Dependenta parametrilor tranzistorului de frecventa
1.9.1. Dispersia purtatorilor de sarcina în baza
Proprietatile de amplificare a tranzistoarelor sunt determinate de: proprietatile materialului din care sunt confectionate, constructia, tehnologia de fabricare, regimul de lucru si schema de conectare.
Cu majorarea frecventei, proprietatile de amplificare ale tranzistorului bipolar se înrautatesc. Asta înseamna ca:
Asupra diapazonului frecventelor de lucru a tranzistoarelor influenteaza urmatorii parametri:
si
colectorului 
; 
, determinata de d 646b11g imensiunile ei geometrice. Viteza de propagare a purtatorilor de sarcina în regiunea bazei este diferita si de aceea grupul de purtatori de sarcina ce au intrat concomitent în regiunea bazei ating regiunea colectorului în timp diferit.
1.9.2. Dependenta coeficientului de transfer
dupa curent de frecventa
Fie ca tranzistorul
bipolar de tip p-n-p este conectat
BC si functioneaza în regim activ. Când la intrarea
tranzistorului se aplica semiperioada pozitiva a semnalului, atunci
din jonctiunea emitorului se injecteaza în baza un numar
mare de goluri. O parte din ele ajung destul de rapid la jonctiunea
colectorului, alta parte, ce poseda o viteza de miscare mai
mica, se retine putin. Pentru o frecventa majora
a semnalului, când timpul mediu de miscare a golurilor în regiunea bazei
este comparabil cu perioada acestui semnal, semiperioada pozitiva va trece
în cea negativa. În timpul actiunii semiperioadei negative
numarul golurilor injectate se va micsora si o parte din ele va
ajunge la jonctiunea colectorului odata cu cele întârziate de la
semiperioada pozitiva. Drept rezultat, semnalul la iesirea tranzistorului va fi unul mediu. Dispersia
vitezelor golurilor în baza aduce la aceea ca odata cu
marirea frecventei are loc înrautatirea efectului de
amplificare si micsorarea coeficientului de transfer dupa curent
. Cu cât mai mare este grosimea regiunii bazei si, prin
urmare, timpul de parcurgere a bazei de catre goluri, cu atât este mai pronuntata
întârzierea purtatorilor de sarcina si cu atât mai mic va fi coeficientul de transfer
dupa curent. Nivelul de micsorare a coeficientului de transfer
dupa curent cu cresterea frecventei este determinat de grosimea
bazei 
.
Influenta dispersiei vitezei purtatorilor de sarcina se manifesta si asupra formei semnalului. Daca la intrarea tranzistorului aplicam impulsuri dreptunghiulare de durata redusa, atunci la iesirea lui frontul din spate si cel din fata a fiecarui impuls va fi întins si impulsurile poseda forma de trapez. La fel are loc si distorsionarea semnalului sinusoidal, aplicat la intrarea tranzistorului.
Vom analiza defazajul între curentul
emitorului si curentul colectorului. Modificarea curentului colectorului
va avea loc mai târziu decât modificarea curentului emitorului, cu valoarea timpului
mediu de propagare a procesului de difuzie prin baza 
.
 |
Fig. 1.31. Diagramele în timp a curentilor de intrare
si iesire la frecventa înalta
În fig.1.31 este
prezentata diagrama temporala a componentei alternative a curentului
colectorului. Marimea este determinata
de grosimea bazei si de coeficientul de difuzie. Pentru tranzistoarele
bipolare tip p-n-p timpul mediu de
tranzitie a procesului de difuzie sau timpul miscarii de difuzie
se determina ca
; 
; 
, (1.83)
unde: 
este viteza purtatorilor de sarcina minoritari,
injectati în baza; - grosimea bazei;
- coeficientul de difuzie al golurilor în baza-n.
Pentru tranzistoarele bipolare în formulele (1.83) indicii respectivi trebuie indicati pentru electroni.
Pâna când frecventa semnalului nu
este mare si perioada de repetare a procesului considerabil întrece timpul
mediu de difuzie , putem socoti ca schimbarea formai curentului
colectorului are loc practic momentan dupa legea de schimbare a curentului
emitorului. Întârzierea 
poate fi neglijata. Cu cresterea frecventei
semnalului, perioada 
se micsoreaza
si devine comparabila cu timpul de difuzie . Semnalul în circuitul colectorului este în defazaj
fata de cel în circuitul emitorului cu unghiul de defazaj 
. (1.84)
Bazei cu grosimea mai mare îi
corespunde un timp de difuzie mai major. De aceea
pentru aceeasi frecventa distantei mai mari între
jonctiunile tranzistorului îi corespunde un unghi de defazaj mai mare
între curentul de intrare si iesire. Daca curentul emitorului
variaza dupa legea
, (1.85)
atunci curentul colectorului, luând în considerare defazajul, poate fi scris ca
. (1.86)
Deoarece coeficientul de transfer dupa
curent a tranzistorului în schema BC
reprezinta raportul dintre curentul semnalului în circuitul colectorului
si curentul semnalului în circuitul emitorului, depinde de
frecventa si este caracterizat de modulul
si faza 
:
, (1.87)
unde:
este modulul coeficientului de amplificare;
- defazajul
coeficientului de amplificare a curentului emitorului în schema cu BC.
. (1.88)
În domeniul frecventelor joase
coeficientul de transfer dupa curent este constant. Cu majorarea
frecventei, coeficientul poarta un
caracter complex (1.88), micsorându-se cu marirea frecventei,
dupa o lege complicata. Cu o eroarea admisibila pentru calculele
tehnice marimea coeficientului de transfer dupa curent poate fi
aproximata cu ajutorul relatiei urmatoare
; 
. (1.89)
- defazajul
coeficientului .
Identic pentru conectarea tranzistorului EC:
; 
. (1. 90)
- defazajul
coeficientului 
.
În relatiile (1.89) si (1.90) utilizam urmatoarele notari:
,
- modulele coeficientilor de transfer dupa curent
la frecventa joasa pentru schemele de conectare BC si EC
respectiv;
,
- frecventele de taiere pentru tranzistorul cuplat
BC si EC respectiv.
1.9.3. Frecventa de taiere, CAF, CPhF si alti
parametrii ai tranzistorului
Frecventa de
taiere pentru tranzistorul cuplat în BC () este numita frecventa pentru care modulul
coeficientului de transfer dupa curent se micsoreaza de 
ori ( adica cu 3 dB), în comparatie cu valoarea lui
la frecvente joase
.
Dependenta modulul
coeficientului de transfer dupa curent de frecventa se
numeste caracteristica amplitudine - frecventa (CAF) 
sau 
. Dependenta unghiului de defazaj de frecventa
este numita
caracteristica faza - frecventa (CPhF) a coeficientului de
transfer. Exemple de astfel de caracteristici sunt prezentate în fig.1.32. Ele
sunt construite în coordonate normate 
si 
, iar unghiul de defazaj este plasat în unitati
absolute.
În schema EC coeficientul de
transfer al curentului bazei depinde mai tare de frecventa, decât în
schema BC, iar frecventa de taiere este considerabil mai
redusa decât .
Frecventa de taiere a
tranzistorului în schema EC () se numeste frecventa la care modulul coeficientului
de amplificare dupa curent se micsoreaza de ori ( adica cu 3 dB), în comparatie cu valoarea lui
la frecvente joase:
.
 |
Fig. 1.32. CAF si CPhF pentru coeficientului
de transfer dupa curent
Sa exprimam
frecventa de taiere prin marimea
. (1.91)
Compararea relatiilor (1.90) si
(1.91), cu consideratia ca 
, ne permite sa obtinem formula pentru
legatura dintre frecventele de taiere în schemele BC si EC
.
În asa mod
frecventa de taiere a coeficientului de transfer a curentului bazei este de 
ori mai mica ca
frecventa de taiere în schema cu BC sau:
;
. (1.92)
Cauza principala a micsorarii
bruste a coeficientului cu cresterea frecventei
(cum indica relatia (1.91)) nu este micsorarea valorii , ci majorarea valorii
defazajului. Pentru schema EC,
, (1.93)
în timp ce pentru schema BC
.
Luând în considerare (1.93) obtinem
;
.
 |
Fig.1.33. Diagramele vectoriale ale curentilor tranzistorului la frecventa joasa (a) si înalta (b)
La frecventa joasa curentii emitorului si colectorului coincid dupa faza (fig. 1.33,a), asa încât
.
Aici 
, 
, 
prezinta amplitudinile curentilor alternativi ai
emitorului, colectorului si bazei respectiv. Deoarece 
, atunci la frecvente joase curentul colectorului se
deosebeste putin de cel al emitorului si curentii
tranzistorului pot fi reprezentati sub forma vectorilor care coincid
dupa directie 
, 
, 
, cu lungimea , , respectiv. Amplitudinea curentului bazei este egala cu
diferenta între si .
Cu cresterea frecventei, curentul
colectorului ramâne în urma de curentul emitorului si vectorii
acestor curenti formeaza un triunghi (fig.1.33,b) în care modulul
vectorului se
micsoreaza, iar a modulului vectorului se mareste
de câteva ori. Deoarece
sau 
,
atunci la frecventa 
coeficientul de
transfer se
micsoreaza de câteva ori, asa cum este aratat în fig.1.33,b.
Frecventele de taiere , reprezinta
parametrii importanti ai tranzistorului bipolar
sau 
.
 |
Fig.1.34. Caracteristicile de amplitudine - frecventa ale
coeficientilor de transfer dupa curent 
În fig.1.34 sunt prezentate dependentele
de frecventa a modulelor si . Variatia mai rapida a modulului 
cu cresterea frecventei în comparatie cu se explica prin
faptul ca diferenta 
în relatia
se modifica mai rapid decât .
În afara de aceasta cauza
principala de micsorare pentru , cu cresterea frecventei este determinata de
majorarea defazajului 
. La determinarea frecventei de taiere a fost utilizata dependenta aproximativa pentru de frecventa
(1.89), de aceea legatura între si
,
este la fel aproximativa.
Pentru a obtine un
reziltat concret, se introduce coeficientul de corectie 
:
.
Valoarea acestui coeficient depinde de constructia tranzistorului
si tehnologia lui de fabricare (de regula, 
).
În practica, pentru calcule se foloseste frecventa 
(adica frecventa de taiere a
tranzistorului sau frecventa limita
de amplificare dupa curent), pentru care coeficientul de transfer a
curentului bazei în schema EC este egal
cu unitatea.
Analiza relatiei (1.90) indica
ca la frecvente ce depasesc de trei-patru ori
frecventa de taiere , adica 
, produsul 
este o valoare constanta
si nu depinde de frecventa. În acest produs 
este frecventa la care este efectuata
masurarea valorii coeficientului de transfer 
:
,
pentru 
, 
.
Deoarece 
pentru si 
, atunci frecventa de taiere în schema EC este de ori mai mica
decât valoarea frecventei de taiere a tranzistorului 
.
Pentru schema BC frecventa de
taiere întotdeauna este mai
mare ca frecventa de taiere a tranzistorului :
, (1.94)
pentru 
.
La analiza dispozitivelor confectionate
în baza tranzistoarelor cu ajutorul schemelor echivalente si utilizarea
parametrilor Y este folosita frecventa de taiere a pantei
tranzistorului 
, pentru care modulul de conductibilitate directa, egal
cu
,
se micsoreaza de 
ori în comparatie
cu valoarea lui la frecventa joasa. Dependenta modulului
conductibilitatii directe 
de frecventa
este identic cu dependenta de frecventa a marimilor si . Marimea este întotdeauna mai
mare ca .
