Частотные свойства БТ

С повышением частоты усиление, даваемой транзисторами, снижается. Имеются две основные причины.

Во-первых, на высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода С_К.

Рассмотрим ее влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 5.16. На низких частотах сопротивление емкости С_К велико, сопротивление коллекторного перехода r_К также велико, причем обычно r_К >> R_Н, и можно считать, что весь ток aI_mЭ идет в

нагрузочный резистор, т.е. k_i » a.

Но на некоторой высокой частоте емкостное сопротивление становится сравнительно малым и через него ответвляется значительная часть тока, создаваемого генератором, а ток через R_Н соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются k_i, k_u, k_p, выходное напряжение и выходная мощность.

При стремлении частоты к бесконечности емкостное сопротивление 1/(wС_К) стремится к нулю, т.е. С_К создает короткое замыкание для генератора и весь его ток aI_mЭ пойдет через С_К, а в нагрузке ток вообще снизится до нуля. К подобному 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 r_Э, и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение 1/(wС_Э) получается одного порядка с r_Э.

Сущность влияния емкости С_Э состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление r_Э. 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 1/(wС_Э) стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость С_К, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода r_К, 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 a и b.

Во-вторых, на высоких частотах снижение усиления происходит за счет отставания по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, 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 t_ПР обычно составляет 10^-7с, т.е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень мало, 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 b.

Удобнее пояснить это явление с помощью векторных диаграмм, приведенных на рис. 5.17. Первая из них соответствует низкой частоте, например
1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как t_ПР составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах b имеет свое наибольшее значение b₀.

При более высокой частоте, например 1 МГц, запаздывание тока I_К на время t_ПР относительно тока I_Э вызывает заметный фазовый сдвиг j между этими токами. Теперь ток базы I_Б равен не алгебраической, а геометрической разности токов I_Э и I_К, и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток I_К еще не уменьшился за счет влияния емкости С_К, то коэффициент b все же станет заметно меньше b₀. На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастает, ток I_Б еще больше увеличится, а коэффициент b уменьшится.

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

Принято считать предельно допустимым уменьшение значений a и b на 30 % по сравнению с их значениями a₀ и b₀ на низких частотах.

Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т.е. на которых a = 0,7a₀ и b = 0,7b₀, называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно f_a и f_b. Поскольку b уменьшается гораздо сильнее, чем a, то f_b значительно ниже f_a. Можно считать, что

f_b » f_a / b. (5.81)

На рис. 5.18 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов a и b с повышением частоты, отложенной в логарифмическом масштабе. Для удобства - по вертикали отложены коэффициенты усиления в относительных единицах.