Амплитудные фазочастотные зависимости биполярных транзисторов

Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее, чем за время диффузии носителей через базу, определяемое как D =W*L P /D. Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током в эмиттерной и коллекторной цепях.

Биполярный транзистор в схеме с общей базой Пусть в эмиттерной цепи от генератора тока в момент времени t = 0 подали импульс тока длительностью Т, большей, чем время диффузии D. Ток в коллекторной цепи появится только через время D, причем вследствие распределения по скоростям в процессе диффузионного переноса фронт импульса будет размываться в пределах некоторого временного интервала t 1. Через время D + t 1 в коллекторной цепи установиться ток, равный 0 I э. Через время t = Т, когда импульс тока в эмиттерной цепи закончится, в коллекторной цепи будет продолжать течь ток 0 I э до времени Т+ D.

Затем, также вследствие размытия фронта импульса, коллекторный ток будет спадать до нуля в течение времени t 1.

Будем уменьшать период эмиттерного тока. При некоторой длительности эмиттерного импульса «плоского» участка на коллекторном токе I K = I Э уже не будет. Таким образом, при больших длительностях импульсов эмиттерного тока частота сигналов в коллекторной цепи останется неизменной, амплитуда коллекторного тока составит I K = I Э и будет наблюдаться сдвиг фаз между эмиттерным и коллекторным токами. В общем случае определяется как =arctg( D /2 ).

При дальнейшем уменьшении периода эмиттерного импульса Т начнет уменьшаться амплитудное значение коллекторного тока, поскольку за это время инжектированные носители не успевают дойти до коллекторного перехода. Это соответствует возникновению частотной зависимости амплитудного значения коэффициента передачи ( ) – или амплитудной фазо-частотной зависимости. Величина ( ) – комплексная и опреде-ляется модулем и фазой. Зависимость (ω) возникает вследствие инерционности перено-са носителей от эмиттера к коллектору.

Чтобы охарактеризовать и вводится понятие предельной (граничной) частоты усиления по току. Предельная частота – это частота, при которой модуль коэффициента передачи уменьшается в раз по сравнению со статическим значением 0. то основное значение в зависимости ( ) играет зависимость коэффициента переноса от частоты ( ). Поскольку коэффициент передачи определяется произведением коэффициентов инжекции и переноса = *,

Для определения частотной зависимости коэффициента переноса ( ) нужно решить уравнение непрерывности. В комплексной форме выражение для этой зависимости, может быть записано так Используя это соотношение, можно получить выражение граничной частоты через конструктивно-технические параметры БТ:

С учетом этого выражения для граничной частоты ω α соотношение для комплексного значения коэффициента переноса преобразуется к следующему виду:

Графическая зависимость модуля коэффициента переноса и угла фазового сдвига приведена на следующем рисунке

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером Коэффициент передачи эмиттерного тока α и коэффициент передачи базового тока β связаны соотношением: Для нахождения связей частотных параметров БТ в схеме с общей базой и в схеме с общим эмиттером рассмотрим векторные диаграммы для токов.

При малой частоте ω

При значении частоты эмиттерного тока, равной граничной частоте ω = ω α, в схеме с общей базой коллекторный ток в 2 1/2 раз меньше эмиттерного тока. На векторной диаграмме (б) видно, что при фазовом сдвиге = 60 0 величина базового тока I б также равна разности I э - I к, но в этом случае речь идет о векторной разности. Модуль же значения базового тока I б при ω = ω α значительно больше, чем при ω = 0. При этом видно, что величина коэффициента передачи базового тока β = I к /I б при ω = 0 значительно больше, чем при ω = ω α. Если модуль коэффициента передачи эмиттерного тока α(ω) уменьшился при этом в 2 1/2 раз, то модуль коэффициента усиления базового тока β(ω) уменьшился существенно больше.

Определим предельную частоту ω усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером как частоту ω β, при которой модуль коэффициента усиления β(ω β ) уменьшается в раз по сравнению со статическим значением β 0 Найдем соотношение между предельной частотой для схемы с общим эмиттером ω β = β(ω)/β 0 = 1/(2 1/2 ) и предельной частотой для схемы с общей базой ω α = α(ω)/α 0 = 1/(2 1/2 ). Проанализировав векторную диаграмму токов при условии, что ω = ω β, получим:

Частоты ω α и ω β могут быть выражены через физические параметры транзистора: Величина ω β ω α /β, а значение β равно β = (1/2)(L/W) 2, тогда Для описания частотной зависимости β(ω) подставим в выражение для β частотно- зависимый коэффициент переноса α(ω). Получим:

Частотная зависимость модуля коэффициен- тов передачи по току в схеме ОБ - α и ОЭ – β: