Dependenta parametrilor tranzistorului de frecventa

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:

• scade puterea de iesire;
• apare defazajul, adica întârzierea oscilatiilor curentului de iesire fata de cel de intrare.

Asupra diapazonului frecventelor de lucru a tranzistoarelor influenteaza urmatorii parametri:

• timpul de difuzie al purtatorilor de sarcina minoritari în regiunea bazei de la jonctiunea emitorului la cea a colectorului;
• capacitatea jonctiunii emitorului si colectorului ;
• rezistenta bazei , 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.