Частотные свойства транзистора кратко

Обновлено: 30.06.2024

Частотные свойства 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 используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ h_21Б и h_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: h_21Б и h_21Э.

Величины h_21Б и h_21Э могут быть найдены двумя способами:

-решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

-анализом Т-образной эквивалентной схемы методами теории электрических цепей.

Во втором случае h_21Б и h_21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рис. 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r_ББ, а также время пролета носителей через базу t_Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера h_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

где h_21Б0 - коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f - текущая частота, f _{h 21Б} - предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

Нетрудно заметить, что модуль коэффициента передачи h_21Б на предельной частоте f _h_21Б снижается в раз.

Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

Для схемы с ОЭ известно соотношение

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P>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

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 t_Б, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов С_Э, С_К 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 h_21Б 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 r_Э. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из зарядной С_Э0 и диффузионной

С_{Э ДИФ} емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения .

Из-за малой толщины базы ∆w_Б транзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтому С_{Э 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 С_{Э ДИФ} заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе dQ, при изменении dU_ЭБ. Хотя эмиттерные емкости С_Э0 и С_{Э ДИФ} значительны (С_Э0 достигает 100-150 пФ,

С_{Э ДИФ} - 1000 пФ), но, так как они шунтированы малым сопротивлением r_Э, 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 r_К порядка 1 МОм и суммы емкостей — собственной С_К0 (в среднем около 10 пФ) и диффузионной С_К _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 f_h_21Б – предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах; C_К – емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_MAX– в мегагерцах.

Следовательно, что для увеличения f_MAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту f_h_21Б и уменьшать и С_К. Теоретически для транзистора типа р-п-р . Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области w_Б и применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота f_h_21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа

п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты f_MAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах f_h_21Б 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 f_MAX остается неизменной. Для уменьшения емкости С_К нужно уменьшить площадь коллекторного перехода S_К, а также увеличить коллекторное напряжение U_КБ и удельное сопротивление базы и коллектора.

Однако, если уменьшить толщину базы w_Б, то h_21Б0 и f _h_21Б увеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения r_Б уменьшить удельное сопротивление базы ρ_Б, то это приведет к уменьшению h_21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту С_К. С уменьшением площади перехода S_К уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения U_КБ ограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.

Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие f_MAX. 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 _h_21Б . Если пренебречь па этой частоте емкостью С_Э,. то ток I_Э создает на сопротивлении r_Э падение I_Э∙r_Э, которое будет совпадать по фазе с током I_Э. Аналогично на сопротивлении r_Б возникнет падение напряжения I_Б ∙ в фазе с током I_Б. Напряжение U_B_Х = I_Э ∙r_Э+ I_Б∙ .

Из диаграммы видно, что входной ток I_Э отстает от напряжения U_B_Х на угол φ´, следовательно, входное сопротивление Z_ВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы I_Б, который опережает по фазе U_BX.Таким образом, входное сопротивление Z_ВХ 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 Z_ВЫХ 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:

а) входного, б) выходного

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

С увеличением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются: уменьшается усиление, появляются амплитудные и фазовые искажения. Это происходит в основном по двум причинам.

Первая причина заключается в конечном времени пролета носителей через базу, т.е. инерционность диффузионного процесса, обусловливающего движение неосновных носителей заряда из эмиттера через базу к коллектору.

Второй причиной, ухудшающей усилительные свойства транзистора с увеличением частоты, является наличие барьерной емкости коллекторного перехода и диффузионной емкости эмиттерного перехода.

На рис. 6.6 показана зависимость коэффициента передачи токов a и b от частоты. Видно, что при повышении частоты b уменьшается значительно сильнее, чем a, т.е. схема с ОБ обладает лучшими частотными свойствами.

Уменьшение коэффициентов передачи токов a и b в раз или до 0,707 (приблизительно на 3дБ) по сравнению со значениями a _о и b _о на низких частотах принято считать граничными изменениями. Частоты, на которых a = 0,707a _о и
b = 0,707b _о, называются предельными частотами усиления для схем с ОБ и ОЭ и обозначаются соответственно f _a и f _b .

Соответственно, если a = h_21б, а b = h_21э, обозначение может быть f_21б и f_21э. Предельная частота коэффициента усиления с ОБ f _a приблизительно может быть определена по формуле

где D – коэффициент диффузии инжектируемых в базу носителей, W – толщина базы.

Зачастую для транзисторов в качестве параметров дается граничная частота f_гр (применяют также обозначение f_т), для которой модуль коэффициента прямой передачи тока транзистора в схеме с ОЭ становится равным единице (рис. 6.7), т.е. |h_21э| = 1.

