М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Следовательно, нелинейность полевого транзистора, в соответствии с ее природой, легче епреодолеть», чем нелинейность биполярного транзистора. Усиление на высоких частотах 7.1 Представление о высоких частотах Усилители, предназначенные для работы на частотах выше примерно 1О кГц, согласно общей классификации, являются высокочастотными схемами, и разработчик должен принимать во внимание определенное влияние емкостей, которым пренебрегают на низких частотах. В соответствии с довольно грубой классификацией высокие частоты, часто называемые также радиочастотами, можно разделить на следующие диапазоны: Верхние частоты звукового диа- пазона и очень низкие частоты радиовещания (У).г) Длинные и средние радиоволны (с амплитудной модуляцией, АМ гарно) (МГ) Короткие радиоволны (НЕ) Метровый диапазон телевидения и радиовещание с частотной мо- дуляцией (гМ гад(о) (УНГ) Дециметровый лиапазон телеви- дения и мобильные (сотовые) телефоны ((/Нг).
1О кГц — 100 кГц 100 кГц — 2 мегагерца (МГц) 2 МГц — 30 МГц 30 МГц — 300 МГц 300 МГц — 2 гигагерца (ГГц) Частоты выше 2 ГГц (2000 МГц) обычно называют диапазоном СВЧ (сверхвысоких частот); из-за крайне малой длины волны СВЧ-колебания распространяются по прямой линии, как свет. Это их свойство используется в радиолокации для обнаружения целей по отраженному СВЧ-сигналу. Из-за направленного характера распространения СВЧ-волны неудобны для наземного ралиовешания, но они интенсивно применяются для передачи сигналов в телекоммуникационных системах и в спутниковом вешании. С точки зрения этих приложений СВЧ-диапазон в изобилии предоставляет требуемые полосы частот и, следовательно, в этом диапазоне можно организовать передачу сигналов от одного передатчика по многим каналам, имея возможность фактически исключить взаимные помехи за счет направленно- 148 Усиление на высоких частотах сти антенн.
Техника СВЧ образует чрезвычайно важную ветвь электроники, широко применяемой в «беспроводной» цифровой связи. СВЧ-схемы представляют собой особый случай работы на высоких частотах, когда решающую роль играют не только сами компоненты, но и точные размеры соединений. Хотя общие принципы работы на радиочастотах, обсуждаемые в этой главе, в равной мере применимы к технике СВЧ, практические схемы СВЧ все же выходят за рамки данной книги. В диапазоне от 10 кГц до 2 ГГц можно применять обычные методы анализа схем при условии, что в рассмотрение включены различные собственные емкости транзисторов и образукициеся при этом цепи.
Например, свойства биполярного транзистора на высоких частотах определяются, главным образом, тремя собственными емкостями, показанными на рис. 7.1. Наименее сушественной из них является емкость коллектор-эмнттер С„, которая мала по величине и легко может быть учтена в перестраиваемой коллекторной нагрузке, часто применяемой в высокочастотных усилителях. Как будет показано в следующем параграфе, емкость С„приводит к уменьшению коэффициента усиления тока на высоких частотах, а емкость С, играет особую роль в ограничении возможностей усилителя напряжения на высоких частотах. Рис.
7.1. Биполярный транзистор с емкостями переходов. 7.2 Высокие частоты и биполярный транзистор 721 Емкость база-змиттер В разделе 1.3.10 было показано, что смещенный в обратном направлении р-и переход, такой как переход коллектор-база, ведет себя подобно конденса- Высокие частоты и биполярный транзистор 149 тору, у которого емкость зависит от плошади перехода и глубины обедненного слоя. Смещенный в прямом направлении р-н переход, такой как переход база-эмитгер, также обладает емкостью С„, которая оказывается включенной параллельно с обычным сопротивлением в прямом направлении.
У эффективной емкости р-н перехода, смещенного в прямом направлении, имеются две основные составляющие. Первая из них — это просто емкость обедненного слоя, который у перехода, смещенного в прямом направлении, уже, чем у перехода, смещенного в обратном направлении, и поэтому при смешении в прямом направлении емкость больше; вторая составляющая полной емкости является результатом конечной скорости диффузии неосновных носителей по р-л переходу. Из-за сравнительно медленной диффузии этих носителей они оказываются как бы временно скопившимися в полупроводниковом материале, тогда как приложенный извне сигнал меняется быстро; этот запас заряпа ведет себя по отношению к внешнему сигналу подобно заряду на пластинах обычного конденсатора.
