11.2 Частотные свойства транзисторов

Импульсный режим

В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

На рисунке 11.5 представлен процесс переключения транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Рисунок 11.5 - Переключение npn транзистора в схеме с ОБ. - схема включения; б - входной импульс эмиттерного тока; в) - соответствующий отклик коллекторного тока.

После подачи импульса на эмиттерный вывод (рис.11.5б) происходит включение транзистора в интервале от t=0 до t₁ (рис 11.6в). Вначале инжектированные электроны распространяются вглубь базы и достигают коллектора только через время _з (на рис.11.5 не показано). После этого коллекторный ток начинает возрастать. Время, необходимое для нарастания тока до уровня 90% тока насыщения называют временем включения τ_вкл = τ_з + τ_ф (τ_ф=₀).

В момент времени t₂ ток эмиттера снижается до нуля (рис. 11.6б) и начинается процесс выключения. Плотность неосновных носителей (электронов) в базе ещё большая, но в течение времени ₁ падает до нуля (за счёт рекомбинации с дырками в базе). Интервал времени ₁ называют временем рассасывания носителей. В момент времени t₃ плотность носителей около коллекторного перехода становится близкой к нулю и сопротивление коллекторного перехода, определяемое током через него неосновных носителей из базы возрастает. К моменту времени t₄ коллекторный ток снижается до 10% от максимального значения. Интервал времени ₄ называют временим спада.

Поведение 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. На низких частотах сопротивление емкости очень большое, коллекторное сопротивление также очень велико и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток в резисторе соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются выходное напряжение и выходная мощность. Рисунок 11.7, приведенный для схемы включения с ОБ иллюстрирует это

Рисунок 11.7 – Эпюры эмитерного (пунктир) и коллекторного (сплошная линия) токов при трансляции эпюра коллекторного тока на интервал времени _D. Для схемы с ОБ.

 - длительность тока в эмиттерной цепи больше, чем время движения носителей через базу;

б – длительность импульса тока сравнима с временем диффузии;

в) - длительность импульса тока меньше, чем время диффузии.

Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттер-ного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах. Практически на менее высоких частотах емкость, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора, на который могла бы влиять емкость, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости в большинстве случаев можно не рассматривать.

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 коллекторному, 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 _D в обычных транзисторах получается порядка 10^-7с, т.е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но при частотах порядка единиц и десятков мегагерц и выше оно вызывает заметный сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера (рисунок 11.8). За счет такого сдвига фаз на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току.

Рисунок 11.8 - Эпюры эмиттерного (пунктирная линия) и коллекторного (сплошная линия) токов биполярного транзистора в схеме с общей базой для случая T/4 < τ_D

Графическая зависимость модуля коэффициента переноса  и угла фазового сдвига φ от частоты входного сигнала для схемы включения с ОБ приведена на рисунке 11.9.

Рисунок 11.9 - Зависимость модуля коэффициента переноса (ω)| и угла фазового сдвига φ_α от частоты входного сигнала ω

При повышении частоты коэффициент усиления  для схемы с ОЭ уменьшается значительно сильнее, чем . Коэффициент  снижается от влияния емкости, а на величину  влияет еще и сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельно допустимым уменьшение величин  и  на 30 % или в 2 раз меньше по сравнению с их значениями ₀ и ₀ на низких частотах.

Те частоты, на которых получается такое снижение усиления (_ и _), называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером.

На высоких частотах происходит не только изменение величин  и . Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания зарядов в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяют свою величину и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше

В зависимости от значения предельной частоты различают транзисторы низкочастотные (f_a<3MГц), среднечастотные (3 <f_a< 30МГц), высокочастотные (30 <f_a< 300МГц) сверхвысокочастотные f_a> 30МГц .

В справочниках для транзистора, включенного по схеме ОЭ, дается частота f_гр (или f_т) (граничная частота), на которой коэффициент передачи базового тока становится равным 1. Кроме того, иногда приводится так называемая максимальная частота f_max – наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно , где _K - постоянная времени цепи обратной связи. Максимальная частота определяет устойчивость усилителя на данном транзисторе к самовозбуждению на частотах f < f_max .