Емкость переходов транзистора

В простейшей модели транзистора в виде усилителя тока и в более сложной модели Эберса‑Молла напряжения, токи и сопротивления рассматривают со стороны различных выводов транзистора. Однако нужно принять во внимание важный момент – внешние цепи и сами переходы транзистора обладают некоторой емкостью, которую необходимо учитывать при разработке быстродействующих и высокочастотных схем. На самом деле, на высоких частотах емкость переходов транзистора зачастую определяет работу схемы: на частоте 100 МГц емкость перехода, равная 5 пкФ, имеет сопротивление 320 Ом.

Емкость ограничивает скорость изменения напряжений в схеме. Любая схема имеет собственные конечные выходные сопротивления и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, то ее заряд происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени RC.

Если же емкость заряжает идеальный источник тока, то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону. Общая рекомендация заключается в следующем: для ускорения работы схемы следует уменьшать сопротивление источника и емкость нагрузки и увеличивать управляющий ток. Но некоторые особенности связаны с емкостью обратной связи и с входной емкостью.

Схема ниже иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора.

Выходная емкость образует RC‑цепь с выходным сопротивлением R_н.Сопротивление R_н включает в себя как сопротивление коллектора, так и сопротивление нагрузки, а емкость С_н – емкость перехода и емкость нагрузки. В связи с этим спад сигнала начинается при частоте f = 1/2πR_нС_н. То же самое можно сказать о входной емкости и сопротивлении источника R_И.

Эффект Миллера

Емкость С_кб играет иную роль. Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению K_ус, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в K_ус раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость С_кб в (K_ус + 1) раз больше, чем при подключении С_кб между базой и землей, т. е. при расчете частоты среза входного сигнала можно считать, что емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью С_кб (K_ус +1), подключенный между входом и землей. Эффективное увеличение емкости С_кб и называют эффектом Миллера.

Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пкФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю.

Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера, например, он будет полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Сопротивление источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рисунке показаны еще две возможности.

В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи Т₁) эффект Миллера не наблюдается. Схему а можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой.

На схеме б показано каскодное включение транзисторов. Т₁ ‑ это усилитель с заземленным эмиттером, резистор R_н является общим коллекторным резистором. Транзистор Т₂ включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе Т₁ (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки.

Напряжение U₊ – это фиксированное напряжение смещения. Обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере Т₁ и поддерживает коллектор Т₁ в активной области. На рисунке представлена лишь часть каскодной схемы. В нее можно включить зашунтированный эмиттерный резистор и делитель напряжения для подачи смещения на базу или охватить всю схему петлей обратной связи по постоянному току. Напряжение U₊ можно формировать с помощью делителя или стабилитрона. Для того чтобы напряжение было жестко фиксировано на частотах сигнала, можно шунтировать резистор в базе Т₂.

Основные проблемы паразитных емкостей

а) спад усиления, обусловленный наличием емкости обратной связи и выходной емкости, сопровождается побочными эффектами;

б) входная емкость также оказывает влияние на работу схемы даже при наличии мощного источника входных сигналов. В частности, ток, который протекает через C_бэ, не усиливается транзистором, т. е. входная емкость «присваивает» себе часть входного тока. Вследствие чего коэффициент усиления малого сигнала h_21э на высоких частотах снижается и на частоте f_T становится равным единице;

в) дело осложняется также тем, что емкости переходов зависят от напряжения, емкость C_бэ изменяется столь сильно при изменении базового тока, что ее даже не указывают в паспортных данных на транзистор, вместо этого указывается значение частоты f_T;

г) если транзистор работает как переключатель, то заряд, накопленный в области базы в режиме насыщения, также вызывает уменьшение быстродействия.