Частотные свойства

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. У этого явления две главные причины. Во-первых, на более высоких частотах сказывается вредное влияние емкости коллекторного перехода С_к. Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалент­ной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 6.5. На низких частотах сопротивление емкости С_к очень большое, r_к также очень велико (обычно r_k>> R_H) и можно счи­тать, что весь ток αI_тэ идет в нагрузочный резистор, т. е. k_i ≈ α. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым

Рис. 6.5. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через R_H соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются k_i k_u, k_p, выходное напряжение и выходная мощность.

Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопротив­ление емкости 1/(wС_к) стремится к нулю, т. е. С_к создает короткое замыкание для генератора и весь его ток αI_mэ пойдет, через С_к, а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть экви­валентную схему с генератором ЭДС.

Сопротивление емкости эмиттерного перехода С_э также уменьшается с по­вышением частоты, но эта емкость всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода C_э, и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, при которых значение 1/(wС_э) получается одного порядка с r_э.

Сущность влияния емкости С_э состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление r_э.Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьшается усиление. Если частота стремится к бесконечности, то сопро­тивление 1/(wС_э) стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость С_к, которая шунтирована очень боль­шим сопротивлением коллекторного перехода r_к, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, при которых могла бы влиять емкость Сэ, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости Сэ в большинстве случаев можно не рассматривать.

Итак, вследствие влияния емкости Ск на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления а и р.

Вторая причина снижения усиления на более высоких частотах — отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса пере­мещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-р-n, совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время про­бега носителей через базу в обычных транзисторах 10-7 с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизме­римо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает пере­менный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току β.

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 6.6. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как тпр составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах Р имеет наибольшее значение β₀. При более

высокой частоте, например 1 МГц, за­паздывание тока i_к на время т_пр относительно тока 1_Э вызывает заметный фазовый сдвиг ф между этими токами. Теперь ток базы 1_б равен не алгебраической, а геометрической разности токов I_Э и I_К, и вследствие этого он значи­тельно увеличился. Поэтому, даже если ток I_к еще не уменьшился за счет влияния емкости С_к, то коэффициент Р все же станет заметно меньше р₀. На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток i_б еще больше увеличится, а коэффициент β уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент β уменьшается значительно сильнее, нежели а. Коэффициент а снижается от влияния емкости С_к, а на значение β влияет еще и фазовый сдвиг между I_K и I_э за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений а и β на 30% по сравнению с их значениями а₀ и β₀ на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых а = 0,7а₀ и β = 0,7 β _о, называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно f_а и f_р. Поскольку β уменьшается гораздо сильнее, нежели а, то f_β значительно ниже f_а. Можно считать, что

На рис. 6.7 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов а и с повышением частоты, отложенной в логарифмическом масштабе. Для удобства по вертикальной оси отложены не а и β, а относительные величины а/а₀ и β / β ₀.

Помимо предельных частот усиления f_a и f_β транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации fmах, при которой коэффициент усиления по мощности кр снижается до 1. Очевидно, что при f < f_max, когда k_p > 1, возможно

Рис. 6.7. Уменьшение коэффициентов а и β при повышении частоты

применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением. Но если к_р < 1, то генерации колебаний уже не будет.

Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиления тока f_гр, которая соответствует k_t = 1, т. е. при этой частоте транзистор в схеме ОЭ перестает усиливать ток.

Следует отметить, что на высоких частотах изменяются не только значе­ния а и р. Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе на высоких частотах изменяются собственные параметры транзистора и они уже не будут чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления f_а и f_β, достигается уменьшением емкости коллекторного перехода С_к и времени пробега носителей через базу т_пр. К сожалению, снижение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода при­водит к уменьшению предельного тока, т. е. к снижению предельной мощности.

Некоторое снижение емкости С_к достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что равноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость уменьшается, а, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напря­жение пробоя и это дает возможность

повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения т_пр стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение С/_К._б, чтобы при увели­чении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей под­вижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа п — р — п при прочих равных условиях являются более высоко­частотными, нежели транзисторы типа р — п — р. Более высокие предельные частоты могут быть получены при ис­пользовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также и в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движе­ние носителей.

Дата добавления: 2014-01-14