Частотні властивості

З підвищенням частоти підсилення, що здійснюється транзисторами, знижується. У цього явища дві головні причини. По-перше, на більш високих частотах позначається шкідливий вплив ємності колекторного переходу С_к. Простіше усього розглянути цей вплив на еквівалентній схемі з генератором струму, показаній для схеми з СБ на рис.6.5. На низьких частотах опір ємності С_к дуже великий, значення r_к також дуже велике (переважно r_к» R_н і можна вважати, що весь струм aI_mе йде в резистор навантаження, тобто k_і ≈ α. Але на деякій високій частоті опір ємності С_к стає порівняно малими і в неї відгалужується помітна частина струму, що створюється генератором, а струм через R_н відповідно зменшується. Отже, зменшуються k_i, k_u, k_р, вихідна напруга і вихідна потужність.

Якщо уявити собі, що частота прагне до нескінченності, то опір ємності 1/(wС_к) прагне до нуля, тобто С_к створює коротке замикання для генератора і весь його струм a I_mе піде через С_к, а в навантаженні струму взагалі не буде. До подібного ж результату можна прийти, якщо розглянути еквівалентну схему з генератором ЕРС.

Опір ємності емітерного переходу С_е також меншає з підвищенням частоти, але ця ємність завжди шунтована малим опором емітерного переходу r_е, і тому її шкідливий вплив може виявлятися тільки. на дуже високих частотах, при яких значення 1/(w _о С_е,) виходить одного порядку з r_е.

Суть впливу ємності С_е полягає в тому, що чим вище частота, тим менше опір цієї ємності, тим сильніше вона шунтує опір r_е. Отже, зменшується зміна напруги на емітерному переході, адже саме вона керує струмом колектора. Відповідно зменшується підсилення. Якщо частота прагне до нескінченності, то ємнісний опір С_е прямує до нуля і напруга на емітерному переході також знизиться до нуля. Практично на менш високих частотах ємність С_к, яка шунтована дуже великим опором колекторного переходу r_к, вже настільки сильно впливає, що робота транзистора на більш високих частотах, при яких могла б впливати ємність С_е стає недоцільною. Тому вплив ємності С_е в більшості випадків можна не розглядати.

Отже, внаслідок впливу ємності С_к на високих частотах зменшуються коефіцієнти підсилення a і значення I_к.

Друга причина зниження підсилення на більш високих частотах - це відставання за фазою змінного струму колектора від змінного струму емітера. Воно викликане інерційністю процесу переміщення носіїв через базу від емітерного переходу до колекторного, а також інерційністю процесів нагромадження і розсмоктування заряду в базі. Носії, наприклад електрони в транзисторі з електропровідністю типу n-p-n, здійснюють в базі дифузійне переміщення, і тому швидкість їх не дуже велика. Час пробігу носіїв через базу t_пр в звичайних транзисторах 10^-7 с, тобто 0,1 мкс і менше. Звичайно, цей час дуже невеликий, але на частотах в одиниці, десятки мегагерц і вище він співмірний з періодом коливань і викликає помітний фазовий зсув між струмами колектора і емітера. За рахунок зсуву на високих частотах зростає змінний струм бази, а від цього знижується коефіцієнт підсилення за струмом β.

Зручніше усього простежити це явище за допомогою векторних діаграм, зображених на рис.6.6. Перша з них відповідає низькій частоті, наприклад 1 кГц, на якій всі струми практично збігаються за фазою, оскільки t_пр складає незначну частину періоду коливань. На низьких частотах β має найбільше значення β ₀. При більш високій частоті, наприклад 1 МГц, запізнення струму I_к на час t_пр відносно струму I_е, викликає помітний фазовий зсув j між цими струмами. Тепер струм бази I_б рівний не алгебраїчної, а геометричної різниці струмів I_е і І_к і внаслідок цього він значно збільшився. Тому, навіть якщо струм I_к ще не зменшився за рахунок впливу ємності С_к, то коефіцієнт β все ж стане помітно менший β ₀. На ще більш високій частоті, наприклад 10 МГц, фазовий зсув зросте, струм І_б стане ще більшим, а коефіцієнт β зменшиться.

