных дырок уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент h21Б уменьшатся.

Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы дырками, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Для транзисторов типа р-п-р время диффузионного перемещения . Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты , которое транзистор еще усиливает.

На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Активное сопротивление является прямым дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rЭ. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из зарядной СЭ0 и диффузионной

СЭ ДИФ емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения .

Из-за малой толщины базы ∆wБ транзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтому СЭ ДИФ в транзисторе также меньше, чем в диоде.

Рис. 3.16. К пояснению изменения заряда в базе транзистора при изменения на его эмиттере

Рисунок 3.16 иллюстрирует образование емкости СЭ ДИФ заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе dQ, при изменении dUЭБ. Хотя эмиттерные емкости СЭ0 и СЭ ДИФ значительны (СЭ0 достигает 100-150 пФ,

СЭ ДИФ — 1000 пФ), но, так как они шунтированы малым сопротивлением rЭ, их следует учитывать только на очень высоких частотах (порядка десятков мегагерц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через емкость, становится значительной, в результате чего уменьшается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фаз φ.

Полное сопротивление коллекторного перехода также представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих: активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода rК порядка 1 МОм и суммы емкостей — собственной СК0 (в среднем около 10 пФ) и диффузионной СК ДИФ 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

где fh21Б – предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах; CК – емкость коллекторного перехода в пикофарадах; fMAX– в мегагерцах.

Следовательно, что для увеличения fMAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту fh21Б и уменьшать и СК. Теоретически для транзистора типа р-п-р . Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области wБ и применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота fh21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа

п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты fMAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах fh21Б выше (для германия примерно в два раза), одновременно в том же отношении возрастает и сопротивление базы , зависящее от подвижности в ней основных носителей, т. е. дырок в транзисторе типа п-р-п. Поэтому частота fMAX остается неизменной. Для уменьшения емкости СК нужно уменьшить площадь коллекторного перехода SК, а также увеличить коллекторное напряжение UКБ и удельное сопротивление базы и коллектора.

Однако, если уменьшить толщину базы wБ, то h21Б0 и f h21Б увеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения rБ уменьшить удельное сопротивление базы ρБ, то это приведет к уменьшению h21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту СК. С уменьшением площади перехода SК уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения UКБ ограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.

Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие fMAX. Это означает, что в транзисторах обычной конструкции максимальная частота усиления по мощности не может быть высокой.

Частотную зависимость входного сопротивления можно объяснить с помощью векторной диаграммы токов и напряжений (рисунок 3.20), построенной для f = f h21Б . Если пренебречь па этой частоте емкостью СЭ,. то ток IЭ создает на сопротивлении rЭ падение IЭ∙rЭ, которое будет совпадать по фазе с током IЭ. Аналогично на сопротивлении rБ возникнет падение напряжения IБ в фазе с током IБ. Напряжение UBХ = IЭ ∙rЭ+ IБ .

Из диаграммы видно, что входной ток IЭ отстает от напряжения UBХ на угол φ´, следовательно, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы IБ, который опережает по фазе UBX.Таким образом, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОЭ имеет емкостный характер и с ростом частоты уменьшается (рисунок 3.21, а). Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сопротивления от частоты. Выходное сопротивление ZВЫХ уменьшается с ростом частоты при включении как в схеме ОБ таки в схеме ОЭ (рис. 3.21, б).

Рис. 3.21. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:

Источник