Когда напряжение в поданном извне сигнале мгновенно уменьшается, изменению коллекторного тока должно предшествовать удаление носителей из базы. Типичное значение эффективной емкости перехода база-эмитгер у маломощного кремниевого транзистора — примерно от 100 пФ до 1000 пФ; на высоких частотах эта емкость оказывает существенное шунтирующее действие в отношении базового тока„приводя к падению коэффициента усиления тока л дпя переменных составляющих.
7.2 2 Частота единичного усиления С увеличением частоты сигнала реактивное сопротивление емкости базаэмитгер становится сравнимым с сопротивлением база-эмитгер л„, и значительная часть базового тока, который нормально должен был бы управлять током коллектора, потечет вместо этого по емкости С . Результатом является падение коэффициента усиления тока. Частота 7«', на которой реактивное сопротивление емкости С„равно входному сопротивлению л«, называется граничной, и на этой частоте коэффициент усиления тока падает в з/2 раз (на 3 дБ). На частотах выше 7»' ббльшая часть «базового» тока, в действительности, течет по С, и каждый раз с удвоением частоты коэффициент усиления тока падает вдвое. В логарифмическом масштабе это выражается уменьшением Л» на 6 дБ при изменении частоты на октаву (при удвоении частоты).
Экстраполируя эту зависимость, можно найти частоту, на которой Ь упадет до единицы. Эта частота 7г называется частотой единичного усиления, и на частотах выше нее от транзистора мало пользы как от усилителя. Частоту единичного усилениями называют также произведением усиления на ширину полосы, поскольку в интервале частот междуна„и7 произведение коэффициента усиления тока на частоту сигнала, грубо говоря, остается постоянным и равным величине Д, то есть зг ~ВО «Хье (7. 1) На рис.
7.2 представлен график зависимости 6» от частоты для типичного 150 Усиление на высакик частотах маломошного транзистора в логарифмическом масштабе. Здесь частота единичного усиления ГГ равна 200 МГц, а граничная частота Хь — 1 МГц. а в .в к и ю- 'ю' (а' (а' Часъиа (Ги) (ласарифыичсскал шкала( Рнс. 7.2. Зависимость коэффициента усиления тока для малых сигналов Л от частоты 7. Отмечены гРаничнаЯ частота та и частота единичного Усиленйлус я 7.2.3 Зависимость частоты единичного усиления от коллекторного тока На рис. 7.3 показана эквивалентная схема входной цепи транзистора на высоких частотах.
Ясно, что чем ббльшая часть базового тока г, ответвляется в емкость С„и чем меньшая часть фактически протекает по сопротивлению перехода Л„, тем меньшим значением коэффициента усиления тока будет обладать транзистор. Другими словами, для получения хорошей характеристики на высоких частотах желательно, чтобы реактивное сопротивление емкости С„было больше, чем ль или: 1 » 7((ьы 2(РСьи с ° Эыитыр Рис. 7.3.
Эквивалентная схема входной пепи транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, с емкостью бдзд-эмиттер. Как мы видели в параграфе 6.3, величина Ь„связана с эмитгерным током 1 соотношением: Высокие частоты и биноллрный транзистор 151 25)гр )га и — Ом.
Уд [(6.6)! гг (ига! ! 5а а аз ! ю гс гав! !аа Рис. 7.4. Зависимость частоты единичного усиленияз" от тока коллектора 7с. Таким образом, с ростом эмиттерного тока входное сопротивление )г, падает и поэтому по нему течет ббльшая доля базового тока, нежели по емкости С„. В результате этого ус увеличивается с ростом эмитгерного (а значит, и коллекторного) тока. Однако значение Сы также растет с увеличением коллекторного тока и действие этой емкости начинает преобладать, когда происходит так называемое раси!аренас базы. Это явление имеет место при сравнительно больших токах г= 50 мА для маломощного кремниевого транзистора) и обусловлено влиянием неосновных носителей в базе на положение обедненного слоя коллектор-база. При малых коллекторных токах эффективная ширина базы много меньше ее физической толщины из-за области, которую занимает в базе обедненный слой коллектор-база.
При больших токах коллектора поток подвижных зарядов (электронов в н-р-н транзисторе) сквозь базу и через обедненный слой оказывается достаточным, чтобы нарушить равновесие распределения зарялов, и вызывает перемещение всего обедненного слоя дальше от эмиттера, то есть в коллектор. Таким образом, база фактически становится шире, и время прохода носителей растет. Это проявляется как увеличение емкости С„, которое затем на высоких частотах начинает доминировать; поэтому с увеличением коллектоРного тока частота ге, вслеЛ за пеРВоначальным Ростом, затем сноВа палает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
