Искусство схемотехники. Том 3

Уменьшение влияния емкости нагрузки. Простейшие методы уменьшения емкостной нагрузки заключаются в учете и уменьшении произведения R_нС_н, например:

1. Выбираются биполярные или полевые транзисторы с малой емкостью между электродами (как самих p-n-переходов, так и между внешними выводами); такие транзисторы обычно обозначаются как радиочастотные или ключевые транзисторы.

2. Нагрузка отделяется эмиттерным повторителем, что способствует уменьшению емкостной нагрузки на коллектор.

3. Уменьшается R_н. Если при этом I_к поддерживать постоянным, то коэффициент усиления падает из-за уменьшения g_mR_н. Вспомним, что для транзисторов g_m =1/r_э или I_к (мА)/25 для усилителей с заземленным эмиттером. Чтобы сохранить коэффициент усиления постоянным при уменьшении R_н, необходимо увеличить ток коллектора, сохраняя U₊ постоянным. Таким образом, f_макс ~= 1/R_нС_н и прямо пропорционально I_к/С_н, что вполне справедливо для больших токов, часто используемых в высокочастотных схемах.

13.02. Высокочастотные усилители: модели для переменного тока

Емкость нагрузки не только уменьшает коэффициент усиления усилителя на высоких частотах. Как мы упоминали выше (см. обсуждение эффекта Миллера в гл. 2), емкость обратной связи (С_кб), будучи включенной между выходом и входом, может доминировать в спаде усиления на высоких частотах, особенно если полное сопротивление источника входного сигнала высоко. Чтобы определить, на каких частотах усиление начнет падать и как этого избежать, можно использовать относительно простую модель транзистора или ПТ. Как это делается, покажем на примере высокочастотного усилителя.

Эквивалентная схема для переменного тока. Приведенные на рис. 13.2 эквивалентные схемы каскадов с общим эмиттером (или истоком) представляют собой простейший вариант; их не без оснований используют при оценке характеристик быстродействующих устройств. Обе модели очевидны. В схеме биполярного транзистора С_вх.э (обозначается также С_{вх. б} или С_бэ; заметим, что название относится либо к емкости входа, либо к емкости выхода) есть входная емкость, r_б — импеданс цепи базы, С_кб - емкость обратной связи (Миллера) и С_кэ - емкость между коллектором и эмиттером. Модели с источником тока определяют усиление транзистора на частотах сигнала. Схема полевого транзистора аналогична, но емкости имеют другие обозначения и она значительно проще из-за бесконечного входного сопротивления.

Рис. 13.2.Эквивалентные схемы для ВЧ биполярного (а) и полевого (б) транзисторов.

Влияние коллекторного тока и напряжения на емкости транзистора. Емкости обратной связи и выходной цепи (С_кб , С_сз, С_кэ и т. д.) включают в себя небольшие емкости транзисторных выводов и относительно большие емкости полупроводниковых переходов. Последние ведут себя подобно обратносмещенным диодам, у которых емкость постепенно снижается с увеличением обратного смещения, как показано на рис. 13.3 (этот эффект используется в конденсаторах, управляемых напряжением, известных под названием «варикапы», или «варакторы»).

Рис. 13.3. Зависимость емкости коллектор — база от напряжения для нескольких распространенных биполярных транзисторов.

Емкость изменяется с напряжением приблизительно как С = k(U — U₀)ⁿ, где n лежит в диапазоне от —1/2 до —1/3 для транзисторов, a U₀ — постоянное напряжение, равное ~ 0,6 В.

Входная емкость С_вх.э имеет другой характер, поскольку вы имеете дело с прямосмещенным переходом. В этом случае эффективная емкость резко растет с увеличением тока базы, так как U близко U₀ и имеет мало общего с указанным в паспорте транзистора значением С_вх.э. Однако оказывается, что эффективная емкость С_вх.э увеличивается с ростом I_э (и, следовательно, с уменьшением r_э), так что произведение RC(r_бС_вх.э) остается почти постоянным. В результате усиление транзистора на определенных частотах зависит в первую очередь от соотношения между током, «теряемым» на С_вх.э, и током, который «действительно» идет в базу и несильно зависит от тока коллектора. Поэтому вместо того, чтобы задавать значение С_вх.э, изготовители транзисторов обычно указывают f_T — частоту, при которой усиление тока (h_21э) падает до 1. Легко показать, что f_T определяется выражением

f_T = 1/2πС_вх.эr_э, или С_вх.э = 1/2π/f_Tr_э

для значений С_вх.э и r_э, данных при некотором токе коллектора. Транзисторы, предназначенные для работы в диапазоне высоких частот, имеют f_T от 500 МГц до 10 ГГц, в то время как у транзисторов общего назначения f_T бывает от 50 до 250 МГц. На рис. 13.4 приведены кривые изменения f_T в зависимости от тока коллектора для типичных транзисторов.