Факторы, ограничивающие использование транзисторов на высоких частотах
С ростом частоты действующих в биполярном транзисторе токов и напряжений электрические параметры транзистора, характеризующие его свойства, становятся комплексными. Это сказывается в первую очередь на ухудшении его усилительных свойств – эффективности управления выходным током посредством изменения электрического режима входной цепи. Уменьшается с увеличением частоты модуль коэффициента передачи тока транзистора, появляются амплитудные и фазовые искажения трансформируемых колебаний.
Основными факторами, влияющими на работу транзистора на высоких частотах являются: конечное время перемещения носителей заряда в базе, которое становится соизмеримым с периодом высокочастотных колебаний, и емкости переходов, оказывающие влияние на полное сопротивление
переходов. Кроме того, с возрастанием частоты начинают сказываться распределенные емкости и индуктивности электрических выводов транзистора, потери в диэлектриках, поверхностный эффект, потери на излучение и пр.
Так,если время пролета носителей через базу значительно меньше периода колебаний переменного напряжения на эмиттерном переходе, то изменения распределения концентрации избыточных носителей в базе успевают следовать за изменением напряжения на переходе.
При уменьшении периода колебаний, т.е. при увеличении скорости изменения напряжения на эмиттерном переходе, распределение концентрации избыточных носителей в базе перестает соответствовать мгновенным значениям напряжения, так как распределение концентрации устанавливается в течение некоторого времени, обусловленного диффузией носителей заряда в базе, их накоплением и рассасыванием.
Иными словами, на высоких частотах установление распределения, концентрации запаздывает по отношению к распределению, соответствующему мгновенным значениям напряжения, а это вызывает изменения амплитуды и фазы выходного тока.
Емкости переходов, включенные параллельно их активным сопротивлениям, обусловливают появление емкостных токов через переходы и появлению дополнительных фазовых сдвигов. Наибольшее влияние на частотные свойства транзистора в наиболее употребительном активном режиме оказывает барьерная емкость закрытого коллекторного перехода, которая в зависимости от частоты может иметь сопротивление, соизмеримое с активным сопротивлением коллекторного перехода.
Барьерная емкость эмиттерного перехода в активном режиме обычно значительно меньше его диффузионной емкости, учитывающей процесс накопления и рассасывания носителей заряда в базе, поэтому ею по сравнению с диффузионной, как правило, пренебрегают.
На рис.1 показаны иллюстрирующие рассмотренные выше процессы векторные диаграммы действующих в транзисторе токов и напряжений соответственно на низкой частоте (а) и высокой частоте (б), когда период колебаний соизмерим с временем пролета носителями заряда базы
транзистора. На низкой частоте все векторы токов совпадают по направлению с вектором напряжением эмиттерного перехода 
. На высокой частоте вектор тока эмиттера 
опережает вектор напряжения из-за влияния диффузионной емкости эмиттерного перехода, вектор тока коллектора 
из-за конечности времени пролета носителей через базу отстает по фазе от вектора тока эмиттера на угол 
, а вектор тока базы 
, который определяется геометрической разностью токов эмиттера и коллектора, оказывается сдвинутым относительно тока коллектора на угол 
> . Кроме того, из векторной диаграммы следует, что амплитуда тока базы нарастает при увеличении угла даже в том случае, если амплитуда тока коллектора не изменяется. Уменьшение амплитуды тока коллектора с ростом частоты способствует еще большему увеличению амплитуды тока базы. Отсюда следует, что схемы включения транзистора — с общей базой и общим эмиттером, усилительные свойства которых достаточно полно оцениваются оцениваются коэффициентами передачи соответственно тока эмиттера и тока базы будут иметь различные частотные свойства.
5.1.4. Параметры полевых транзисторов
Значение параметров определяется в пологой части выходной характеристики, там где выбирается рабочая точка. К ним относятся следующие: крутизна характеристики S, коэффициент усиленияКU, внутреннее диффференциальное сопротивлениеRi.
