Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.
Для биполярных транзисторов в основном представляет интерес зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока, а также зависимость входного и выходного сопротивлений. Обычно рассматривается активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.
В динамическом режиме между входными и выходными сигналами появляются фазовые сдвиги и вместо приращений токов и напряжений необходимо брать комплексные величины, поэтому и параметры заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами.
Проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).
На частотные свойства БТ влияют время пролета носителей через базу tБ, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов СЭ, СК и объёмное сопротивление базы .
При рассмотрении работы транзистора р-п-р в схеме ОБ оказывается, что диффузионный характер распространения неравновесных дырок в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а, следовательно, и коэффициент передачи тока. Допустим, что в момент поступления на вход транзистора положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число дырок. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения дырок в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение действия отрицательного полупериода число инжектированных дырок уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент h21Б уменьшатся.
Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы дырками, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Для транзисторов типа р-п-р время диффузионного перемещения . Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты , которое транзистор еще усиливает.
На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Активное сопротивление является прямым дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rЭ. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из зарядной СЭ0 и диффузионной
СЭ ДИФ емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения .
Из-за малой толщины базы ∆wБ транзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтому СЭ ДИФ в транзисторе также меньше, чем в диоде.
Рис. 3.16. К пояснению изменения заряда в базе транзистора при изменения на его эмиттере
Рисунок 3.16 иллюстрирует образование емкости СЭ ДИФ заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе dQ, при изменении dUЭБ. Хотя эмиттерные емкости СЭ0 и СЭ ДИФ значительны (СЭ0 достигает 100-150 пФ,
Полное сопротивление коллекторного перехода также представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих: активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода rК порядка 1 МОм и суммы емкостей — собственной СК0 (в среднем около 10 пФ) и диффузионной СКДИФ 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением
, (3.40)
где fh21Б– предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах; CК– емкость коллекторного перехода в пикофарадах; fMAX– в мегагерцах.
Следовательно, что для увеличения fMAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту fh21Би уменьшать и СК. Теоретически для транзистора типа р-п-р . Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области wБи применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота fh21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа
п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты fMAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах fh21Бвыше (для германия примерно в два раза), одновременно в том же отношении возрастает и сопротивление базы , зависящее от подвижности в ней основных носителей, т. е. дырок в транзисторе типа п-р-п. Поэтому частота fMAX остается неизменной. Для уменьшения емкости СК нужно уменьшить площадь коллекторного перехода SК, а также увеличить коллекторное напряжение UКБ и удельное сопротивление базы и коллектора.
Однако, если уменьшить толщину базы wБ, то h21Б0 и f h21Бувеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения rБуменьшить удельное сопротивление базы ρБ, то это приведет к уменьшению h21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту СК. С уменьшением площади перехода SК уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения UКБограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.
Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие fMAX. Это означает, что в транзисторах обычной конструкции максимальная частота усиления по мощности не может быть высокой.
Из диаграммы видно, что входной ток IЭ отстает от напряжения UBХ на угол φ´, следовательно, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы IБ, который опережает по фазе UBX.Таким образом, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОЭ имеет емкостный характер и с ростом частоты уменьшается (рисунок 3.21, а). Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сопротивления от частоты. Выходное сопротивление ZВЫХ уменьшается с ростом частоты при включении как в схеме ОБ таки в схеме ОЭ (рис. 3.21, б).
Рис. 3.21. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:
2. 2. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОБ.
Граничная частота коэффициента передачи тока fα – та частота, на которой значение α снижается на 3 дБ от своего значения на низкой частоте. Т.к. на низкой частоте значение α ≈ 1, то fα определяется как частота, на которой α = 0,7. В схеме с ОЭ граничная частота всегда ниже его граничной частоты в схеме с ОБ.
Определить граничную частоту можно также с помощью схемы, изображенной на Рис. 2. Для этого потенциометром жестко устанавливается положение, при котором
Затем, изменяя частоту на генераторе, добиваются нулевых показаний милливольтметра, что говорит о том, что текущая частота является граничной частотой коэффициента передачи тока.
