Анализ и моделирование биполярных транзисторов

8. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

На низких частотах сопротивление емкости очень большое, также очень велико (обычно ) и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор, т. е. . Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются , , , выходное напряжение и выходная мощность.

Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопро­тивление емкости стремится к нулю, т. е. создает короткое замыкание для генератора и весь его ток пойдет через , а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.

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

Сущность влияния емкости С_э состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьша­ется эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то со­противление стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость С_э становится нецелесооб­разной. Поэтому влияние емкости С_э в большинстве случаев можно не рассматривать.

Итак, вследствие влияния емкости С_к на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления и .

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является
отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном), а также инерционностью процессов накоп­ления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзи­сторе типа n-p-n. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах 10^-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не­ большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току .

Рис. 8-2 Рис. 8-3.

Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.

Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов и при повышении частоты.

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах имеет свое наибольшее значение . При более высокой частоте, например 1 МГц, запазды­вание тока на время относительно тока вызывает заметный фазовый сдвиг между этими токами. Теперь ток базы равен не алгебраической, а геометрической разности токов и и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток еще не уменьшился за счет влияния емкости С_к, то коэффициент все же станет заметно меньше На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток еще больше увеличится, а коэффициент уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент уменьшается зна­чительно сильнее, нежели Коэффициент а снижается от влияния емкости С_к а на значение влияет еще и фазовый сдвиг между и за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по срав­нению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений и на 30% по сравнению с их значениями и на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых и , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Поскольку уменьшается гораздо сильнее, нежели , то значительно ниже . Можно считать, что

На рис. 8-3 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов и с повышением частоты, отло­женной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по верти­кальной оси отложены не сами и , а относительные величины и

Помимо предельных частот усиления и транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации , при которой коэффициент усиления по мощности снижается до 1. Очевидно, что при , когда , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если , то генерации колебаний уже не будет.

Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиле­ния тока . которая соответствует , т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изме­нение значений и , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах из­меняются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода С_к и времени пробега носителей через базу . К сожалению, сни­жение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности.

Некоторое снижение емкости С_к достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что рав­ноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость умень­шается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напря­жение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

35

Похожие работы

Математическое моделирование биполярных транзисторов типа p-n-p

Скачать

21943

0

0

... САПРа затраты машинного времени на определение нелинейных функций, описывающих различные полупроводниковые приборы составляют значительную часть общих затрат времени. 1.    Проблема математического моделирования биполярных транзисторов Под моделированием понимается описание электрических свойств полупроводникового устройства или группы таких устройств, связанных между собой, с помощью ...

Идентификация параметров математических моделей биполярных транзисторов КТ209Л, КТ342Б и полевого транзистора КП305Е

Скачать

40899

6

39

... к модификации межэлектродных ёмкостей, а также режим работы транзистора – режимы большого или малого тока коллектора (проявление эффекта Кирка). Необходимо и достаточно параметры математической модели биполярных транзисторов описываются 8-ю характеристиками: Зависимостью напряжения на переходе эмиттер-база Uбэ в режиме насыщения от тока коллектора (желательно иметь диапазон изменения тока ...

Определение параметров модели биполярного транзистора в программе OrCAD 9.2

Скачать

47493

1

33

... параметров модели транзистора, зависимости этих параметров от температуры и конструкции, рассмотрены методы экстракции параметров модели из экспериментальных характеристик. Анализ PSpice модели БТ показал, что наряду с достоинствами этой модели есть и существенные недостатки. В целом модель биполярного транзистора в PSpice может с высокой точностью и в широком диапазоне напряжений, токов и ...

Модель биполярного транзистора

Скачать

16842

23

4

... генератора тока базы в прямом (23) в инверсном (24) включениях; - проводимость GC – проводимость генератора тока коллектора в прямом и инверсных включениях (25) Шумовая модель биполярного транзистора При анализе частотных зависимостей передаточных характеристик в рамках анализа по переменному току линейных (усилительных) ИС может проводиться и анализ шумовых ...