Анализ и моделирование биполярных транзисторов (8)

Посмотреть архив целиком

8. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов



На низких частотах сопротивление емкости очень большое, также очень велико (обычно ) и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор, т. е. . Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются , , , выходное напряжение и выходная мощность.

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

Емкость эмиттерного перехода Сэ также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение получается одного порядка с .

Сущность влияния емкости Сэ состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьша­ется эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то со­противление стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на 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 и .

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является
отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном), а также инерционностью процессов накоп­ления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзи­сторе типа n-p-n. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не­ большое, 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 .

Рис. 8-2 Рис. 8-3.

Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.

Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов и при повышении частоты.



Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах имеет свое наибольшее значение . При более высокой частоте, например 1 МГц, запазды­вание тока на время относительно тока вызывает заметный фазовый сдвиг между этими токами. Теперь ток базы равен не алгебраической, а геометрической разности токов и и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток еще не уменьшился за счет влияния емкости Ск, то коэффициент все же станет заметно меньше На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток еще больше увеличится, а коэффициент уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент уменьшается зна­чительно сильнее, нежели Коэффициент а снижается от влияния емкости Ск а на значение влияет еще и фазовый сдвиг между и 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 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