Для более точной установки значения α = 0,7 лучше использовать два резистора номиналами, например, R1 = 280 Ом, а R2 = 120 Ом. Тогда схема для измерения граничной частоты коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой, будет выглядеть так:
Рис. 3. Схема для измерения граничной частоты коэффициента передачи тока fα
Для измерений выберем транзистор ГТ703А. UКБ = 2 В, UЭБ = 2 В; R1 = 280 Ом, R2 = 120 Ом, номинальные значения сопротивлений соответствуют ряду Е192 (допуск ±5%); сигнал с генератора 10 мВ.
Погрешность измерений в данном случае складывается из:
3. Погрешности установки частоты – инструментальная, случайная, мультипликативная ().
Для подсчета общей случайной погрешности найдем коэффициент для пересчета погрешности вольтметра в погрешность определения граничной частоты.
Модуль коэффициента передачи тока эмитера зависит от частоты следующим образом:
где – значение коэффициента передачи тока эмиттера на низкой частоте, – угловая граничная частота. Вид этой зависимости представлен на Рис. 4:
Рис. 4. Зависимость модуля коэффициента передачи тока эмиттера от частоты
Участок, на котором a[0.67;0.73], можно считать линейным. Найдем весовой коэффициент, связывающий погрешность измерения a с погрешностью измерения граничной частоты:
Из зависимости видно, что при а при Можно вычислить весовой коэффициент:
Как было показано ранее, погрешность вольтметра приводит к погрешности определения коэффициента передачи тока:
Погрешность, связанную с чувствительностью вольтметра, можно пересчитать в погрешность определения с помощью весового коэффициента . (R1+R2) = 400 Ом, пусть I = 1 мА, тогда Тогда погрешность определения коэффициента передачи тока приведет к погрешности определения частоты:
Общая случайная погрешность измерений:
Для подсчета общей систематической погрешности найдем коэффициент для пересчета погрешности сопротивлений в погрешность определения граничной частоты.
Коэффициент передачи тока определяется соотношением:
Систематическая погрешность в этом случае:
Зная, что R1 = 280 Ом, R2 = 120 Ом, DR1 = 0.005∙R1, DR2 = 0.005∙R2, найдем Da:
0.0021
Погрешность определения коэффициента передачи тока приведет к погрешности определения частоты:
Общая систематическая погрешность измерений:
Выполняется условие тогда Таким образом, погрешность измерения граничной частоты коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой, составляет 0.6%.
2. 3. Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОБ.
Входное сопротивление (на частоте 1 кГц) транзистора можно измерить по схеме (Рис. 5.).
Рис. 5. Схема для измерения входного сопротивления транзистора.
На входные зажимы транзистора подается сигнал частотой 1 кГц с генератора низкой частоты. С помощью вольтметра и амперметра измеряются соответственно напряжение U1и ток I1, входное сопротивление находится по формуле:
Граничная частота коэффициента передачи тока на что влияет
Доброго всем времени. Подскажите начинающему (с полной кашей головы) как правильно подбирать аналоги транзисторов? На что главное обращать внимание? Вот для примера: Мне нужно подобрать аналог для T2142F. Что мне не понятно отмечу. Вот его ТТХ.
Максимальная рассеиваемая мощность (Pc): 80 НА ЧТО ВЛИЯЕТ?
Макcимальный постоянный ток коллектора (Ic): 6 понятно
Предельная температура PN-перехода (Tj), град: понятно
Граничная частота коэффициента передачи тока (ft): Что за параметр?
Ёмкость коллекторного перехода (Cc), пФ: понятно
Статический коэффициент передачи тока (hfe): 600 Что за параметр? На что влияет? К примеру MJE13009 Имеет параметры чуть даже более T2142F но кроме Статический коэффициент передачи тока (hfe). У него он 13. Можно ли его использовать для замены?
Критически важные распределенные системы требуют синхронного преобразования во всех подсистемах и непрерывного потока данных. Распределенные системы сбора данных могут быть синхронизированы как на основе АЦП последовательного приближения, так и на основе сигма-дельта (∑-Δ)-АЦП. Новый подход, основанный на преобразователе частоты дискретизации (SRC), содержащемся в микросхемах линейки AD7770 производства Analog Devices, позволяет достигать синхронизации в системах на основе сигма-дельта-АЦП без прерывания потока данных.