1. Крутизна характеристики рассчитывается из соотношения
. (5.11)
Крутизна характеристики показывает, на сколько мА увеличивается ток стока Ic при изменении напряжения затвора на 1 В. Для определения крутизныSследует продифференцировать выражение (5.6) для входной характеристики
:
,
где 
– максимальное значение крутизны приUзи=0,
Следовательно, выражение для крутизны имеет вид
. (5.12)
Пример. По формуле (5.12) рассчитать значение крутизны S при Uзи= –2 В, если Ic max=5 мА, Uотс= –5 В.
Сначала рассчитаем 
.Следовательно,
. Таким образом, при увеличении по абсолютной величине напряжения на затворе значение крутизны характеристики уменьшается.
2. Коэффициент усиления КUполевого транзистора характеризует изменение напряжения на стокеUсив зависимости от изменения напряженияUзина затворе транзистора и определяется из соотношения
. (5.13)
3. Внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление полевого транзистора Ri характеризуется сопротивлением канала в области насыщения и определяется из соотношения
. (5.14)
. (5.15)
Действительно, 
. ПолагаяS=0,1…5мА/В,Ri=10 2 кОм, для величиныμполучаем значения от 10 до 500.
5.1.5. Частотные свойства полевых транзисторов
Частотные свойства полевых транзисторов являются количественной характеристикой их быстродействия. Для оценки частотных свойств транзистора рассмотрим малосигнальную эквивалентную схему полевого транзистора при подаче на его вход переменного сигнала высокой частоты (рис. 5.10).
Н
а этой схеме:Сзи≈1…5 пФ – входная емкость затвор-исток;Сзс≈0,2 пФ – проходная емкость затвор-сток;Сси≈2…5 пФ – выходная емкость сток-исток;Ri≈0,1…1 МОм – внутреннее сопротивление транзистора;SUзи– генератор токаIсв цепи стока.
Быстродействие ПТ с затвором в виде р-nпереходов обусловлено зарядкой барьерных емкостейСзизатворныхр-nпереходов через сопротивление каналаRi. Постоянная времени затвора
Граничная частота усиленияωгр=1/τз= (Сзи·Ri) -1 — это значение частоты, на которой коэффициент усиления полевого транзистораКU=1. Подставляя в это выражение значениеRi=КU /S, гдеКUпринято равным единице, получим:
, или 
. (5.16)
Пример. Рассчитать граничную частоту fгр полевого транзистора с крутизной S=5 мА/В и емкостью Сзи=5 пФ:
.
Для ПТШ транзисторов, в которых емкость Сзимала, физически достижимое быстродействие определяется временем пролётаtпрносителей заряда через канал длинойLкполевого транзистора. Время пролёта определяется соотношением
, гдеvдр– скорость дрейфа носителей в электрическом поле с напряженностьюЕ.
Величину времени пролёта можно оценить из выражения для подвижности носителей заряда, например, электронов, μn:
,
где Uси– напряжение, приложенное к каналу.
Отсюда, время пролета равно
,
а граничная частота 
(5.17)
Пример. Рассчитать граничную частоту полевого транзистора, если μn=0,8 м 2 /В·с, Ucи=5 В, Lк=5·10 -6 м.
.
Таким образом, реальная граничная частота усиления полевого транзистора значительно ниже физически достижимой граничной частоты. Это связано с наличием паразитной входной емкости транзистора Сзи и высоким сопротивлением канала.
Физические ограничения предельной частоты полевого транзистора
В полевых транзисторах ток через канал и процесс управления этим током связаны с перемещением основных носителей заряда. Поэтому быстродействие полевых транзисторов ограничивается лишь временем процессов перераспределения основных носителей заряда в объеме полупроводника и временем их пролета через области пространственного заряда.
Из анализа работы транзистора следует, что значение крутизны связано с сопротивлением канала
Граничная частота может быть выражена, как
. (2)
Физический смысл этого выражения заключается в том, что быстродействие транзистора связывается с перезарядкой емкости СЗК через сопротивление канала, происходящей с постоянной времени rК0СЗК.
