Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы8

Лекция 8. Частотные свойства биполярных транзисторов. Работа БТ в ключевом режиме. Переходные процессы.

Содержание:

• Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах

• Предельная частота при включении с общей базой

• Предельная частота при включении с общим эмиттером

• Граничная частота

• Статические характеристики БТ в ключевом режиме

• Процесс включения коллекторного тока. Время задержки и время фронта

• Процесс выключения коллекторного тока. Время рассасывания и время спада

• Импульсные БТ с диодом Шоттки

Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах. Физические процессы в БТ протекают не мгновенно. Когда частота сигнала становится соизмеримой со временем протекания основных физических процессов (время пролета носителей через базу, времена перезарядки емкостей р-n переходов), усилительные свойства БТ ухудшаются. Для анализа работы транзистора с высокочастотными сигналами используются динамические модели, отличающиеся от статических учетом влияния емкостей переходов. При этом барьерные емкости переходов описывают процессы, аналогичные перезаряду обычных конденсаторов, а диффузионные емкости, обусловленные накоплением и рассасыванием неравновесных носителей, одновременно учитывают и конечную скорость их перемещения.

Предельная частота при включении с общей базой. Конечное время перемещения неосновных неравновесных носителей заряда через базу приводит к отставанию по фазе тока коллектора от тока базы, поэтому коэффициент прямой передачи тока эмиттера становится комплексным:

, (8-1)

где и - комплексные амплитуды тока коллектора и тока эмиттера соответственно.

Если обозначить ₀ коэффициент прямой передачи на низкой частоте, то аппроксимация частотной зависимости с помощью звена первого порядка может быть представлена в виде:

(8-2)

где j – мнимая единица,

f – частота сигнала,

f_ – предельная частота БТ в схеме с общей базой.

Из формулы 8-2 найдем модуль и аргумент  комплексного коэффициента передачи

, (8-3)

. (8-4)

Зависимости модуля и аргумента коэффициента прямой передачи тока эмиттера от частоты приведена на рис. 8-1.

Графики (рис. 8-1) демонстрируют снижение модуля коэффициента прямой передачи и увеличение запаздывания по фазе коллекторного тока от тока эмиттера с ростом частоты сигнала. На предельной частоте модуль коэффициента прямой передачи уменьшается в раз, а запаздывание по фазе составляет 45.

Предельная частота f_ позволяет судить об усилительных свойствах БТ в схеме с ОБ.

Предельная частота при включении с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером усилительные свойства БТ определяются комплексным коэффициентом прямой передачи тока базы:

, (8-5)

где и - комплексные амплитуды тока коллектора и тока базы соответственно.

Для перехода к схеме с общим эмиттером выразим через :

. (8-6)

Подставляя (8-2) в формулу (8-6), получим

. (8-7)

Преобразуем формулу (8-7), введя коэффициент прямой передачи тока базы на низкой частоте и предельную частоту в схеме с ОЭ f_β = f_ (1 – ₀):

. (8-8)

Формула (8-8) имеет такой же вид, как и (8-2), но частота f_β в десятки – сотни раз ниже f_ . Действительно, , и формула для f_β принимает вид:

. (8-9)

Но у большинства БТ β₀ составляет десятки – сотни.

Графики зависимости модуля и аргумента комплексного коэффициента передачи тока базы от частоты имеют такой же вид, как на рис. 8-1 с заменой f_ на f_β. Заметим, что спад модуля происходит на гораздо более низкой частоте, чем спад модуля .

Граничная частота. Для характеристики частотных свойств БТ часто используют граничную частоту. Граничная частота f_ГР – это частота сигнала, на которой модуль коэффициента передачи тока базы равен единице. Уравнение для граничной частоты получим из ее определения:

, откуда .

Пренебрегая единицей по сравнению с и используя формулы и f_β = f_ (1 – ₀), получим f_ГР = ₀ f_ . С учетом того, что ₀  1, можно считать, что граничная частота практически равна предельной частоте в схеме с ОБ:

f_ГР  f_ . (8-10)

Часто в справочных данных приводится модуль коэффициента передачи тока базы на высокой частоте f. Под высокой понимают частоту f, удовлетворяющую условию f_β << f < f_ГР. При этом условии граничная частота может быть легко вычислена по формуле

f_ГР = f . (8-11)

Для описания частотных свойств БТ также используются:

• максимальная частота генерации f_max, на которой коэффициент усиления по мощности Kp = 1;

• постоянная времени цепи обратной связи r_Б' C_К.

Статические характеристики БТ в ключевом режиме. БТ широко используются в электронной технике в качестве транзисторных ключей. Задача ключа – обеспечить максимальное напряжение на нагрузке в открытом состоянии и минимальный ток нагрузки в закрытом.

Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном n-p-n транзисторе (рис. 8-2). Ток базы I_Б создается подачей положительного напряжения U_Б на резистор R_Б (). Напряжение U_БЭ кремниевого транзистора в открытом состоянии составляет приближенно 0,7 В. Ток базы вызывает появление тока коллектора I_К, протекающего через сопротивление нагрузки R_К. В открытом состоянии ключа на самом транзисторе напряжение U_КЭ должно быть как можно меньшим, что соответствует режиму насыщения.

Если ток базы равен нулю, то транзистор находится в режиме отсечки, и через сопротивление нагрузки протекает незначительный ток утечки, равный I_КБ0(В + 1). Такое состояние транзисторного ключа является закрытым.

Для анализа транзистора в ключевом режиме построим нагрузочную прямую на семействе выходных ВАХ БТ в схеме ОЭ (рис. 8-3). Из рисунка видно, что существует некоторый минимальный ток базы I_БГ, называемый граничным током базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения. При меньших токах базы I_Б < I_БГ транзистор находится в активном режиме (I_Б1, I_Б2, I_Б3 на рис. 8-3). При бóльших токах базы I_Б > I_БГ транзистор остается в режиме насыщения. Граничный ток базы можно вычислить, зная коллекторный ток насыщения I_КН  по формуле , справедливой для активного режима. Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения U_КЭН обычно составляет десятые доли вольта и слабо зависит от тока базы.

Очевидно, что для перевода транзистора в режим насыщения требуется подать ток базы, превышающий граничный ток. Характеристикой, показывающей, во сколько раз ток базы превышает граничный ток, является глубиной насыщения:

(8-12)

Процесс включения коллекторного тока. Время задержки и время фронта. Подадим на вход транзисторного ключа ступеньку напряжения U_Б >> U_БЭ. При этом ток базы тут же увеличится от 0 до (рис. 8-4 (а)). Проследим за изменением тока коллектора (рис. 8-4 (б)). Коллекторный ток появляется с задержкой t_з. Время задержки t_з обусловлено тем, что электронам, инжектированным из эмиттера в базу, требуется некоторое время для пролета к коллекторному переходу. Далее в течение промежутка времени t_ф происходит практически экспоненциальный рост тока коллектора до достижения им тока насыщения I_КН. t_ф называется временем фронта и отсчитывается обычно между уровнями тока коллектора 0,1 I_КН и 0,9 I_КН. Время фронта обусловлено процессом накопления неосновных неравновесных носителей в базе и зависит от глубины насыщения s. Время фронта пропорционально времени жизни неосновных неравновесных носителей в базе _Б и уменьшается с ростом глубины насыщения. Емкость коллектора также увеличивает t_ф.

Процесс выключения коллекторного тока. Время рассасывания и время спада. Рассмотрим теперь процессы, происходящие при выключении транзисторного ключа. Когда напряжение на входе ключа U_Б скачком обращается в ноль или принимает отрицательное значение, ток базы прекращается не сразу. Накопленные в режиме насыщения неравновесные носители создают ток базы, имеющий теперь противоположное направление (рис.8-5 (а)). В процессе рассасывания транзистор все еще остается в режиме насыщения в течение времени рассасывания t_р, при этом ток коллектора практически остается постоянным и равным току насыщения: I_К = I _КН (рис. 8-5 (б)). Во время t_р концентрация неосновных неравновесных зарядов в базе уменьшается практически равномерно и достигает нуля сначала около коллекторного перехода. Поэтому по истечении времени рассасывания транзистор переходит в активный режим. После окончания процесса рассасывания начинается спад коллекторного тока. При этом вблизи эмиттерного перехода все еще сохраняется некоторый заряд неравновесных носителей, который уменьшается за счет как за счет рекомбинационных процессов в базе, так и за счет их вытекания из базы. Этот процесс происходит за время спада t_сп (рис. 8-5 (б)). В результате эмиттерный переход также смещается в обратном направлении и ток коллектора прекращается. Время рассасывания пропорционально времени жизни неосновных носителей в базе _Б и растет с увеличением глубины насыщения s.

Импульсные БТ с диодом Шоттки. Быстрое включение и выключение транзисторного ключа накладывают на глубину насыщения противоположные требования. С ростом глубины насыщения s время фронта уменьшается, но при этом увеличивается время рассасывания при выключении. Дело в том, что по достижении коллекторным током насыщения процесс накопления неравновесных носителей в базе не прекращается, причем инжекция происходит как из эмиттерного, так и из коллекторного переходов (оба перехода имеют прямое смещение). Задача состоит в том, чтобы не допустить дальнейшего накопления неравновесных носителей в базе после перехода транзистора в режим насыщения. Достаточно эффективным вариантом решения этой проблемы является использование БТ с диодом Шоттки (рис. 8-6). Вариант биполярного транзистора с диодом Шоттки принято называть транзистором Шоттки. Современная технология изготовления интегральных схем позволяет достаточно легко осуществить такое сочетание.

Поскольку напряжение коллекторного перехода кремниевого транзистора в режиме насыщения  0,7 В, а диода Шоттки (0,2…0,4) В, то смещенный столь малым прямым напряжением коллекторный переход практически не вызывает инжекции неравновесных носителей, уменьшая тем самым время рассасывания t_р.