режиме (VAF, VAR). Параметр VAF определяется координатой точки пересе- чения прямых, аппроксимирующих выходные характеристики БТ с ОЭ на уча- стке активного режима, с осью напряжений, как показано на рис. 3.6, б. Пара- метры IKF, IKR, VAF, VAR входят в выражение для заряда базы Qb

(см. рис. 3.7).

Рекомбинация в области объемного заряда эмиттерного перехода при ма- лых напряжениях смещения эмиттер – база (см. рис. 3.6, а) в модели Гуммеля – Пуна учитывается следующим образом. Токи эмиттерного и коллекторного пе- реходов представляются суперпозицией тока идеального и неидеального пере- ходов, что на эквивалентной схеме (см. рис. 3.7) представлено четырьмя диода- ми.

Рис. 3.7

3.6. Частотные свойства биполярных транзисторов

Параметры транзистора и в первую очередь его усилительные свойства в значительной степени зависят от частоты усиливаемого сигнала. Причинами этого являются инерционность процессов переноса инжектированных носите- лей из эмиттера транзистора в коллектор, а также наличие емкостей и сопро- тивлений переходов транзистора.

При усилении сигнала с частотой f = 1/T, если время пролета носителей со- измеримо с периодом усиливаемых колебаний tпр ≈ T, происходит запаздывание

коллекторного тока по отношению к эмиттерному. Момент времени, соответст- вующий максимальному значению тока коллектора, отстает от момента времени в точке максимума тока эмиттера, как показано на рис. 3.8. Это приводит к появле-

44

нию фазового сдвига ϕ = 2πf tпр между током эмиттера и током коллектора на векторной диаграмме, которая показана на рис. 3.9. Коэффициенты передачи по

Сравнение векторных диаграмм для токов БТ на низких (рис. 3.9, а) и вы- соких частотах (рис. 3.9, б) показывает, что появление такого фазового сдвига приводит к росту амплитуды тока базы, а значит, к уменьшению значения мо- дуля коэффициента передачи по току в схеме с ОБ.

Частотные зависимости комплексных коэффициентов передачи по току в схемах с ОБ и ОЭ описываются следующими выражениями:

ентов передачи по току в схеме с ОБ и ОЭ соответственно.

Предельной частотой коэффициента передачи по току в схеме с ОБ

(ОЭ) fh21б (fh21э ) называется частота, на которой модуль коэффициента пере-

На рис. 3.10 показаны графики зависимостей модуля и фазы комплексных коэффициентов передачи по току в схемах с ОБ и ОЭ. На низких частотах фаза комплексных коэффициентов передачи по току стремится к 0, на высоких час- тотах к – 90°, а на частоте, равной предельной, фаза равна – 45°.

Предельная частота в схеме с ОБ значительно выше, чем в схеме с ОЭ:

45

где m = 0,2…0,6.

Частотные свойства БТ описываются еще одним параметром fгр – гра-

ничной частотой коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ, на которой модуль коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ становится равным еди- нице (см. рис. 3.10). Из данного определения легко устанавливается связь меж-

ду граничной частотой и предельной частотой коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ. Из (3.18) можно записать

Механизм влияния емкостей переходов БТ на его усилительные свойства с ростом частоты сигнала заключа- ется в следующем. Уменьшение реактивного сопротивления емкостей перехо- дов с ростом частоты приводит к уменьшению входного и выходного сопро- тивления БТ, а значит, и к уменьшению амплитуды полезного сигнала на входе

46

и выходе усилителя, т.е. к уменьшению коэффициента усиления по напряже- нию.

Для повышения рабочего диапазона частот БТ необходимо:

уменьшать их геометрические размеры – ширину базы и площади попе- речного сечения переходов, уменьшая тем самым время пролета и емкости пе- реходов;

увеличивать скорость движения инжектированных носителей путем не- равномерного легирования базы (для создания дополнительного ускоряющего поля в ней), а также использования полупроводниковых материалов с большей подвижностью носителей (арсенид галлия, фосфид индия);

уменьшать сопротивление базы, используя в структуре БТ гетеропереход, в котором односторонняя инжекция из эмиттера в базу возможна при концен- трации примеси в базе большей, чем в эмиттере.

3.7. Упрощенная малосигнальная эквивалентная схема усилителя

Упрощенная эквивалентная малосигнальная схема усилителя на БТ с ОЭ по- казана на рис. 3.11. Основой ее является малосигнальная T-образная эквивалентная схема замещения БТ, которая дополнена сопротивлением нагрузки RН и источни-

ком переменного сигнала EС , имеющим внутреннее сопротивление R Г . В данной

схеме отсутствуют конденсаторы, моделирующие емкости эмиттерного перехода ввиду их малости. Коэффициент усиления по напряжению усилителя в области

средних частот определяется выражением

47

3.8. Практическое занятие

Цель:

1.Изучить основные математические модели биполярного транзистора (БТ).

2.Выполнить расчет дифференциальных h-параметров БТ по семейст- вам его ВАХ и параметров малосигнальной Т-образной эквивалентной схемы замещения.

3.С помощью пакета OrCAD исследовать влияние параметров Т-образной эк- вивалентной схемы замещения на частотные свойства транзистора.

Порядок выполнения задания:

1. Для заданного БТ с использованием пакета OrCAD построить семейства входных IБ = f (UБЭ ) и выходных IК = f (UКЭ ) ВАХ для схемы с ОЭ и рассчитать

его h-параметры в заданной рабочей точке IБ0 , UКЭ0 (табл. 3.1).

