Частотные свойства бт

При работе с переменными сигналами высоких частот малосигнальные параметры транзистора становятся частотно зависимыми величинами, усиление электрических сигналов ухудшается, появляются искажения формы сигналов.

Основные причины зависимости параметров БТ от часто­ты − инерционность движения носителей в базе и емкости структуры.

Инжектированные в базу носители перемещаются в на­правлении коллектора в результате сравнительно медленной диффузии. При этом для каждого взятого БТ можно указать конечное время «пролета» t_пp, за которое неосновные носите­ли успевают достичь коллекторного перехода. Величина этого времени зависит от ширины базы W_B и подвижности носителей в базовой области.

Если период повторения Т_с усиливаемого сигнала удов­летворяет условию Т_с >> t_пp, то инерционность движения но­сителей практически не сказывается на величинах параметров БТ. При условии Т_с ~ t_пp или даже Т_с < t_пp носители заряда не успевают достичь коллектора в течение периода, время их пребывания в базе возрастает. Вследствие этого коэффициен­ты передачи тока α и β уменьшаются в связи с ростом тока рекомбинации.

С достаточной для практики точностью зависимости от частоты коэффициентов передачи тока в БТ описываются функ­циями:

; , (1)

где α₀ − коэффициент передачи тока в схеме ОБ на низкой частоте; β₀ − коэффициент передачи (усиления) тока в схеме ОЭ; f = 1/Т_с − частота усиливаемого сигнала; f_α, f_β − частотные параметры БТ, называемые предельными частотами в схеме ОБ (f_α) и ОЭ (f_β).

С учетом выражения (где r_э – сопротивление эмиттера, φ_Т – термодинамический потенциал, I_эА – ток в точке покоя А) можно получить ампли­тудно-частотные характеристики (АЧХ) транзистора, которые представляют собой зависимость модулей коэффициентов и от частоты. Эти характеристики показаны на рис. 1. В соответствии с этими графиками предельные частоты f_α и f_β определяются как частоты, на которых модули коэффи­циентов и уменьшаются в раз (или до 0,7α₀ и 0,7β₀) по сравнению с низкочастотными значениями α₀ и β₀. Величины f_α и f_β являются важнейшими параметрами БТ.

Рис. 1. Частотные характеристики БТ

Предельная частота для схемы ОБ возрастает с уменьшением ширины базы и с повышением подвижности носителей заряда. Предельная частота для схемы ОЭ < f_α .

Важной является также частота f_τ, называемая частотой единичного усиления или граничной частой. На частоте f_τ мо­дуль коэффициента передачи (усиления) | | = 1.

К числу емкостных элементов, влияющих на частотные свойства БТ, относятся емкости эмиттерного С_э и коллектор­ного С_к переходов, а также паразитная емкость монтажа С_м, подключаемая к коллекторному выводу транзистора.

Эквивалентная схема транзистора в схеме ОБ, работа­ющего на ВЧ, показана на рис. 2,а, а в схеме ОЭ − на рис. 2,б. С ростом частоты сигнала сопротивление емкост­ных элементов уменьшается, и они начинают шунтировать переходы транзистора. Особенно большое влияние на частотные свойства БТ оказывает барьерная емкость коллектора С_к. Через сопротивление r_Б емкость С_к включена параллельно нагрузке (нагрузка R_H в цепи коллектора). На ВЧ сопротивление цепи С_к r_Б снижается и через нее ответвляется значительная часть выходного тока, не попадая в нагрузку. Вместе с тем, через r_Б часть коллекторного напряжения попадает на вход БТ, что не только снижает усиление, но может сделать работу усилитель­ного каскада неустойчивой.

Рис. 2. Эквивалентные схемы БТ на высоких частотах

Емкость С_к и сопротивление r_Б определяют такой важней­ший показатель БТ как максимальная частота:

.

На частоте f_mах коэффициент усиления транзистора по мощ­ности К_Р = 1. Если частота сигнала f < f_mах, то К_Р > 1 и тран­зистор ведет себя как усилительный элемент. Использовать транзистор для усиления или генерации сигналов на частотах f > f_mах, бесполезно, так как для любой схемы его включения К_Р < 1.

Из приведенного описания частотных свойств БТ следует, что для расширения его рабочего диапазона частот необходимо уменьшать ширину базы, увеличивать подвижность носителей и уменьшать общие размеры структуры, что приводит к умень­шению емкости переходов.

Так, вследствие более высокой подвижности электронов по сравнению с дырками лучшими частотными свойствами обладают транзисторы типа п-р-п. Существенное (на один-два порядка) расширение рабочих диапазонов частот достигается в дрейфовых транзисторах.

Дрейфовые транзисторы — это такие БТ, в базовых облас­тях которых создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей от эмиттера к коллектору. Ускоряющее поле в базе приводит к уменьшению времени пролета t_пр и к соответству­ющему увеличению предельной частоты f_α (1).

Ускоряющее поле в дрейфовых транзисторах создается в результате неравномерного распределения примесей в их базовых областях.

В зависимости от рабочего диапазона частот БТ подразделя­ют на низкочастотные (/ < 3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц) и сверхвысокочастотные (f > 300).