Для схемы с общей базой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.
Схема с общим коллектором. В ней действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротким замыканием. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения «база – эмиттер» и выходного напряжения.
Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером, т. е. имеет величину порядка десятков. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее.
Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему по величине. То есть выходное напряжение повторяет входное.
19. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости очень большое, коллекторное сопротивление также очень велико и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток в резисторе соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются выходное напряжение и выходная мощность.
Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттер-ного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах. Практически на менее высоких частотах емкость, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора, на который могла бы влиять емкость, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости в большинстве случаев можно не рассматривать.
Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-p-n, совершают в базе диффузионное движение и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах получается порядка 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но при частотах порядка единиц и десятков мегагерц и выше оно вызывает заметный сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера. За счет такого сдвига фаз на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току.
Обозначим коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером в, а коэффициент усиления по току для схемы с общей базой б.
При повышении частоты в уменьшается значительно сильнее, чем б. Коэффициент б снижается от влияния емкости, а на величину в влияет еще и сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.
Принято считать предельно допустимым уменьшение величин б и в на 30 % по сравнению с их значениями на низких частотах.
Те частоты, на которых получается такое снижение усиления, называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером.
Помимо предельных частот усиления, транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации, при которой коэффициент усиления по мощности каскада снижается до 1.
На высоких частотах происходит не только изменение величин б и в. Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания зарядов в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяют свою величину и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.
Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше.
20. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРОВ
Транзисторы, как и полупроводниковые диоды, применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.
Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы с общим эмиттером. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки. Обычно до поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии. В цепи коллектора проходит малый ток, и, следовательно, эту цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.
Если на вход подан импульс тока с максимальным значением, то транзистор переходит в область насыщения. Получается импульс тока коллектора с максимальным значением. Иногда его называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на резистор, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение порядка десятка долей вольта, обычно называемое напряжением насыщения.
Если импульс входного тока будет меньше максимального значения, то импульс тока коллектора тоже уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх максимального значения уже не дает возрастания импульса выходного тока.
Импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току, который в отличие от в определяется не через приращение токов, а как отношение токов, соответствующих режиму насыщения.
Иначе говоря, в является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а коэффициент усиления по току относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по величине несколько отличается от в.
Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения. Величина сопротивления насыщения у транзисторов, предназначенных для импульсной работы, обычно бывает порядка единиц, иногда десятков Ом.
Аналогично рассмотренной схеме с общим эмиттером работает в импульсном режиме и схема с общей базой.
Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока будет иметь почти такую же длительность и форму, как входной импульс. Но при коротких импульсах может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длительности.
Постепенное увеличение тока связано с процессом накопления носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости своего диффузионного движения и не все сразу достигают коллектора. После окончания входного импульса за счет процесса рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время, а затем постепенно спадает в течение времени спада. Следовательно, замедляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.