1.1.Для построения семейства входных ВАХ БТ со структурой n-p-n не- обходимо создать документ Schematics, содержащий схему, показанную на рис. 3.12, а. Для транзистора p-n-p-типа необходимо изменить полярность под- ключения источников напряжения на противоположную. В схеме использовать источники постоянного напряжения – VDC.

1.2.Установить параметры анализа DC Sweep, задав линейное изменение источника входного напряжения V1 = UБЭ от 0 до 0,9 В с шагом 0,01 В. Уста-

новить параметры анализа Parametric, задав изменение источника выходного напряжения V2 = UКЭ списком значений: 0, UКЭ0 и 2UКЭ0 .

Таким образом организованы два цикла вычислений. Внутренний задает изменение напряжения база – эмиттер UБЭ , а внешний – изменение напряже-

ния коллектор – эмиттер UКЭ .

1.3. Запустить выполнение анализа схемы. Вывести на экран графики за- висимостей IБ = f (UБЭ ) при UКЭ = const . Установить подходящий предел

графика по оси тока базы (IБ макс = 3IБ0 ). Пользуясь двумя электронными кур-

сорами программами Probe, рассчитать h-параметры БТ. Свести в таблицу в рабочей тетради координаты точек графика, по которым проводился расчет, а также полученные значения h-параметров.

Можно ли, пользуясь полученными графиками, рассчитать параметр h12э ? Почему?

1.4.Для построения семейства выходных ВАХ со структурой n-p-n необхо- димо создать другой документ Schematics, содержащий схему, показанную на рис. 3.12, б. Для транзистора p-n-p-типа необходимо изменить полярность подклю- чения источников на противоположную. Использовать источники постоянного тока

инапряжения – IDC, VDC.

1.5.Установить параметры анализа DC Sweep, задав линейное изменение ис-

точника выходного напряжения V1 = UКЭ от 0 до 2UКЭ0 с шагом 0,05 В.

48

Установить параметры анализа Parametric, задав изменение источника входного тока I1 = IБ списком значений 0,5IБ0 , IБ0 , 1,5IБ0 . Организовать два вычисли- тельных цикла. Внутренний цикл задает изменение напряжения коллектор- эмиттер UКЭ , а внешний цикл – изменение тока базы IБ .

Рис. 3.12

1.6. Запустить выполнение анализа схемы. Вывести на экран графики за- висимостей IК = f (UКЭ ) при IБ = const . Установить при необходимости тре-

буемые пределы графика по осям координат. Пользуясь двумя электронными курсорами программы Probe, рассчитать h-параметры. Свести в таблицу в ра- бочей тетради координаты точек графика, по которым проводился расчет, а также полученные значения h-параметров.

2. Рассчитать значения элементов малосигнальной Т-образной эквивалентной схемы БТ с ОЭ (см. рис. 3.3) и нарисовать ее в рабочей тетради.

2.1. Пользуясь выражениями (3.14)–(3.15), рассчитать значения парамет- ров rб , rк* . Значение rэ рассчитать по известному току эмиттера в рабочей точ-

ке IЭ ≈ IК .

2.2. С помощью (3.18), пользуясь данными прил. 3, по известному значению h21э на частоте f рассчитать значение предельной частоты коэффициента переда-

чи по току в схеме с ОЭ – fh 21э . Записать выражение для частотной зависимости

h&21э (f ). Рассчитать значение C*к по известному Cк (прил. 3).

2.3. Нарисовать в рабочей тетради эквивалентную схему БТ и подписать на ней значения всех элементов. Не включать в схему конденсаторы, моделирующие эмиттерный переход.

3. Пользуясь программой OrCAD, с помощью упрощенной эквивалентной малосигнальной схемы усилителя на БТ с ОЭ изучить влияние емкости конденса-

тора C*к на частотные зависимости его коэффициентов усиления по напряжению

Ku (f ) и току Ki (f ) .

3.1. Нарисовать в рабочей тетради упрощенную эквивалентную схему усили- теля на БТ (см. рис. 3.11), используя значения для EС , R Г и RН из табл. 3.1 и по-

лученную эквивалентную схему БТ. Рассчитать значение коэффициента усиления по напряжению в области средних частот (3.22).

49

3.2. Создать документ Schematics, содержащий эк- вивалентную схему усилите- ля, показанную на рис. 3.13.

Задать требуемые значения параметров элементов схе- мы. В качестве источника напряжения V1 использо- вать источник VAC, пред-

назначенный для расчета частотных характеристик (AC Sweep). В качестве ис- точника тока, моделирующе-

го усилительные свойства БТ, использовать управляе-

Рис. 3.13 мый источник тока (GLAPLACE) с частотно-

зависимой передаточной функцией. В качестве управляющего тока задать ток источника напряжения V1 – I(V1) (см. пример 12.10 в п. 12.20.4). Значение емкости конденсатора C1 определить с помощью глобального параметра {a}, используя элемент схемы Parameters (см. пример 12.2 в подразд. 12.8).

3.3. Установить параметры анализа AC Sweep, задав изменение частоты по декадам в диапазоне от 10 до 109 Гц, 10 точек на декаду. Установить параметры анализа Parametric, задав список значений глобального параметра {a}. В качестве элементов списка использовать следующие значения: 0,01C*к , C*к и 10 C*к .

50