книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

•максимальная частота усиления по мощности не может быть вы­ сокой.

На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактив­ ной составляющих. Активное сопротивление является прямым диф­ ференциальным сопротивлением эмиттерного перехода г3 Для ма­ лого входного сигнала его величина не превышает нескольких де­ сятков омов. Реактивное сопротивление определяется суммарной ■емкостью перехода, состоящей из зарядной Сэо и диффузионной ■Сэ диф емкостей. Последняя определяется как отношение прираще­ ния заряда инжектированных носителей к вызвавшему его при­ ращению эмиттерного напряжения dQfdUan.

Из-за малой толщины базы транзистора количество инжек­ тированных в нее 'носителей будет меньше, чем в диоде, анаошпичсной конструкции, поэтому СЭДИф в транзисторе также меньше, чем в диоде. Рисунок 2.71 иллюстрирует образование емкости С Эдиф: заштрихованная площадь определяет приращение числа инжекти­ рованных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе ■dQ, при изменении dUa§. Хотя эмиттерные емкости Сэо и С ЭДИф зна­ чительны (Сэо достигает 100-НІ50 пФ, С ЭДИф — іШОО пФ ), н о , так как они шунтированы малым сопротивлением га, их следует учиты­ вать только на очень высоких частотах (порядка десятков мега­ герц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через емкость, становится значительной, в результате чего умень­ шается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фаз <р

Полное сопротивление коллекторного перехода также представ­ ляет собой параллельное соединение активной и реактивной со­ ставляющих: активного дифференциального сопротивления кол­ лекторного перехода гк порядка 1 МОм и суммы емкостей — соб­ ственной С ко (в среднем около 10 пФ) и диффузионной СКДІІф<СС ко. Сопротивление гк определяется тем, что изменение напряжения приводит к изменению толщины перехода и, следовательно, толщи­ ны базы на Д®б- Отсюда изменяется число дырок, которые реком­ бинируют в базе, и величина тока / к-через коллекторный переход при /э= const. Диффузионная емкость коллекторного перехода оп­ ределяется как приращение заряда неосновных носителей в базе к вызвавшему его приращению напряжения ДІ/Кб пр'и 73=const. С изменением t/K6 меняется толщина базы, а следовательно, и общее число дырок в базовой области и их заряд. Из-за большого сопро­ тивления гк шунтирующее действие емкости, несмотря на ее малую величину, сказывается на частотах порядка звуковых. Если, напри­ мер, считать С к о = 1 0 пФ и гк=1 МОм, то равенство 'Гк=1/2л|Ск0 удовлетворяется при / = (16 кГц. Таким образом, шунтирующее дей­ ствие Ско сказывается на гораздо более низких частотах, чем дей­ ствие Са. Полное сопротивление коллекторного перехода на высо­ ких частотах сильно уменьшается. Поэтому при рассмотрении ча­ стотных свойств транзистора приходится обычно считаться с емко­

201

стью CKÖ; при конструировании транзистора эту емкость стремятся по возможности уменьшить либо путем уменьшения рабочей по­ верхности коллекторного перехода, либо увеличением его толщины.

Полное сопротивление базы ZQ является комплексным. Модуль этого сопротивления |Zß| с ростом частоты уменьшается. Экспери­ ментальная зависимость модуля сопротивления базы от частоты

приведена на рис. 2.72. Активная составляющая сопротивления ба,- зы гб = гJ +Гд. Здесь г'б — объемное сопротивление базового слоя.

Эта величина определяется геометрией базы. Чем тоньше база, тем больше г'б. У низкочастотных транзисторов его величина составляет

50-7-100 Ом. Сопротивление г ”ь представляет собой диффузионное

сопротивление базы. Оно обусловлено воздействием коллекторного напряжения на эмиттерный переход. Ширина коллекторного пере­ хода колеблется с частотой сигнала и соответственно меняется тол­ щина базы. Это ведет к изменению градиента концентрации заря­ да в базе и в конечном счете — к появлению переменного напря­ жения на эмиттере. Таким образом, г “6 характеризует наличие об­

202

Эквивалентные схемы транзистора на высоких частотах

Рассмотренные ранее эквивалентные схемы для низ­ ких частот не содержали реактивных элементов L и С. Эквива­ лентные же схемы для высоких частот должны быть дополнены со­ ответствующими емкостями и индуктивностями.

'Существует большое число эквивалентных схем для широкого диапазона частот: Т-образных и П-образиых, для различных систем параметров н для различных схем включения транзистора. Одной из наиболее удобных для расчетов в широком диапазоне частот является эквивалентная схема Джаколлетто с генератором тока

Рис. 2.74. Эквивалентные схемы транзистора на высоких частотах:

а) схема Джаколлетто; б) Т-образная; в) схема входной цепи; г), д) схемы вы-

Эта эквивалентная схема дает удовлетворительные результаты до частот порядка 0,5f a . Недостатком ее является то, что ток на

выходе генератора пропорционален напряжению не на внешних зажимах, а между точками Б и Б'. Точка Б' является условной внутренней точкой.' Напряжение U'6 3 должно рассчитываться.

