Работа транзистора на высокой частоте

Свойства транзистора на высоких частотах удобно анализировать по рассмотренной схеме замещения. На работу биполярного транзистора вредное влияние оказывает емкостное сопротивление коллекторного перехода C_К. На низких частотах емкостное сопротивление этого перехода велико. Велико и сопротивление r_К, поэтому весь ток эквивалентного генератора идет через нагрузку, роль которой выполняет резистор R_Н.

С повышением частоты сопротивление начинает уменьшатся и при некоторой частоте часть тока, создаваемого генератором, начинает отделяться в емкость С_К и ток через R_Н начинает падать. Это явление равносильно уменьшению коэффициента усиления транзистора, т.к. полезная выходная мощность уменьшается с уменьшением тока нагрузки. Следовательно, с увеличением частоты уменьшается коэффициенты усиления a и B.

С увеличением частоты сопротивление также уменьшается, но влияние C_Э не проявляется так сильно, как влияние C_К. Это объясняется тем, что емкость C_Э зашунтирована r_Э (сопротивление эммиторного перехода), имеющим очень малую величину. Сопротивление начинает оказывать влияние на очень высоких частотах, где оно становится соизмеримым с r_Э. На этих частотах транзистор обычно не работает, т.к. емкость C_К почти полностью шунтирует генератор тока I_Г. Следовательно влиянием C_Э можно пренебречь.

Вторая причина, вызывающая уменьшение коэффициента усиления, является инерционность процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, в результате чего появляется запаздывание по фазе между изменением величин I_Э и I_К. Это запаздывание определяется временем переноса неосновных носителей через базу и зависит от её толщины.

Частота, на которой модуль коэффициента передачи уменьшается в корень из двух раз по сравнению с его значением на низкой частоте, называется граничной частотойf_ГР. Величина f_ГР для схемы с О.Б. определяется из соотношения

.

Коэффициент передачи тока эмиттера (a) зависит от частоты следующим образом

,

где – угловая граничная частота;

– мнимая единица.

Комплексное число, стоящее в знаменатели указывает, что изменение коэффициента передачи определяется физическими процессами, эквивалентными изменению комплексного (емкостного) сопротивления.

Модуль коэффициента передачи зависит от угловой частоты следующим образом:

.

Угол запаздывания по фазе между эмиттерным и коллекторным токами можно определить как

.

Чтобы охарактеризовать частотные свойства транзистора широко используются частотные характеристики; представляющие собой зависимость модуля коэффициента передачи a от частоты (АЧХ) и фазы Y(a) (ФЧХ) (рис.1.22). С увеличением частоты W увеличивается сдвиг по фазе Y, обусловленный влиянием инерционных процессов при прохождении неосновных носителей через базу и в конечном счете уменьшается коэффициент a. В схеме с общим эмиттером величина коэффициента передачи тока базы в более сильной степени зависит от частоты, что приводит к уменьшению граничной частоты в схеме с ОЭ.

Уменьшение коэффициента a происходит в результате того, что с повышением частоты ток коллектора отстает от тока эмиттера. Граничные частоты для схемы с ОБ и ОЭ связаны формулой:

,

где B0 – модуль коэффициента передачи тока базы при W = 0.

Граничная частота в схеме с ОЭ в (1 + B0) раз меньше чем в схеме с ОБ.