Рис. 6.7. Зависимость коэффициента усиления по току для схемы с ОЭ

Нередко в технических условиях на транзистор приводят значение |h_21э| на некоторой частоте. Например, если известно, что на частоте 150 мГц |h_21э| = 4, это означает, что f_гр = 4·150 = 600 мГц. У транзисторов с относительно толстой базой частотные свойства определяются инерционностью диффузионного процесса, т.е. параметром f _b или f _a. При уменьшении толщины базы частотные свойства транзистора улучшаются. Но это справедливо лишь до определенного предела, так как с уменьшением W увеличивается сопротивление r_б. Поэтому частотные свойства таких транзисторов определяются не граничной частотой, а постоянной времени коллекторной цепи t = r’_б С_к. Исходя из этого вводится частотный параметр: f_макс – максимальная частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице, т.е. К_р = 1. Так как транзистор усиливает по мощности во всех схемах соединения, то формула определения максимальной частоты одинакова для всех схем включения и равна .

Предельная и граничная частоты, а также t зависят от режима работы транзистора по постоянному току.

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор?

2. Какие бывают структуры транзисторов и их обозначение?

3. Перечислите основные требования, которые необходимо выполнять при изготовлении транзисторов.

4. Дайте понятие о коэффициенте инжекции эмиттера и коэффициенте переноса через базу.

5. Что называется коэффициентом передачи тока эмиттера и статическим коэффициентом передачи тока базы?

6. Начертите различные схемы включения транзистора.

7. Определите коэффициенты усиления по току, по напряжению и мощности для схем с ОБ.

8. Определите коэффициенты усиления по току, по напряжению и мощности для схем с ОЭ.

9. Определите коэффициенты усиления по току, по напряжению и мощности для схем с ОК.

10. Расскажите о транзисторе как о четырехполюснике.

11. Нарисуйте семейство входных и выходных характеристик в схемах с ОБ и ОЭ.

Частотные свойства транзистора , включенного по схеме ОЭ, в активном режиме определяются в основном инерционностью процесса распространения подвижных носителей в базе и влиянием барьерной емкости коллекторного перехода в результате взаимодействия ее с сопротивлением в коллекторной цепи транзистора. [3]

Частотные свойства транзистора определяются в основном двумя факторами. Во-первых, сравнительно медленное диффузионное перемещение неосновных носителей через базу и связанное с этим относительно большое время пролета приводят к задержке коллекторного тока относительно эмиттерного и, следовательно, к ухудшению частотных свойств транзистора. [4]

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора. [5]

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости р-п переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и шунтирующее действие емкостей возрастает. Поэтому Т - образная эквивалентная схема транзистора на высоких частотах, кроме чисто активных сопротивлений гэ, ГБ и гк, содержит емкости Сэ и GK, шунтирующие эмиттерный и коллекторный переходы. [7]

Оценивая частотные свойства транзистора , следует учитывать также, что диффузия - процесс хаотический. Неосновные носители зарядов, инжектированные эмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигают коллекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения тока коллектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводит к искажению усиливаемого сигнала. [8]

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают междуэлектродные емкости и время перемещения носителей через область базы. В транзисторе под междуэлектродными емкостями понимают емкости эмиттерного и коллекторного переходов. [9]

На частотные свойства транзисторов оказывают влияние емкости электронно-дырочных переходов. Диффузионная емкость эмиттерного перехода достигает у некоторых транзисторов сотен пикофарад, барьерная емкость коллекторного перехода составляет 1 0 н - 50 пф. [11]

Определяются необходимые частотные свойства транзисторов . [12]

С частотными свойствами транзистора связаны его переходные характеристики, описывающие изменение выходного сигнала при воздействии импульса тока во входной цепи. [13]

Чтобы охарактеризовать частотные свойства транзистора , широко используются частотные характеристики, представляющие собой зависимость модуля коэффициента передачи а от частоты ( амплитудно-частотная характеристика) и фазы фа ( фазочастотная характеристика) от частоты. Из характеристик ( рис. 6.12), построенных в нормированных координатах со / ва и а / а0, видно, что с увеличением со увеличивается сдвиг по фазе ф, обусловленный влиянием инерционных процессов при прохождении неосновных носителей через базу, и, в конечном счете, уменьшается коэффициент а. В схеме с ОЭ величина коэффициента передачи тока базы В в более сильной степени зависит от частоты, что приводит к уменьшению граничной частоты в схеме с ОЭ. [14]

Читайте также: