Работа транзистора на малом переменном сигнале

Одним из важных свойств биполярного транзистора является усиление малых переменных сигналов. При этом в транзисторе протекают постоянные и малые по сравнению с ними переменные токи. Под малыми переменными напряжениями и токами будем понимать такие, при которых связь между ними остается линейной, как это было показано при рассмотрении перехода (5.86).

В отличие от стационарного режима на переменном сигнале в переходе протекают три переменные составляющие: диффузионная (полезная составляющая) (5.87), квазиемкостная, связанная с инерционностью установления неравновесной концентрации (пролет базы или диффузионной длины) (5.88), а также ток смещения (емкостной) зарядной емкости перехода. Последние два тока не создают транзисторного эффекта, но увеличивают модуль тока базы с ростом частоты. Это означает, что с увеличением частоты сигнала модуль коэффициента усиления переменного тока будет уменьшаться:

,

так как полезный диффузионный ток коллектора может только уменьшаться с ростом частоты. Кроме того, выходной ток коллектора будет запаздывать относительно входного тока эмиттера (схема ОБ) или входного тока базы (ОЭ). Временное запаздывание обусловлено инерционностью заряда зарядной емкости эмиттера , инерционностью пролета базы (заряд диффузионной емкости базы) и инерционностью перезаряда емкости коллекторного перехода .

С ростом частоты разность фаз между выходным и входным токами будет увеличиваться,

.

Рассмотрим каскад простейшего усилителя по схеме с общим эмиттером (рисунок 7.60). Пусть входной ток базы изменяется по следующему закону:

.

Тогда входное напряжение будет отставать по фазе во времени в связи с емкостным характером комплексного сопротивления эмиттерного p-n перехода (рисунок 7.60, б).

.

Рисунок 7.60 - Каскад усилителя (а) и векторная диаграмма тока базы (б)

Рисунок 7.61 - Векторные диаграммы токов в транзисторе: а – стационарный режим;

б – переменный сигнал

Ток эмиттера будет несколько опережать напряжение эмиттера по фазе, но отставать от тока базы. Прежде, чем начнется инжекция в базу, необходимо понизить потенциальный барьер эмиттера. Следовательно, требуется время на перезаряд зарядной емкости эмиттера, что и вызывает отставание по фазе тока эмиттера относительно тока базы. Ток коллектора будет отставать по фазе от вызвавшей его активной составляющей (дырочной) тока эмиттера. Это запаздывание обусловлено временем пролета базы, что очевидно, и временем перезаряда емкости коллекторного перехода. Ток в коллекторной цепи не может измениться, пока не изменится напряжение коллектор-база, т.е. пока не перезарядится базовым током емкость (рисунок 7.60, а). Постоянная времени перезаряда емкости коллектора в цепи коллекторного источника питания будет определяться выражением:

,

где – емкость Миллера, отражает факт заряда емкости не коллекторным током, а током основных носителей заряда – током базы, в В раз меньшим, чем ток коллектора, а следовательно, требуется в В раз больше времени. Для отражения этого факта и вводится емкость Миллера. В схеме эмиттерного повторителя емкость закорочена по переменному току на землю входа и не увеличивается в В раз.

Отражение фазовых сдвигов между токами в транзисторе осуществляется с помощью векторных диаграмм токов транзистора (рисунок 7.61). На одинаковых частотах сдвиг по фазе между выходным и входным токами в схеме с ОЭ всегда больше, чем в схеме с ОБ. Временные эпюры токов базы, эмиттера и коллектора отражены на рисунке 7.62.

Уменьшение модуля коэффициента усиления транзистора с ростом частоты описывается амплитудно-частотной характеристикой АЧХ, а рост фазы выходного тока относительно входного – фазочастотной характеристикой ФЧХ. Частота, на которой модуль коэффициента усиления уменьшается на три децибела (в раз), носит название граничной частоты в схеме с ОБ . Это приборная частота, определяющая диапазон частот, в котором может использоваться транзистор как усилительный элемент (рисунок 7.63). Кроме этих граничных частот для описания частотных свойств используют частоты единичного усиления в схеме ОЭ ( ), при которой модуль В равен единице, , а также максимальную частоту генерации ( ), при которой коэффициент усиления по мощности равен единице, .

Рисунок 7.62 - Временные эпюры токов Рисунок 7.63 - Амплитудночастотная (а) и

транзистора фазочастотная (б) характеристики транзистора

В зависимости от конструкции транзистора диапазон рабочих частот простирается от нуля до 200 ГГц. Мощные высоковольтные транзисторы, имеющие толстую базу и коллектор, большие площади переходов, а следовательно, зарядные емкости будут иметь низкую граничную частоту.

У маломощных транзисторов с гетеропереходом в качестве эмиттера с субмикронными толщинами базы и эмиттера максимальная частота генерации составляет сотни ГГц.