203

Можно привести и другие более простые эквивалентные схемы, например, для включения транзистора с общей базой, где отсутст­ вуют элементы, влиянием которых на частоте, ниже предельной, можно пренебречь. Одна из таких схем с генератором эдс приве-

, дена на рис. 2.746.

Из междуэлектродных емкостей наибольшее влияние на работу транзисторов в области высоких частот обычно оказывает емкость коллекторного перехода Ск. На частотах порядка предельной и ни­ же можно ограничиться учетом только ее влияния.

Вследствие дисперсии носителей и влиянияемкости Ск коэффи­ циент а и сопротивление эквивалентного генератора эдс становят­ ся комплексными и зависят от частоты:

Приведенные выше эквивалентные схемы транзистора, работа­ ющего на высоких .частотах, целесообразно применять при расче­ тах однокаскадных устройств, например, усилителей. При расчете многокаскадных усилителей удобнее разделить эквивалентную схе­ му транзистора на две — для входной и выходной цепей и рас­ сматривать их отдельно (рис. 2.74г, д ) . Разумеется, каждая из этих цепей должна -содержать параметры, отражающие их взаимное влияние в реальном транзисторе. Обоснованием для такого разде­ ления эквивалентной схемы является то, что при последовательном соединении каскадов выходная цепь данного каскада работает на входную цепь последующего. Расчет упрощается, если эти цепи рассматривать совместно.

В этійх схемах Un управляющее напряжение на эмиттерном пе­

зой представлена на рис. 2.75. Здесь СЗп ~ ~ е— ; Дб~0,16гб/Л2іа,-ß » /р Гэ

Для оценки частотных свойств транзистора существенное зна­ чение имеет зависимость его входного сопротивления от частоты. На высоких частотах из-за конечного времени перемещения инжек­ тированных носителей в базе ток / и начинает отставать по фазе от тока /э, в результате чего увеличивается ток /б. Частотную зависи­ мость входного сопротивления можно объяснить с помощью век-)*

*) Более подробные сведения об этих схемах можно найти в книге Г. С. Цыкина . Усилительные устройства. М., «Связь», 1971, с. 103—П5і

204

торной диаграммы токов и напряжений (рис. 2.76), построенной для / = /„• Если пренебречь на этой частоте емкостью Сэ,, то ток /э

Рис. 2.75. Эквивалент­ ные схемы входной цепи транзистора:

а) для высоких час­

тот; 6) для низких

создает на сопротивлении гэ падение напряжения /эгэ, которое бу­ дет совпадать по фазе с током /э. Аналогично на сопротивлении Гб

S)

Рис. 2.77. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:

205

Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сойротивления от частоты. Выходное сопротивление R vь,х уменьшает­ ся с ростом частоты при включении как в схеме ОБ (рис. 2.77s, кривая /), так и в схеме ОЭ (рис. 2.77s, кривая 2 ).

Особенности работы транзисторов в импульсных схемах

В некоторых областях техники, например, в радиоло­ кации, телевидении, электронных вычислительных машинах и дру­ гих применяют устройства, которые генерируют, усиливают или формируют электрические импульсы, а также осуществляют пере­ ключение для передачи сигналов из одной цепи в другую. Такие устройства называются импульсными или переключающими. Их действие значительно отличается от работы схем в непрерывном режиме. Во-первых, в них происходят резкие и кратковременные изменения напряжения пли тока, причем существенно изменяется состояние активных элементов схемы (например, резко изменяется сопротивление транзистора). Во-вторых, из-за резкого изменения напряжения или тока активный элемент работает в нелшнейіных областях характеристик. Наконец, в-третьих, на выходе импульсно­ го устройства часто не требуется точно воспроизводить входной сигнал, и выходное напряжение определяется лишь наличием пли отсутствием входного сигнала.

Будем считать, что форма используемых импульсов прямо­ угольная. Чтобы реальный импульс на выходе схемы возможно больше приближался к идеальному прямоугольному, она должна иметь малые реактивные параметры элементов и хорошие частот­ ные характеристики применяемых транзисторов.

На рис. 2.78 приведено семейство выходных характеристик

транзистора в схеме ОБ с нагрузочной характеристикой для сопро­ тивления нагрузки RH. При подаче на вход транзистора обратного напряжения в цепи эмиттера возникает обратный ток. Эта область на нагрузочной характеристи­ ке, где /э^О, является обла­ стью отсечки, в пределах кото­

206

вает заметного роста тока /к. Это определяет область насыщения,

вкоторой транзистор полностью*открыт.

