Анализ и моделирование биполярных транзисторов

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 С_э 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 С_э 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 С_э становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости С_э в большинстве случаев можно не рассматривать.

Итак, вследствие влияния емкости С_к 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 С_к, 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 С_к 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 , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Поскольку уменьшается гораздо сильнее, нежели , то значительно ниже . Можно считать, что

На рис. 8-3 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов и с повышением частоты, отложенной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по вертикальной оси отложены не сами и , а относительные величины и

Помимо предельных частот усиления и транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации , при которой коэффициент усиления по мощности снижается до 1. Очевидно, что при , когда , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если , то генерации колебаний уже не будет.

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

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

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода С_к и времени пробега носителей через базу . 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, и, 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 стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

9. Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис. 9-1 построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки), что соответствует точке . В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток и, следовательно, эту цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.

Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.

Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения .

Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но на самом коллекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор n-p-n и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,4 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора

(9.1)

Помимо , и импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :

(9.2)

Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по значению несколько отличается от .

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения

(9.3)

Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.

Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если составляет единицы микросекунд и меньше,