Таким чином, при підвищенні частоти коефіцієнт β зменшується значно швидше, ніж a. Коефіцієнт a знижується від впливу ємності С_к, а на значення b впливає ще і фазовий зсув між I_к і I_е, за рахунок часу t_пр пробігу носіїв через базу. Звідси ясно, що схема СЕ в порівнянні зі схемою СБ має значно гірші частотні властивості.

Прийнято вважати граничним допустимим зменшення значень α і β на 30% в порівнянні з їх значеннями a ₀ і β ₀ на низьких частотах. Ті частоти, на яких відбувається таке зниження підсилення, тобто на яких α = 0,7 a ₀, а β = 0,7 β ₀, називають граничними або граничними частотами підсилення для схем з СБ і з СЕ. Ці частоти позначають відповідно f_a і f_b. оскільки β зменшується набагато сильніше, ніж a, то f_b значно нижча за f_a. Можна вважати, що

f_b= f_a / β. (6.30)

На рис.6.7 зображений графік, який показує для деякого транзистора залежність коефіцієнтів α і β з підвищенням частоти, відкладеної в логарифмічному масштабі. Для зручності по осі ординат відкладені не α і β, а відносні величини α / α ₀ і β / β ₀.

Крім граничних частот підсилення f_a і f_b транзистор характеризується ще максимальною частотою генерації f_max, при якій коефіцієнт підсилення за потужністю k_p знижується до 1. Очевидно, що npи f < f_max, коли k_р > 1, можливе застосування даного транзистора в генераторі з самозбудженням. Але якщо k_p < 1, то генерації коливань вже не буде.

Іноді в розрахункових формулах зустрічається також гранична частота підсилення струму f_гр, яка відповідає β = 1, тобто при цій частоті транзистор в схемі з СЕ перестає підсилювати струм.

Потрібно зазначити, що на високих частотах змінюються не тільки значення f_a і f_b. Внаслідок впливу ємностей переходів і часу пробігу носіїв через базу, а також процесів нагромадження і розсмоктування заряду в базі на високих частотах змінюються власні параметри транзистора і вони вже не будуть чисто активними опорами. Змінюються також і всі інші параметри.

Покращання частотних властивостей транзисторів, тобто підвищення їх граничних частот підсилення f_a і f_b, досягається за рахунок зменшенням ємності колекторного переходу С_к і часу пробігу носіїв через базу t_пр. На жаль, зниження ємності шляхом зменшення площі колекторного переходу приводить до зменшення граничного струму, тобто до зниження граничної потужності.

Деяке зниження ємності С_к, досягається зменшенням концентрації домішки в колекторі. Тоді колекторний перехід стає товстіший, що рівноцінно збільшенню відстані між обкладинками конденсатора. Ємність зменшується, а, крім того, при більшій товщині переходу збільшується напруга пробою і це дає можливість підвищити потужність, яка розсіюється на транзисторі. Але зате зростає опір області колектора і в ній втрати потужності будуть більшими, що особливо небажано для потужних транзисторів. Для зменшення t_пр стараються зробити базу дуже тонкою і збільшити швидкість носіїв в ній. Але при більш тонкій базі доводиться знижувати напруги U_кб, щоб при збільшенні товщини колекторного переходу не стався «пробій бази». Електрони при дифузії мають більшу рухливістю, ніж дірки. Тому транзистори з електропровідністю типу n-р-п, при інших рівних умовах є більш високочастотними, ніж транзистори типу р-п-р. Більш високі граничні частоти можуть бути отримані при використанні напівпровідників, у яких рухливість носіїв вища. Збільшення швидкості пробігу носіїв через базу досягається також і в тих транзисторах, у яких в базі створене електричне поле, яке прискорює переміщення носіїв заряду. Більш детально про особливості побудови і роботи високочастотних транзисторів буде описано в наступному розділі.