Вимпульсных схемах можно судить о работе транзистора по прохождению через него идеального прямоугольного импульса. До­ пустим, что на эмиттер подается идеальный прямоугольный им­

пульс тока г'э большой величины (рис. 2.79а). Выходной сигнал іц

S)

з

Рис. 2.79. К пояснению работы транзистора в импульсном

режиме:

а) входной импульс; б) выходной импульс; в) распределе­

ние концентраций дырок в базе для разных моментов вре­ мени '

снимается с малого сопротивления в коллекторной ' цепи .(рис, 2.796). Рассмотрим схему включения транзистора с общей базой; длительность входного импульса в прямом направлении tn — его величина — /э. Пусть в начальный момент времени транзистор на­ ходился в режиме отсечки при обратном напряжении на обоих пе­ реходах и был заперт. При подаче на его вход импульса тока /э в прямой полярности ток /„ возникает не сразу, а задерживается на время t3 из-за конечного времени диффузии инжектированных ды­ рок до коллекторного перехода. Время задержки можно опреде­ лить по приближенной формуле, считая условно, что за это время ток возрастает до .10% своего конечного значения — тока насыще­ ния: /3 = 0,2/сйа , где сйа = 2я/а . Время задержки часто не принима­

ют, во внимание, так как оно значительно меньше длительности фронта импульса.

207

Процесс установления коллекторного тока, определяемый яв­ лением дисперсии по скорости инжектированных дырок, характе­ ризуется длительностью фронта выходного импульса. За это время рабочая точка из области отсечки по нагрузочной прямой (рис. 2.78) быстро проходит активную область. Так как в цепь коллек­ тора включена нагрузка, в квазистатическом режиме напряжение

режим насыщения, при котором коллекторный ток практически не зависит от входного: IU= IKR= (E K+UK6)/RBJ где Ек — эдс источни­ ка питания коллекторной цепи, а ІІКб — напряжение на коллектор­ ном переходе в режиме насыщения. Так как обычно UK5 <^EK, /kh»

Ä - EKfRu.

Длительность фронта (рис. 2.79) равна времени перехода транзистора из режима отсечки через активный режим в режим на­ сыщения: при этом считают, что за это время ток возрастаем от 0,1 до 0,9 значения /кнас- В режиме насыщения наличие прямого на­ пряжения на коллекторном переходе вызывает инжекцию дырок из коллектора в базу, и в последней дополнительно накапливаются дырки. Длительность фронта тем меньше, чем больше ток /э, и зависит от времени диффузии дырок через базу, т. е. от частотных свойств транзистора.

На рис. 2.79в показано распределение концентрации дырок в базе в активном режиме (кривые /), в режиме насыщения (кривые II) и, наконец, при запирании эмиттерного перехода (кривые III и IV), когда входной импульс отсутствует (/э—0) и транзистор за­ перт.

Вмомент выключения эмиттера ток /к несколько уменьшается

врезультате изменения падения напряжения на сопротивлении ба­

зы г g, после чего поддерживается почти постоянным, пока не

уменьшится концентрация дырок в базе в результате их рекомби­ нации или ухода через переходы. Время рассасывания ір опреде­ ляется как интервал времени с момента выключения входного им­ пульса и связанного с этим изменением направления тока базы /б до момента, когда концентрация дырок у коллекторного перехода уменьшится до нуля. Величина ^р зависит от конструкции эмиттера, величины тока /э и длительности импульса t„. С увеличением /а tP растет, а с увеличением t„ ір вначале растет в связи с увеличением концентрации дырок в базе; при установлении же стационарного распределения дырок рост tp прекращается. Для уменьшения ір на входе цепи в момент окончания действия импульса /э сдздают ток обратного направления І&, что ускоряет рассасывание дырок в ба­ зе. По истечении времени tp рабочая точка транзистора переходит на границу активной области и начинается спад выходного тока, обусловленный статистическим характером распределения скоро­ стей и траекторией дырок в базе и определяемый частотными свойствами транзистора. За время спада tc транзистор возвращает1

208

ся через активный режим в исходное состояние — в режим отсечки и вновь запирается. Обычно tc определяется как время, в течение которого ток уменьшается от 0,9 до ОЛ тока насыщения.

Аналогичные процессы протекают и в схеме с общим эмитте­ ром, если на базу транзистора поступают импульсные сигналы. Для этой схемы включения рассмотрим процессы переключения, используя так называемый .метод заряда. JB результате интегриро­ вания уравнения непрерывности по объему базы и при пренебре­ жении электронной составляющей тока, можно получить следую­ щее уравнение заряда базы:

где Qo — заряд неравновесных дырок в базе при ^=0.

Из этого уравнения удобно получить все параметры переходно­ го процесса, особенно для схемы ОЭ, так как в ней / б = const.

Длительность фронта t$. На базу (вход транзистора) подается импульс тока /б = const и транзистор переходит в область насыще­ ния. В стационарном режиме, когда /к= /га dQ/dt=0,

209