Частотные свойства транзисторов

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Одной из причин снижения является вредное влияние паразитных емкостей транзисторов, изображенных на рис.1. Каждую из изображенных паразитных емкостей можно рассматривать как сумму емкости внутри кристалла полупроводника и емкости вывода транзисторов.

Рис.1 Влияние паразитных емкостей транзисторов.

Сущность влияния емкостей состоит в том, что чем выше частота полезного сигнала , тем меньше сопротивление этой емкости и тем больше она шунтирует полезный сигнал.

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. Носители, например электроны в транзисторе , совершают до достижения электрического поля коллекторного перехода диффузионное движение, и поэтому их скорость не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах и менее. Конечно это время очень небольшое, но на частотах в единицы и десятки мегагерц оно соизмеримо с периодом полезного сигнала 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 в схеме с общим эмиттером .

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм. Для синусоидального сигнала с частотой , период составит . Это время значительно превосходит время пробега носителей через базу . Поэтому переменные составляющие токов эмиттера и коллектора практически совпадают по фазе. Ток эмиттера в данном случае равен чисто алгебраической сумме токов коллектора и базы (рис.2).

Рис.2 Сигналы и их векторные диаграммы при частоте 1кГц.

Для синусоидального сигнала с частотой , период составит . Время пробега носителей через базу составит одну десятую часть периода, что соответствует фазовому сдвигу . Отложим на векторной диаграмме ток коллектора, отстающий от тока эмиттера на . Теперь ток базы равен не алгебраической, а геометрической разности токов эмиттера и коллектора, и вследствие этого он значительно увеличился (рис.3). Поэтому, даже если переменная составляющая тока коллектора не уменьшилась за счет влияния паразитных емкостей, то - коэффициент передачи тока базы станет заметно меньше из-за увеличения переменной составляющей тока базы.

Для синусоидального сигнала с частотой , период составит . Время пробега носителей через базу составит одну пятую часть периода, что соответствует фазовому сдвигу . Отложим на векторной диаграмме ток коллектора, отстающий от тока эмиттера на (рис.4)

Рис.3 Сигналы и их векторные диаграммы при частоте 1МГц.

Рис.4 Сигналы и их векторные диаграммы при частоте 2МГц

Таким образом, при повышении частоты коэффициент передачи тока базы уменьшается значительно сильнее, нежели коэффициент передачи тока эмиттера . Коэффициент снижается только от влияния паразитных емкостей, а назначение еще влияет фазовый сдвиг между током коллектора и током эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельно допустимым уменьшение значений и на 30% по сравнению с их значениями и на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых и , называют граничными или предельными частотами усиления для схем с ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначаются соответственно и . Поскольку уменьшается значительно сильнее, нежели , то значительно ниже . Можно считать, что

;

На рис.5 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов и с повышением частоты, отложенной в логарифмическом масштабе. Для удобства по вертикальной оси отложены не и , а относительные величины и .

Рис.5 Уменьшение коэффициентов и при повышении частоты

Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа при прочих равных условиях являются более высокочастотными по сравнению с транзисторами типа .

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины. Для схемы с общим эмиттером это ток базы , напряжение между базой и эмиттером , ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером . Одним семейством характеристик все зависимости показать нельзя. Необходимо два семейства. Рассматривают семейство входных характеристик и семейство выходных характеристик.

На рис.6а даны входные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ, при .

Рис.6 Входные характеристики транзисторов при включении его по схеме ОЭ

Входная характеристика при идет из начала координат, этот режим изображен на схеме рис.6б, когда коллектор и эмиттер закорочены накоротко, и к обоим переходам приложено прямое напряжение. В транзисторах небольшой мощности ток базы составляет десятки или сотни микроампер. Рассматриваемая характеристика подобна обычной характеристике для прямого тока полупроводникового диода.

При характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых значениях становится отрицательным. Это объясняет рис.6в, на котором показана схема ОЭ при , т. е. при отсутствии источника Е1. В этом случае источник Е2 создает обратный ток коллектора , протекающий через базу в противоположном направлении. Если теперь включить источник Е1 и постепенно увеличивать его напряжение, то он будет действовать в цепи базы навстречу источника Е2. Величина протекающего через базу будет уменьшаться, а когда действие источников Е1 и Е2 в цепи базы уравновесится, значение тока станет равным нулю. При дальнейшем увеличении ток базы будет возрастать.

Уменьшение тока базы при увеличении напряжения между коллектором и эмиттером происходит еще вследствие того, что усиливается электрическое поле коллекторного перехода, которое переносит больше электронов как неосновных носителей с базы на коллектор. Число электронов в базе, идущих на рекомбинацию, уменьшается, а следовательно падает ток базы. Однако изменение коллекторного напряжения слабо влияет на ток базы. Входные характеристики при разных значениях расположены очень близко друг к другу.

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7

Рис.7 Выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОЭ.

Эти характеристики даются при различных постоянных тока базы. Первая характеристика при выходит из начала координат. Указанное условие соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через транзистор проходит сквозной ток . Ток называют начальным сквозным током, т. к. он протекает через весь транзистор (оба его перехода). Начальный сквозной ток значительно превосходит обратный ток коллектора . Это объясняется тем, что, протекая начальный сквозной ток создает падение напряжения на эмиттерном переходе в качестве прямого напряжения, как бы открывающего транзистор и вызывающего ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

Если , то выходная характеристика расположена выше, чем при и тем выше, чем больше ток . Ток коллектора возрастает примерно пропорционально току базы. Благодаря линейной зависимости между токами коллектора и базы пологие участки соседних выходных характеристик расположены приблизительно на одинаковых расстояниях друг от друга. Однако в некоторых транзисторах эта линейность несколько нарушается.

Резкий рост тока коллектора при малых значениях напряжения между коллектором и эмиттером объясняется тем, что база имеет положительный потенциал благодаря источнику Е1, при этом коллекторный переход смещен в прямом направлении. Резкий рост тока коллектора прекращается тогда, когда коллекторный переход окажется смещенным в обратной полярности.

Дата добавления: 2015-08-29