Эквивалентная схема полевого транзистора на ВЧ
Эквивалентная схема полевого транзистора, используемая для описания его свойств на ВЧ (на частоте до 300-400 MГц) показана на рис.1.
Цепь из последовательно соединенных сопротивления канала и емкости между затвором и каналом отражает инерционность транзистора. Управляющее генератором тока стока SUЗ нaпряжение UЗ не совпадает с входным напряжением UВХ, а меньше его на величину падения напряжения на rК. По мере повышения частоты напряжение UЗ уменьшается, а фазовый сдвиг между UВХ и UЗ увеличивается. Отражение инерционности транзистора цепочкой из сосредоточенных емкости и сопротивления является приближенным. Более точно свойства транзистора можно представить с помощью цепи из распределенных вдоль канала емкости и сопротивления.
Но это представление более сложно для проведения расчетов. Для диапазона частот, меньших fГР/2, приближенная аппроксимация фазо-частотной характеристики полевого транзистора цепью rКCЗК дает достаточную для расчетов точность.
Крутизна S является параметром, определяющим усилительные свойства транзистора. На эквивалентной схеме рис.1 крутизна показана как частотонезависимый, безинерционный элемент.
Резистор r22 представляет активную составляющую выходной проводимости транзистора (g22 = 1 / r22). Обычно эта проводимость мала и может не учитываться при расчетах усилительных схем на ВЧ.
Элементы СЗС и CЗИ представляют емкости затвора относительно электродов стока и истока. Эти емкости определяются конструктивно — технологическими особенностями транзистора.
Емкость СЗС наиболее существенно влияет на работу усилительных схем на ВЧ, так как она определяет уровень внутренней обратной связи в полевом транзисторе. Через СЗС сигнал с выхода усилителя (стока) поступает на вход (затвор). В зависимости от конкретной схемы включения транзистора обратная связь может быть отрицательной или положительной, искажать частотную характеристику усилителя, вызывать его неустойчивую работу или самовозбуждение.
Элементы С1, С2, С3 представляют емкости между выводами транзистора, обусловленные конструкцией корпуса, длиной и расположением внешних и внутренних выводов.
Элемент ССИ представляет емкость между стоком и истоком транзистора. Обычно, в транзисторах с управляющим переходом она незначительна. Напротив, в МДП-транзисторах она велика и включает емкость контактной площадки стока относительно подложки (соединенной с истоком) и емкость перехода, образованного диффузионной р+ областью стока в n-подложке (в транзисторах с каналом р-типа).
Диоды ДС и ДИ включаются в эквивалентную схему МДП-транзисторов и представляют переходы, образованные диффузионными областями стока и истока в подложке. В некоторых МДП-транзистоpax подложка соединяется с истоком внутри корпуса; в других имеется отдельный вывод от подложки. Обычно, подложка соединяется с истоком и поэтому диод ДИ на эквивалентной схеме оказывается закороченным.
Кроме отмеченных выше ограничений эквивалентная схема рис.1 не учитывает распределенные сопротивления стоковой и истоковой областей, индуктивности внутренних и внешних выводов и корпуса транзистора. Эти элементы приходится учитывать при анализе работы полевых транзисторов в диапазоне СВЧ, или ВЧ транзисторов, обладающих большой крутизной (свыше 30-50 мА/В).
Связь параметров эквивалентной схемы с параметрами транзистора
Как правило, полевые транзисторы как четырехполюсники, работающие на малом сигнале, описываются системой y – параметров (параметров проводимости). На рис. 2 показано представление транзистора в виде четырехполюсника, обозначены входные и выходные напряжения, токи и их направления.
Уравнения четырехполюсника в системе y — параметров имеют вид
Если положить поочередно UВХ или UВЫХ равными нулю (короткое замыкание — КЗ — по переменному току на входе или выходе), то y — параметры имеют следующий смысл:
y11 — входная проводимость (при КЗ на выходе);
y12 — проводимость обратной связи (при КЗ на входе);
y21 — проводимость прямой передачи (крутизна) (при КЗ на выходе);
y22 — выходная проводимость (при КЗ на входе).
