3.11. Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается. Для анализа работы транзистора с высокочастотными сигналами используются динамические модели как нелинейные, так и линейные, отличающиеся от статических учетом влияния емкостей переходов. При этом барьерные емкости переходов описывают процессы, аналогичные перезаряду обычных конденсаторов, а диффузионные емкости, характеризующие накопление и рассасывание неравновесных носителей, одновременно учитывают и конечную скорость их перемещения.  

Динамические свойства транзистора при включении с общей базой

  Рассмотрим высокочастотную малосигнальную физическую эквивалентную схему транзистора при включении с ОБ (рис 3.41). По сравнению с аналогичной низкочастотной схемой (рис. 3.37) в нее добавлена емкость эммитерного перехода C_Э, состоящая из диффузионной C_ЭД и барьерной C_ЭБ емкостей. В общем случае C_Э=C_ЭД+C_ЭБ. Но для прямо смещенного перехода C_Э C_ЭДд. Кроме того, параллельно обратно смещенному коллекторному переходу включена емкость C_К =C_КБ + С_КД  C_КБ. Генератор тока может быть представлен двумя способами: в первом случае он управляется током с комплексной амплитудой  , протекающим через r _э, что сответствует базовым моделям Эберса - Молла. Отметим, что при появлении емкости C_Э ток  . При этом ток генератора равен h_21Б  , где h_21Б - низкочастотное значение параметра. Во втором случае генератор управляется током эмиттера с комплексной амплитудой  . При этом необходимо ввести частотнозависимый параметр H_21Б так, чтобы ток генератора не изменился, тогда

,причем

 (3.63)

Обозначим:

, где f_H21Б - предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера.

Тогда:   . (3.64)

В литературе часто используют и другие обозначения: вместо H_21б – _~, вместо f_H21Б – f . Найдем из (3.64) модуль  и фазовый угол  коэффициента передачи тока эмиттера

.  ; (3.65)

 (3.66)

Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера от частоты приведена на рис. 3.42.

  Таким образом, с ростом частоты коэффициент   убывает.

На частоте f=f_H21Б модуль  .

Отсюда следует физическое определение предельной частоты коэффициента передачи тока эмиттера:  представляет частоту, на которой  H_21Б уменьшается в   раз по сравнению с низкочастотным значением h_21Б. Из формулы (3.66) также следует, что с ростом частоты увеличивается запаздывание по фазе тока коллектора   относительно тока эмиттера  . На частоте f_21Б сдвиг составляет 45  . Максимальный сдвиг (при f   составляет 90  . Из выражения (3.63) следует, что предельная частота f _H21Б определяется постоянной времени  _ОБ заряда полной емкости C_Э эмиттерного перехода. Можно показать, что

_ОБ  + t_прБ+  (3.67)

и включает в себя :

С_ЭБr_Э - постоянную времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода;

t_прБ - время диффузии носителей через базу;

t_КП - время пролета через коллекторный переход.

На практике величина  измеряется (в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменной составляющей R_Н  ) и по ней с помощью (3.63) (иногда по более точным формулам) рассчитывается C_Э. По величине  можно судить об усилительных свойствах транзистора на высоких частотах в схеме с ОБ ( строго говоря, при малом сопротивлении нагрузки). Для увеличения  следует уменьшать время пролета носителей через структуру транзистора ( в первую очередь, через базу и обедненную область коллекторного перехода). Дополнительную инерционность вносит барьерная емкость коллекторного перехода, не влияющая на величину  . В реальных схемах она перезаряжается через сопротивление нагрузки R_Н. Ее влияние существенно, если C_КR_Н соизмеримо с  _ОБ. Отметим, что влияние C_К усиливается при возрастании сопротивления нагрузки R_Н. Во многих случаях высокочастотную схему упрощают, исключая C_К.

При этом вводят

 *_ОБ= _ОБ+C_КR (3.68)  и

;  . (3.69)

 используют для описания частотной зависимости генератора тока. В эквивалентной схеме при этом остается один частотнозависимый элемент H*_21Б. Такой подход вносит дополнительную погрешность, но широко используется для оценки границ частотного диапазона усилительных каскадов и при анализе длительности фронтов в импульсных схемах.