Специалисты компании Infineon рассказывают о сорокалетней истории технологических инноваций, последовавшей за созданием первого полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET), и на примере последних новшеств, касающихся расположения кристалла относительно печатной платы, показывают, как незначительные на первый взгляд изменения способны кардинально поменять характеристики прибора и разрабатываемых на его основе систем.
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два р-n-перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы.
В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р (рис. 1, а) и n-р-n (рис. 1, б) (иногда их еще называют прямой и обратный).
Условные графические обозначения транзисторов p-n-р и n-p-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер. Принцип работы транзисторов p-n-р и n-p-n одинаков.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало; у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров, а у низкочастотных не превышает 50 мкм (1 мкм=0,001 мм).
Для того, чтобы вычислить коллекторный ток, нужно умножить ток базы на коэффициент усиления:
Транзистор откроется и лампочка загориться. Причем яркость свечения лампочки будет зависить от сопротивления резистора и коэффициента усиления транзистора.
Напряжение, прилагаемое к базе и необходимое для открытия транзистора, называют напряжением смещения. Если вместо постоянного резистора поставить переменный резистор, то получим возможность регулировать яркость свечения лампочки.
Таким же образом можно усиливать и сигналы: подавая на базу транзистора определенный сигнал (к примеру звук), в коллекторной цепи получим тот же сигнал, но уже усиленный в h21Э раз.
Если базовое смещение транзистора застабилизировать при помощи стабилитрона (рис. 3), то мы получим простейший стабилизатор напряжения, т.у. схему, которая будет поддерживать постоянное напряжение на выходе, даже если входное напряжение будет изменяться.
Для получения повышенной мощности используются схемы последовательного включения наскольких транзисторов, так называемые схемы Дарлингтона (или составные транзисторы)
Система обозначений биполярных транзисторов
Третьим элементом может быть буква, определяющая классификацию по параметрам транзисторам, изготовленной по одной технологии. Например:
П416Б — транзистор германиевый, высокочастотный, малой мощности, разновидности Б;
МП39Б — германиевый транзистор, имеющий холодносварочный корпус, низкочастотный, малой мощности, разновидности Б.
В новой системе обозначений используется шифр, который состоит из 5 элементов:
1-й элемент системы обозначает исходный материал, на основе которого изготовлен транзистор:
2-й элемент — буква Т (биполярный транзистор) или П (полевой транзистор).
3-й элемент — цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоте.
Транзисторы малой мощности, Рmах 1,5 Вт:
7 — большой мощности низкочастотный; 8 — большой мощности среднечастотный; 9 — большой мощности высокочастотный и сверхвысокочастотный (fгр>300 Гц).
4-й элемент — цифры от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки.
5-й элемент — буквы от А до Я, обозначающая деление технологического типа приборов на группы.
КТ540Б — кремниевый транзистор средней мощности среднечастотный, номер разработки 40, группа Б.
КТ315А — кремниевый биполярный транзистор, маломощный, высокочастотный,подкласс А.
С 1978 года были введены изменения, первые два символа обозначающие материал и подкласс транзистора остались прежними.
Для биполярных транзисторов:
Пример:
КТ2115А-2 кремниевый биполярный транзистор для устройств широкого применения, маломощный, высокочастотный, бескорпусный с гибкими выводами на кристаллодержателе.
В импортной (японской )маркировке первые три символа обозначают структуру:
Основные параметры биполярных транзисторов
Режимы работы биполярного транзистора
В зависимости от способа подключения р-n-переходов транзистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.
Режим отсечки
Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный p-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении (рис. 5). В этом случае через оба p-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера ( Iэбо ) и коллектора ( Iкбо ). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт.
Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).
Режим насыщения
Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения (рис. 6 ). Через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи насыщения эмиттера ( Iэ.нас ) и коллектора ( Iк.нас ). Величина этих токов в много раз больше токов в режиме отсечки.
Есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.
Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзисторов в импульсных схемах и в режиме переключения.
Активный режим
При работе транзистора в активном режиме (нормальном активном режиме) эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях (рис. 7).
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.
Для токов коллектора и эмиттера выполняется соотношение:
Величина h21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h21Б=0,90. 0,998. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.