Tranzistorul poate fi utilizat în calitate de
generator sau amplificator, daca coeficientul de amplificare dupa
putere 
. De aceea un
parametru important dependent de frecventa este frecventa
maxima de generare sau frecventa maxima de amplificare dupa
putere, pentru care coeficientul de amplificare dupa putere este egal cu
unitatea
, (1.95)
unde: este frecventa
de taiere a coeficientului de transfer în schema BC, MHz, 
- rezistenta de volum a bazei, Ω ; - capacitatea
jonctiunii colectorului, pF.
În relatia (1.95) produsul
rezistentei de volum a bazei la capacitatea
colectorului este numit constanta de timp a circuitului de reactie
inversa 
. Aceasta constanta caracterizeaza
reactia inversa la frecventa înalta si este un
parametru de baza al tranzistorului. Pentru majorarea frecventei de regenerare
este necesar de a mari valoare si de a
micsora constanta de timp 
.
În asa mod tranzistorul destinat
functionarii în domeniul frecventelor înalte trebuie sa
posede grosimea bazei, rezistenta de volum a bazei, si capacitatea
colectorului cu valori reduse. Aceste cerinte sunt contradictorii - micsorarea grosimii bazei mareste
rezistenta de volum , micsorarea rezistentei (marirea
concentratiei în baza ) mareste capacitatea jonctiunii
colectorului si micsoreaza valoarea tensiunii 
. Din aceste considerente frecventele de taiere
pentru tranzistoarele bipolare
fara drift sunt relativ reduse.
1.9.4. Metode de îmbunatatire a caracteristicilor
de frecventa. Tranzistoare bipolare cu drift
Majorarea valorii
frecventei de taiere a tranzistorului necesita micsorarea
timpului de transfer de catre purtatorii de sarcina în
baza. Este cunoscut ca viteza electronilor 
este mai mare ca viteza golurilor . De aceea utilizarea la frecvente înalte a structurilor
tip n-p-n este preferabila.
Timpul de transfer ale purtatorilor de sarcina prin regiunea bazei, conform relatiei (1.83), se micsoreaza odata cu micsorarea grosimii bazei si cu majorarea valorii vitezei purtatorilor de sarcina injectati în baza. Micsorarea grosimii bazei este conditionata de posibilitatile tehnologiilor contemporane, ce limiteaza caracteris-ticile de frecventa a tranzistoarelor. De aceea în baza, prin intermediul procedurilor tehnologice, se formeaza un câmp de accelerare pentru purtatorii de sarcina injectati, care permite de a mari viteza lor. În acest scop, în regiunea baza se formeaza un câmp electric intercalat.
Elementele schemei din fig.1.39 se determina cu ajutorul parametrilor h cu ajutorul relatiilor:
; 
;
; (1.103)
,
unde 
este panta caracteristicii tranzistorului bipolar.
 |
Fig.1.39. Schema fizica echivalenta simplificata a tranzistorului
bipolar la frecventa înalta, conectat cu
emitor comun (schema Djacoletto)
Capacitatea de difuzie a jonctiunii emitorului se determina conform relatiei
.
Pentru a ne convinge de
aceasta, este deajuns de a determina relatia pentru frecventa de
taiere cu ajutorul schemei echivalente. Curentul generatorului echivalent 
se determina ca:
; 
;
;
,
unde 
.
Pentru calculul schemei echivalente în P îndrumarele contin urmatorii
parametri:
- constanta de timp a circuitului de reactie
interna în tranzistor;- rezistenta bazei; 
- capacitatea circuitului de reactie interna în
tranzistor; - frecventa de taiere pentru conectarea EC; 
- capacitatea de iesire pentru conectarea EC; 
- capacitatea jonctiunii colectorului.
|
