М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Результирующая зависимость частоты Д от коллекторного тока 7 для маломошного кремниевого транзистора показана на рис. 7.4, где можно видеть, что оптимальные характеристики в области высоких частот получаются при токах коллектора от 5 мА до 50 мА. 152 Усиление на высоких частотах 7.3 Свойства транзнсторной схемы на высоких частотах 73.1 Усилители налряэкения и эффект Миллера До сих пор мы видели, что коэффициент усиления тока биполярного транзистора на высоких частотах падает из-за большой емкости база-эмитгер. Теперь необходимо рассмотреть емкость перехода коллектор-база. Поскольку величина С„много меньше, чем Сы (типичное значение ф— 5 пФ), эта емкость (С„играет незначительную роль в поведении коэффипиента усиления тока на высоких частотах, когда, по предположению, напряжение на коллекторе остается постоянным.
Однако в усилителе напряжения потенпиал коллектора колеблется, создавая выходной сигнал, и емкость С, становится значительно более существенной, чем можно было представить себе на первый взгляд. Связанная с емкостью С„проблема заключается в том, что эта емкость помеШается между входом и выходом усилителя и, как показано ниже, рассматриваемая со стороны входа, она выглядит как много ббльшая емкость, чем она есть на самом деле.
На рис. 7.5(а) показан усилитель с коэффипиентом усиления напряжения — А; отрипательный 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 обшим эмитгером, и между стоком и затвором у полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком. Нас интересует эффективное значение емкости этого конленсатора, какой она видится со стороны входа усилителя ( Сев на рис.
7.5(о)). Значение Сев можно найти, предположив, что к входным клеммам приклалывается э.д.с. г и измеряется полный заряд д, который в результате втечет во входную пепь. Поскольку заряд на конденсаторе емкость = разность потенпиалов между пластинами имеем: С, Д 1т Как следует из рнс. 7.5(а), заряд д, запасенный в схеме, равен напряжению г, на конденсаторе С, умноженному на его емкость, то есть д г яС Теперь, 1с 1и ~оы' Но 1аи Аяи Свойства транзисторной схемы на высоких частотгтт 153 поэтому у, = (А + 1) ум ц = С(А+ 1)зи. (7.3) Рис. 7.5.
Эффект Миллера. (а) Усилитель напряжения с емкостью С межау входом и выхолом. (о) Эквивалентная схема, в которой емкость С заменена на емкость С, (=СА), включенную на входе. Объединяя (7.2) и (7.3), находим, что эффективная емкость С„„равна С(А ь!)ум ея им следовательно, (7 4) С, = С(А+ 1) иеслиА»1,то (7.5) С, =СА. В этом и заключается эффект Миллера, когда конденсатор, включенный между входом и выходом инвертируюшего усилителя выглядит, с точки зрения входного сигнала, как если бы его емкость была большей в число раз, равное коэффипиенту усиления усилителя.
154 Усиление на высоких частотах 73.2 Схема с общим змиттером на высоких частотах В схеме с обшим эмиттером в результате эффекта Миллера к эффективной емкости база-эмиттер добавляется емкость АС„, где А — коэффициент усиления напряжения усилителя (А = еи77е), а ф— емкость коллектор- база, показанная на упрошенной эквивалентной схеме на рис. 7.6. В результате преобразования приходим к эквивалентной схеме на рис. 7.7, где полная эффективная емкость С„включенная параллельно входу, равна Сг =Си +АС, =С~ +яиЯ С, . «тОр ср Рис.
7.6. Эквивалентная схема усилителя напрюкения с транзистором. включенным по схеме с обшим эмиттером, с емкостями С„и С, . Рис. 7.7. Результат преобрязовзния схемы, прелставяенной на рис. 7.6, с полной эффективной емкостью С . Таким образом, совокупное действие внутренних емкостей транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, сводится к тому, что входной импеданс х„, на высоких частотах находится как результат параллельного соединения компонентов: 1 1 — = — + /соСг.
н,„ Следовательно, Ьн ! и! 1+аз'С~~А~ Свойства транзисторной схемы на высоких частотах 155 В связи с этим может показаться, что в случае, когда выходное сопротивление источника сигнала очень мало, реально наблюдаемый коэффициент усиления напряжения в схеме с общим эмиттером не будет значительно ухудшаться на высоких частотах. И это в какой-то степени справедливо; однако, к сожалению, уменьшение входного сопротивления означает, что с увеличением частоты усилитель дает все меньшее усиление ио мощности . А возможность обеспечить усиление мощности — это, в конце концов, именно то, чем усилитель отличается от повышающего трансформатора. Но даже при условии, что сопротивление источника сигнала мало, коэффициент усиления напряжения при включении транзистора по схеме с общим эмиттером с ростом частоты падает из-за собственного сопротивления базового слоя гм.
(рис. б.З), До сих пор мы пренебрегали величиной гм, в нашем рассмотрении, относящемся к высоким частотам; однако этот параметр становится существенным, когда входной сигнал приходит от источника с малым сопротивлением. Полная эффективная емкость база-эмиттер С действует, конечно, на самом переходе база-эмиттер, однако только часть входного напряжения и может достичь перехода из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении базы г„.. Более точная эквивалентная схема, в которой входное сопротивление а„ разделено на Ляг, и гм., показана на рис.
7.8, где видно, что гм. включено последовательйо с выходным сопротивлением генератора г . На высоких частотах суммарное сопротивление г, + г„. вместе с эффективной емкостью Сг образует фильтр нижних частот, который уменьшает сигнал по величине и вносит сдвиг фазы. ЯС-схемы такого типа подробно рассматриваются позднее в этой главе (параграф 7.7). ---- — -1 Г 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 Исзочннк сниила Рис.
7.8. Более точная эквивалентная схема дли транзистора, включенного по схеме с общим змитзером. Входное сопротивление Л„разделено на две составляющие: г, и Л г,. Показан таюхе источник сигнала с его внутренним сопротивлением г Суммируя сказанное, видим, что для получения хороших результатов на высоких частотах следует воспользоваться транзистором с малой емкостью база-эмиттер С„, с малой емкостью база-коллектор С„и с малым внутренним сопротивлением базы гмг . 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 15б Усиление на высоких частотах от наличия электрического поля и нодвизкности 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 (Я), германии (Ое) и арсениде галлия (ОаАз) при комнатной температуре; единицы измерения — м/с на В/м. Табл. 7. 1. Подвижность носителей (м'с'В') Электроны Дырки Я Ое ОаАз 0,14 0,39 0,55 0,05 0,19 0,05 Таким образом, можно ожидать, что лучшей частотной характеристикой в области высоких частот будет обладать н-р-и транзистор, у которого текущий сквозь базу ток образуется электронами, а не р-н-р транзистор, у которого главными носителями являются менее подвижные дырки. Хотя в обшем случае более предпочтительными являются кремниевые транзисторы из-за их малых токов утечки и простоты изготовления, интересно все же отметить, что германий является материалом, потенциально обеспечиваюшим большее быстродействие, тогда как замечательное быстродействие транзисторов из арсеннла галлия (ОаАз) обусловлено исключительно высокой подвижностью электронов.
7.3.3 Высокие частоты и зтиттерный новторитель Эмнггерный повторитель часто применяют в качестве выходного каскада, чтобы не испортить хорошую частотную характеристику в области высоких частот, котла сигналы передаются по кабелю. Как уже отмечалось в разлеле 5.12.7, на высоких частотах происходит ослабление сигнала из-за шунтируюшего действия емкости кабеля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
