2.3. Переходные и частотные характеристики биполярных транзисторов

Инерционность транзистора при быстрых изменениях входного тока обусловлена процессами накопления и рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе. Продолжительность указанных процессов определяет частотные характеристики и зависит от варианта включения БТ (с общей базой или с общим эмиттером).

Вклад барьерной емкости эмиттерного перехода в инерционность транзистора сказывается лишь в микротоковом режиме и его несложно оценить. Влияние коллекторной барьерной емкости будем учитывать при рассмотрении конкретных схем усилительных каскадов.

Процессы в базе при включении об

Для транзистора, включенного по схеме ОБ, при нулевом эмиттерном токе в коллекторе протекает незначительный ток термогенерации, которым можно пренебречь (рис. 2.5,а). Если в некоторый момент времени задать скачком ток эмиттера I_э, то инжектированные электроны с наибольшей скоростью диффузии, распространяясь в глубь базы, через время задержки t_з начнут достигать коллектора. Носители, попавшие в базу одновременно, из-за существенного разброса скоростей доходят до коллектора за разное время. В результате коллекторный ток нарастает по экспоненциальному закону за время (с длительностью фронта) t_ф.

В интервале t_з, когда еще нет коллекторного тока, ток базы равен току эмиттера. Затем, по мере нарастания коллекторного тока, ток базы уменьшается до установившегося значения (1–)I_э. Получается ха-рактерный выброс (импульс) базового тока, причем его амплитуда только в случае бесконечно крутого перепада входного тока i_э.

а

б

Рис. 2.5

При постоянном заданном токе эмиттера функцию i_к(t) удобно записать в виде

i_к(t) = (t)I_э ,

где – переходная характеристика коэффициента передачи тока с установившимся низкочастотным значением . Соответствующую постоянную времени переходного процесса в схеме ОБ обозначим , именно она определяет скорость нарастания экспоненциальной функции

. (2.10)

Одновременно с коллекторным током нарастает избыточный заряд неосновных носителей (электронов) в базе . Если ввести понятие средней скорости диффузии неосновных носителей в базе, то с учетом ширины базы находится усредненное значение времени пролета электронов через базу t_пр, причем для принятой функции постоянная времени .

Установившееся значение избыточного заряда в базе соответственно равно произведению заданного тока эмиттера на постоянную времени

. (2.11)

При реальной задержке открывания транзистора можно принять

;

.

С помощью преобразования Фурье с учетом (2.10) можно получить комплексную частотную характеристику транзистора (рис. 2.6,а)

, (2.12)

а с учетом времени задержки –

, (2.13)

где – угловая граничная частота; –

низкочастотное (установившееся) значение. Амплитудно-частотная характеристика (рис. 2.6,а) рассчитывается как модуль функции (j)

. (2.14)

Особенность АЧХ c учетом времени состоит в более пологом спаде при (кривая 2 на рис. 2.6).

0,01

0,1

1,0

10

/_

2

1

1

2

/_

а

б

Рис. 2.6

Фазочастотная характеристика соответственно имеет вид (кривая 1 на рис. 2.6,б)

, (2.15)

при этом . С учетом времени задержки t_з имеем:

, (2.16)

когда а = –59^о (кривая 2 на рис. 2.6,б).