Инверсный активный режим
Барьерный режим
Управление биполярным транзистором
Величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы):
Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера:
На рисунке 9 изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей.
Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. Коэффициент β может измеряться десятками и даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, достаточно лишь немного изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.
Статические характеристики биполярного транзистора
Эти характеристики показывают графическую зависимость между токами и напряжениями транзистора и могут применяться для определения некоторых его параметров, необходимых для расчета транзисторных схем. Наибольшее применение получили статические входные и выходные характеристики.
Входные статические характеристики представляют собой вольтамперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода (ЭДП). Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера Iэ от напряжения на эмиттерном переходе Uэб (рис. 10, а). При отсутствии коллекторного напряжения ( Uкб = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольтамперной характеристики эмиттерного ЭДП, подобную ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.
Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольтамперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП.
Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы Iб (рис. 11, б), и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ. При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя. Для большинства транзисторов напряжение пробоя коллекторного перехода лежит в пределах от 20 до 30 В. Это важно знать при выборе транзистора для заданного напряжения источника питания или при определении необходимого напряжения источника питания для имеющихся транзисторов.
Увеличение температуры вызывает возрастание токов транзистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ (рис. 12).
Все описанное выше касалось работы транзистора при постоянных напряжениях и токах его электродов. При работе транзисторов в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.
На практике наибольшее применение получили малосигнальные h-параметры (читается: аш-параметры). Их называют также гибридными, или смешанными, из-за того, что одни из них имеют размерность проводимости, другие сопротивления, а третьи вообще безразмерные.
Всего h-параметров четыре: h11 (аш-один-один), h12 (аш-один-два), h21 (аш-два-один) и h22 (аш-два-два) и определяются они следующими выражениями:
— коэффициент обратной связи по напряжению, безразмерная величина;
— коэффициент прямой передачи по току, безразмерная величина;
— выходная проводимость, измеряется в сименсах (См ).
Значения h-параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от напряжений и токов его электродов. Режим работы транзистора определяется на характеристиках положением рабочей точки, которую будем обозначать в дальнейшем буквой А. Если указано положение рабочей точки А на семействе статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 14, а), параметры h11э и h12э определяются следующим образом:
Параметры h21э и h22э определяются в рабочей точке А по выходным характеристикам (рис. 14, б) в соответствии с формулами:
Аналогично рассчитываются h-параметры для схемы ОБ.
При расчете параметров h12 и h21 надо токи и напряжения подставлять в формулы в основных единицах измерения.
Частотные свойства биполярного транзистора
При работе транзистора на частотах, превышающих fh21э его усилительные свойства уменьшаются вплоть fгр. На частотах, превышающих fгр, транзистор вообще не усиливает. Поэтому величины fh21э или fгр позволяют судить о возможности работы транзистора в заданном диапазоне частот. По значению граничной частоты все транзисторы подразделяются на низкочастотные ( fгрfгрfгр >30 МГц). Транзисторы, у которых fгр > 300 МГц, называют сверхвысокочастотными.
Например, для транзистора типа ГТ320Б значение | h21э |=6 на частоте f =20 МГц. Следовательно, граничная частота этого транзистора fгр = 20 · 6 = 120 МГц.
.
. Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты 
, которое транзистор еще усиливает.
.
, (3.40)
. Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области wБ и применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота fh21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа
).
– значение коэффициента передачи тока эмиттера на низкой частоте, 
– угловая граничная частота. Вид этой зависимости представлен на Рис. 4:
[0.67;0.73], можно считать линейным. Найдем весовой коэффициент, связывающий погрешность измерения a с погрешностью измерения граничной частоты:
а при 
Можно вычислить весовой коэффициент: 
с помощью весового коэффициента 
. (R1+R2) = 400 Ом, пусть I = 1 мА, тогда 
Тогда погрешность определения коэффициента передачи тока приведет к погрешности определения частоты:
0.0021
тогда 
Таким образом, погрешность измерения граничной частоты коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой, составляет 0.6%.
— коэффициент обратной связи по напряжению, безразмерная величина;
— коэффициент прямой передачи по току, безразмерная величина;
— выходная проводимость, измеряется в сименсах (См ).
