4.9. Частотные свойства транзисторов

С повышением частоты усиление транзистора снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах влияет барьерная емкость коллекторного перехода С_бк. Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис.4.19. На низких частотах сопротивление емкости С_бк очень большое, r_к также очень велико (обычно r_к » R_н) и можно считать, что весь ток αI_Э идет в нагрузочный резистор, т. е. K_I ≈ α. Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через R_н соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются K_I , K_U и K_P, выходное напряжение и выходная мощность.

Емкость эмиттерного перехода С_ДЭ также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода r_Э, и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение 1/(ωС_ДЭ) получается одного порядка с r_Э .

Рис. 4.19. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений α и β на 30% по сравнению с их значениями α₀ и β₀ на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых и , называют предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно f_α и f_β.

Поскольку β уменьшается гораздо сильнее, нежели α, то f_β значительно ниже f_α. Можно считать, что:

f_β = f_α /(β+1). (4.44)

На рис. 4.20 изображен примерный график, показывающий уменьшение коэффициентов α и β с повышением частоты.

Рис. 4.20. Уменьшение коэффициентов α и β при повышении частоты

В справочниках приводится также граничная частота усиле­ния тока f_гр, которая соответствует |K_I| = 1, т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

4.10. Импульсный режим транзисторов

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных ха­рактеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки R_к (рис.4.21).

Рис. 4.21. Импульсная схема с ОЭ

Соответственно этому на рис. 4.22 построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения тран­зистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки), что соответствует точке Q₁. В цепи коллектора проходит малый ток I_КЭ0, и, следова­тельно, эту цепь приближенно можно считать ра­зомкнутой. Напряжение источника Е_К почти все полностью приложено к транзистору.

Если на вход подан импульс тока I_Бmax , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке Q₂. Получается импульс тока коллектора I_Кmax, очень близкий по значению к E_К /R_К. Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника Е_К падает на R_К, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения U_{КЭ нас}.

Рис. 4.22. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик

Хотя напряжение U_КЭ в точке Q₂ не изменило свой знак, но на самом кол­лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка Q₂ действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на примере. Пусть имеется кремниевый п - р - п транзистор и U_{КЭ нас} = 0,2 В, а напряжение на базе U_БЭ = 0,7 В. Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение U_КБ = 0,2 - 0,7 = - 0,5 В, т. е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,5 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше I_Бmax , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх I_Бmax практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора:

I_Кmax ≈ Е_К /R_К . (4.45)

Помимо I_Кmax, I_Бmах и U_КЭнас импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от β определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке Q₂:

B= I_Кmax / I_Бmax <β. (4.46)

На рис. 4.23 показаны графики импульсов входного тока прямоугольной фор­мы и импульса выходного тока при включении тран­зистора по схеме ОЭ. Как видно, импульс коллек­торного тока начинается с запаздыванием на время t₃ (время задержки),

Рис. 4.23. Формы импульсов транзистора

что объясняется конечным временем пролета носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени t_ф (длительности фронта), составляющего заметную часть τ_и . Такое посте­пенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время t₃ + t_ф явля­ется временем включения t_вкл. После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток I_K продолжается некоторое время t_р (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение вре­мени спада t_с. Время t_р + t_с есть время выключения t_выкл. В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и рас­тянут во времени по сравнению с входным импульсом.

На рис. 4.23 показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения I_Б = I_Э — I_К.

Импульсные транзисторы для работы с короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу.