Свойства транзисторной схемы на высоких частотах

January 13, 2012 by admin Комментировать »

Усилители напряжения и эффект Миллера

До сих пор мы видели, что коэффициент усиления тока биполярного транзистора на высоких частотах падает из-за большой емкости база—эмиттер. Теперь необходимо рассмотреть емкость перехода коллектор—база. Поскольку величина СсЬ много меньше, чем СЬе (типичное значение СсЬ — 5 пФ), эта емкость (СсЬ) играет незначительную роль в поведении коэффициента усиления тока на высоких частотах, когда, по предположению, напряжение на коллекторе остается постоянным. Однако в усилителе напряжения потенциал коллектора колеблется, создавая выходной сигнал, и емкость С ь становится значительно более существенной, чем можно было представить себе на первый взгляд. Связанная с емкостью СсЬ проблема заключается в том, что эта емкость помещается между входом и выходом усилителя, и, как показано ниже, рассматриваемая со стороны входа, она выглядит как много большая емкость, чем она есть на самом деле.

На рис. 7.5, а показан усилитель с коэффициентом усиления напряжения —А; отрицательный знак указывает на обычный переворот фазы при прохождении сигнала со входа на выход. Конденсатор С включен между выходом и входом и представляет собой емкость обратной связи, которая имеется между коллектором и базой у биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и между стоком и затвором у полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком. Нас интересует эффективное значение емкости этого конденсатора, какой она видится со стороны входа усилителя (Cff на рис. 7.5, б). Значение Cff можно найти, предположив, что к входным клеммам прикладывается э.с. vbx и измеряется полный заряд q, который в результате втечет во входную цепь. Поскольку

имеем

Рис. 7.5. Эффект Миллера:

а — усилитель напряжения с емкостью С между входом и выходом; б — эквивалентная схема, в которой емкость С заменена на емкость СсВ (~ СА), включенную на входе.

Как следует из рис. 7.5, а, заряд q, запасенный в схеме, равен напряжению vc на конденсаторе С, умноженному на его емкость, то есть

Рис. 7.8. Более точная эквивалентная схема для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Входное сопротивление h.e разделено на две составляющие: гьь. и hfere. Показан также источник сигнала с его внутренним сопротивлением гбых.

Более точная эквивалентная схема, в которой входное сопротивление h.e разделено на hfe г и rbb показана на рис. 7.8, где видно, что гьь, включено последовательно с выходным сопротивлением генератора г ых. На высоких частотах суммарное сопротивление гвых + гш вместе с эффективной емкостью Ст образует фильтр нижних частот, который уменьшает сигнал по величине и вносит сдвиг фазы. 7?С-схемы такого типа подробно рассматриваются позднее в этой главе (разд. 7.7).

Суммируя сказанное, видим, что для получения хороших результатов на высоких частотах следует воспользоваться транзистором с малой емкостью база—эмиттер СЬе, с малой емкостью база—коллектор СсЬ и с малым внутренним сопротивлением базы rbb„ Небольшие физические размеры и применение технологии поверхностного монтажа, особенно внутри интегральных микросхем, способствуют тому, чтобы значения емкостей были малыми. Уже было отмечено, что емкость С^ обусловлена главным образом относительно медленным движением носителей в базе. Скорость носителей зависит от наличия электрического поля и подвижности носителя в полупроводниковом материале. Подвижность, по определению, — это скорость (м/с), которую приобретает носитель под действием поля единичной напряженности (1 В/м). В табл. 7.1 приведены значения подвижности электронов и дырок в кремнии (Si), германии (Ge) и арсениде галлия (GaAs) при комнатной температуре; единицы измерения — м/с на В/м.

Таблица 7.1. Подвижность носителей (м2с 1В 1).

 

Электроны

Дырки

Si

0,14

0,05

Ge

0,39

0,19

GaAs

0,55

0,05

Таким образом, можно ожидать, что лучшей частотной характеристикой в области высоких частот будет обладать «-/?-«-транзистор, у которого текущий сквозь базу ток образуется электронами, а не /?-и-/?-транзистор, у которого главными носителями являются менее подвижные дырки. Хотя в общем случае более предпочтительными являются кремниевые транзисторы из-за их малых токов утечки и простоты изготовления, интересно все же отметить, что германий является материалом, потенциально обеспечивающим большее быстродействие, тогда как замечательное быстродействие транзисторов из арсенида галлия (GaAs) обусловлено исключительно высокой подвижностью электронов.

Высокие частоты и эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель часто применяют в качестве выходного каскада, чтобы не испортить хорошую частотную характеристику в области высоких частот, когда сигналы передаются по кабелю. Как уже отмечалось в под- разд. 5.12.7, на высоких частотах происходит ослабление сигнала из-за шунтирующего действия емкости кабеля. Подключение кабеля через эмиттерный повторитель сводит к минимуму это ослабление в области высоких частот: источник с малым выходным сопротивлением может возбуждать колебания на нагрузке с большой емкостью без значительной потери в напряжении. Поэтому интересно посмотреть, как работает на высоких частотах сам эмиттерный повторитель.

Из гл. 5 нам уже известно, что самой важной характеристикой эмиттерного повторителя является не его коэффициент усиления по напряжению, который почти равен единице, а отношение его входного сопротивления к его выходному сопротивлению, равное коэффициенту усиления тока транзистора hfe.

Вот почему коэффициент усиления тока является главным фактором, определяющим качество эмиттерного повторителя, и только тогда, когда этот параметр уменьшается по величине на высоких частотах, результат преобразования входного и выходного сопротивлений ухудшается. Эмиттерный повторитель начинает существенно портиться на частотах выше «граничной» частоты транзистора Д., на которой коэффициент усиления тока

падает на 3 дБ, то есть в V2 раз.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты