56. Частотные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.

Частотную характеристику в схеме с общим эмиттером можно получить тем же путём, что и в схеме с общей базой, то есть из переходной характеристики . Но эту характеристику можно получить используя общую формулу .

- граничная круговая частота в схеме с общим эмиттером.

,

Так как по виду функции и одинаковы, то график АЧХ в схеме с общим эмиттером имеет качественно тот же характер, что и график . На этом графике при уменьшается по сравнению с в раз. Но так как , то граничная частота в схеме с общим эмиттером в несколько десятков раз меньше, чем в схеме с общей базой.

Рис.14.14 АЧХ и .

Большую разность между величинами и можно объяснить чисто формально по структуре формулы , где близка к 1 и небольшое изменение приводят к большим изменениям .

С физической точки зрения объяснение следующее:

Как известно, , , .

в n-p-n транзисторе обусловлен неравновесными носителями – дырками, которые втекают в базу. На постоянном токе и низких частотах они идут только на компенсацию рекомбинационных потерь дырок в базе. На высокой частоте ток коллектора начинает не успевать за изменением и в базе возникает дисбаланс зарядов электронов – инжектированных эмиттером и электронов, уходящих в коллектор. Этот заряд подтягивает дырки из базового контакта, в результате ток базы заметно возрастает, а - падает, причём уменьшение наблюд-ся уже на частотах, при которых амплитуда почти успевает за изменением тока : . Но временной сдвиг между и приводит к увеличению . Поскольку - достаточно большая величина, то усилительные способности транзистора сохран-ся на частотах значительно превышающих граничную частоту .

Поэтому для характеристики предельных возможностей транзистора усиливать высокочастотные сигналы вводится понятие предельной частоты усиления транзистора или , которая определяется как частота, при которой модуль уменьшается до 1.

Оценим величину .

Очевидно, что , поэтому вблизи значений : , то есть на этих частотах . При по определению , то есть , а так как , то Предельная частота является справочным параметром транзистора, по которому судят о его предельных частотных свойствах. Во многом это связано с удобством измерения . Это вытекает из следующего. Умножим обе части равенства, определяющего частотную харак-ку транзистора в схеме с общим эмиттером на :

. Когда , то есть уже при получаем, что . Таким образом, в области спада частотной характеристики в схеме с общим эмиттером, произведение коэффициента усиления по току на частоту есть величина постоянная. Этот вывод подтверждается и экспериментальными данными. То есть для измерения нет необходимости использовать очень высокочастотные приборы:

, , , тогда .

57. Учёт влияния эмиттерной и коллекторной цепей на частотные свойства биполярного транзистора

В современных транзисторах, изготовленных методом диффузии примеси, толщина базы порядка 0,2÷1 мкм. Следовательно, .

Пример: кремниевый транзистор, мкм = 0,5·10^-6м = 5·10^-7 м, , см²/с в интегральных схемах, тогда с что определяет предельные частотные свойства транзистора на уровне:

. Однако реальные предельные частоты такого транзистора будут меньше из-за влияния времен перезаряда барьерных ёмкостей p-n переходов транзистора. Как известно, обусловлена изменением нескомпенсированных зарядов ионов донорной и акцепторной примесей при изменении напряжения на переходе. Предположим, что к эмиттерному переходу приложено напряжение , которое может изменяться в любую сторону.

Рис. 14.15. Эмиттерная цепь транзистора

Предположим, что - уменьшилось на . Так как это прямое напряжение, это приведёт к расширению области объёмного заряда. Так как ионы доноров и акцепторов неподвижны и жёстко связаны с кристаллической решёткой, то расширение возможно за счёт ухода основных носителей – дырок через базовый контакт и электронов через эмиттерный контакт. Ток, обусловленный этими носителями является током перезаряда, в данном случае разряда барьерной ёмкости . При увеличении - область объёмного заряда будет сужаться за счёт подхода этих носителей к переходам. Эти носители будут переносить ток заряда . Таким образом полный ток эмиттера будет склад-ся из тока инжекции, переносимого электронами из эмиттера в базу и тока перезаряда . Так как ток переносится основными носителями, то он не передаётся в ток коллектора, следовательно, наличие этого тока будет умень-ть коэффициент инжекции: , причём с ростом частоты возрастает, а - умень-ся. Частотная зависимость от определяется для малой переменной составляющей синусоидальной формы:

, ,

.

Обозначим, . , отсюда , где - граничная частота коэффициента инжекции, то есть частота при которой уменьшается в раз по сравнению с при НЧ. Очевидно, что , то есть пропорционально . Поэтому в высокочастотных усилительных схемах ток покоя должен быть повышенным. Пример: для маломощных ВЧ транзисторов , , .

При : .

При : . Рассмотрим процессы, протекающие в коллекторной цепи.

Рис.14.16. Коллекторная цепь

Предположим, что на коллекторе – запирающее напряжение, а - переменный. Коллекторная и базовая области транзистора обладают некоторыми объёмными сопротивлениями, включёнными последовательно с коллекторным переходом. Поэтому . Тогда, если , а, следовательно, и увел-ся, то напряжение на коллекторном переходе уменьшается, а так как это напряжение – запирающее, то его уменьшение приводит к сужению области объёмного заряда, то есть к заряду барьерной ёмкости . Ток заряда ёмкости обусловлен дырками, втекающими в базовый контакт, а в коллекторной области – электронами, втекающими в коллекторный контакт. При уменьшении процесс обратный. Отсюда следует, что ток перезаряда ёмкости всегда препятствует изменению тока . Поэтому с ростом частоты, результирующий ток убывает за счёт роста емкостного тока . Учёт влияния ёмкости на частотные свойства транзистора проводится, как и в предыдущем случае, с помощью постоянной времени:

При этом частотная зависимость коллекторного тока :

,

где - граничная частота коллекторного перехода. Величина зависит от конструкции транзистора, в частности, от степени легирования коллекторной области. Для дискретных транзисторов , то есть ; - сотни Ом. Но - собственный параметр транзистора, то есть когда он не включён в электрическую схему. В транзисторных каскадах в цепь коллектора всегда включён внешний нагрузочный резистор, в этом случае:

то есть быстродействие транзистора огран-ся параметрами внешней схемы. В высокочастотных транзисторах с тонкой базой и высокоомным коллектором протяжённость области объёмного заряда может быть достаточно заметной . Поэтому время пролёта электронов через эту область может быть сравнимо со временем пролёта базы. Для таких транзисторов вводится ещё один параметр: , где V – дрейфовая скорость электронов. У Si - 10⁷ см/c, при этом с. С учётом всех факторов, влияющих на инерционность транзистора, граничная частота оценивается приближённой формулой: .

Степень влияния отдельных составляющих зависит как от структуры транзистора, так и от режима работы. При малых токах важно , при высокоомной нагрузке .