10.1 Частотні властивості біполярних транзисторів

 

Залежність параметрів БТ від частоти зумовлена інерційністю процесів дифузії неосновних носіїв у базі, а також впливом ємностей переходів і розподільного опору бази. Ці фактори обмежують частотний діапазон транзисторів. Наприклад, робочі частоти сплавних транзисторів не перевищують 20-30 МГц.

При низьких частотах період зміни напруги на ЕП значно більший за час прольоту неосновних носіїв через базу. Внаслідок цього градієнти концентрацій носіїв у базі біля емітера і колектора змінюються одночасно, і тому струм , та  синфазні, а коефіцієнти передачі струму  і  є дійсними величинами.

При зростанні частоти період зміни напруги на ЕП зменшується і стає сумірним з часом дифузії неосновних носіїв через базу. Це призводить до того, що струм колектора  відставатиме від струму емітера  за фазою (рисунок 10.1).

Крім того, оскільки впродовж півперіоду прямої напруги на ЕП максимальний згусток інжектованих до бази неосновних носіїв не встигає досягти колектора,  їх концентрація біля емітера буде меншою, ніж у базі. У базі виникає градієнт концентрації неосновних носіїв, який викликає їх рух у бік емітера і зменшення колекторного струму (рисунок 10.1). Отже, на високих частотах коефіцієнти передачі струму  та  набувають комплексного характеру і зменшуються за модулем при збільшенні частоти.

Рисунок 10.1 – Струми  та  БТ на високих частотах

 

Для ССБ коефіцієнт передачі струму емітера

,                                 (10.1)

де  - комплексний коефіцієнт передачі струму емітера;

, - комплексні амплітуди струмів емітера і колектора.

                Для транзисторів

.                                               (10.2)

Модуль колекторного коефіцієнта передачі БТ в ССБ

,                                              (10.3)

де  - значення коефіцієнта передачі струму на низьких частотах.

                Аргумент коефіцієнта

.                                      (10.4)

                З формули (10.3) випливає, що на частоті  . Частота, на якій модуль коефіцієнта передачі струму зменшується в  раза, називається граничною частотою БТ. З формули (10.4) бачимо, що на граничній частоті зсув фаз між вхідним і вихідним струмами дорівнює . Частотні характеристики БТ в ССБ показано на рисунку 10.2.

              Величину  називають сталою часу БТ в ССБ, і вона приблизно дорівнює середній тривалості дифузії неосновних носіїв через базу

                                ,                                                  (10.5)

де   - середня тривалість життя дірок у базі.

Рисунок 10.2 – Частотні характеристики БТ у ССБ

 

  

 

               Для ССЕ коефіцієнт передачі струму бази

.                                     (10.6)

                Модуль правої частини формули (10.6)

                .                                              (10.7)

                Аргумент

                                                                        (10.8)

             Частота  - це гранична частота БТ в ССЕ, при якій модуль комплексного    коефіцієнта     передачі струму     бази      зменшується в

 раза.

                При цьому граничні частоти транзистора зі спільною базою і спільним емітером мають такий зв’язок:

                                                               (10.9)

або

                .                                                              (10.10)

                З останніх формул випливає, що частотні властивості БТ у схемі зі спільним емітером значно гірші, ніж у схемі зі спільною базою. Для порівняння на рисунку 10.3 зображено частотні характеристики обох схем увімкнення.

Рисунок 10.3 – Частотні характеристики БТ в ССБ та ССЕ

 

                Причиною різкого зменшення  в ССЕ при збільшенні частоти  порівняно  з ССБ є не тільки зменшення коефіцієнта , а й насамперед збільшення зсуву фаз між струмами  та . На низьких частотах струму  та  приблизно збігаються за фазою (рисунок 10.4, а), і струм =- малий. На високих частотах збільшується зсув фаз між струмами  та , зростає струм бази  (рисунок 10.4, б), і тому зменшується коефіцієнт передачі .

Рисунок 10.4 – Векторні діаграми, що пояснюють зменшення модуля коефіцієнта передачі струму бази

 

                З рисунка  10.3 бачимо , що для схеми зі спільним емітером існує звана частота зрізу , на якій модуль  дорівнює одиниці:

                .                                                  (10.11)

                БТ має цікаву властивість: при частотах  добуток модуля  і частоти, при якій вимірюється модуль , є величина стала і дорівнює частоті зрізу

                                .                                                      (10.12)