В принципе возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, с общим стоком и общим затвором. Обычно применяется схема с общим истоком или схема с общим стоком (истоковый повторитель). Для включения транзистора с общим истоком на частоте >R1, означающее, что ток через СХ и R1 определяется практически лишь величиной СХ. Из последнего условия следует, что
. (13)
Таким образом, напряжение U2, измеряемое усилителем, пропорционально значению неизвестной емкости. Шкала индикатора измерительного усилителя получается линейной относительно СХ.
Схемы включения полевого транзистора при измерении емкостей показаны на рис. 5. Во всех схемах генератор ВЧ подключается к стоку испытуемого транзистора. Резистор R1, на котором измеряется переменное напряжение, пропорциональное емкости, подключен к затвору. Через дроссель ДР1 на сток транзистора подается необходимое постоянное напряжение. При этом дроссель имеет очень малое сопротивление постоянному току, и в то же время, большое сопротивление переменному, что исключает ответвление тока генератора ВЧ в источник питания транзистора.
Конденсатор С1 является разделительным и препятствует протеканию постоянного тока от электрода стока через ВЧ генератор. В то же время, сопротивление R1, на частоте f должно быть малым и не влиять на ток в измерительной цепи.
На затвор испытуемого транзистора через резистор R1 подается необходимое постоянное смещение. Конденсатор С2 является разделительным и препятствует попаданию постоянного напряжения на вход измерительного усилителя.
Конденсатор С4 кратчайшим путем соединяет нижний конец резистора R1 с «землей» измерительного усилителя. Тем самым, между входом и «землей» измерительного усилителя приложено лишь то переменное ВЧ напряжение, которое выделяется непосредственно на резисторе R1.
Схемы включения транзистора при измерении С11U, С12U, С22U отличаются лишь способом подключения конденсатора С3. На рис. 5,а при измерении С11U конденсатор С3 соединяет по переменному току сток и исток транзистора. В схеме рис.5,б при измерении С12U соединяет с «землей» исток транзистора. Наконец, в схеме рис.5,в при измерении С22U им соединяются между собой затвор и исток транзистора. Во всех случаях сопротивление С3 на частоте f должно быть незначительным, чтобы с достаточной точностью можно было считать переменные напряжения на соединяемых конденсатором электродах одинаковыми.
Для измерения емкостей полевых транзисторов используется прибор Л2-34. В приборе имеется генератор, от которого напряжение с частотой 10 МГц ±10% поступает на измеряемую емкость. Амплитуда переменного напряжения на испытуемом транзисторе не превышает 300 мВ. Диапазоны измерения входной и выходной емкости — 0,3¸30 пФ, проходной от 0,03 до 30 пф. Основная погрешность измерения составляет ±10%.
Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями.
Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм.
Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при которых тело находится под действием заданной системы сил.
Ведение учета результатов боевой подготовки в роте и во взводе Содержание журнала учета боевой подготовки во взводе. Учет результатов боевой подготовки — есть отражение количественных и качественных показателей выполнения планов подготовки соединений.
Сравнительно-исторический метод в языкознании сравнительно-исторический метод в языкознании является одним из основных и представляет собой совокупность приёмов.
Концептуальные модели труда учителя В отечественной литературе существует несколько подходов к пониманию профессиональной деятельности учителя, которые, дополняя друг друга, расширяют психологическое представление об эффективности профессионального труда учителя.
Типы конфликтных личностей (Дж. Скотт) Дж. Г. Скотт опирается на типологию Р. М. Брансом, но дополняет её. Они убеждены в своей абсолютной правоте и хотят, чтобы.
Гносеологический оптимизм, скептицизм, агностицизм.разновидности агностицизма Позицию Агностицизм защищает и критический реализм. Один из главных представителей этого направления.
Функциональные обязанности медсестры отделения реанимации · Медсестра отделения реанимации обязана осуществлять лечебно-профилактический и гигиенический уход за пациентами.