分壓式偏置共射放大電路

時間：2021-11-18 16:07:08

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[導(dǎo)讀]靜態(tài)工作點穩(wěn)定方法——原理;分壓偏置共射放大電路靜態(tài)分析、動態(tài)分析

在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴(yán)重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。

這樣一個共射放大電路，從晶體管內(nèi)部電流的分配關(guān)系上，知道上式?；谒闹绷魍?，我們知道 IB 等于UCC減去UBE 比上RB。在這個式子里，電源電壓UCC和電阻RB 都是性能比較穩(wěn)定的器件，可以認(rèn)為在溫度變化的時候，兩個參數(shù)不會出現(xiàn)變化。而其他另外三個參數(shù)，β、UBE和 ICBO 都是對溫度敏感的參數(shù)，

★ 溫度對UBE、β 和 ICBO 的影響的影響

溫度的升高，會使得輸入特性曲線，向左移動。也就是溫度每升高一攝氏度，溫度每升高 1度，UBE將減小 -(2～2.5)mV。溫度每升高一攝氏度，β 就將增大0.5%-1%。這就意味著當(dāng)溫度升高的時候，輸出特性曲線會向上移動，同時間距會拉大。而由于ICBO是由少子漂移產(chǎn)生的反向電流，因此它的溫度就更加敏感了。溫度每增加十?dāng)z氏度。ICBO就像增大一倍。由此可見，當(dāng)溫度升高的時候，UBE 會下降，β 和ICBO會增大。這樣的變化帶入IC 的表達(dá)式，就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高的時候，客觀產(chǎn)生的現(xiàn)象是IC 將會增大。而這反映在我們的特性曲線上就可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高的時候，靜態(tài)工作點將會隨著特性曲線的向上移動，而沿著負(fù)載線上移。

穩(wěn)定靜態(tài)工作點的途徑

(1)從元件入手

選擇溫度性能好的元件;

經(jīng)過一定的工藝處理以穩(wěn)定元件的參數(shù)，防止器件老化。

(2)從環(huán)境入手

采用恒溫措施

(3)從電路改進入手

采用溫度補償

引入反饋

穩(wěn)定靜態(tài)工作點的典型電路及其原理

穩(wěn)定靜態(tài)工作點的思路就是在溫度升高的時候減小 IB 從而把本應(yīng)升高的 IC 再降下來。

(1)二極管溫度補償電路

在固定偏置電路中，基于基爾霍夫電流定律，在基極RB 節(jié)點上進行分流，就可以達(dá)到減小 Ib 的效果?；诖丝梢岳猛瑯訉囟让舾械脑＠?，二極管來構(gòu)成溫度補償電路。此時基于基爾霍夫電流定律，IRb = IR+ IB 。而由于固定偏置電路的 IRb 基本確定，當(dāng)溫度升高的時候在引起 IC 增大的同時，根據(jù)二極管的特性分析，溫度升高會導(dǎo)致二極管的反向電流 IR 增大，由于IRB 固定不變，IB 自然就會減小，而 IC 等于βIB 將本應(yīng)升高的 IC 降下來，保持了靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。

(2) 直流負(fù)反饋Q點穩(wěn)定電路

此時IB 不在是與溫度無關(guān)的量，由于β 的出現(xiàn)，使得當(dāng)溫度升高的時候，IC 變大的同時，β 也會增大，就會導(dǎo)致 IB 減小，從而將本應(yīng)升高的 IC 降下來，起到了穩(wěn)定靜態(tài)工作點的效果。

在此過程中，Re 是關(guān)鍵，正是Re 響應(yīng)了 IC 的變化，在 IC 增大的時候抬高了射極電位Ve 。減小了IB，達(dá)到了穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

將RB1 和RB2 取代了原來的基極電阻RB，對于電源UCC 來說，RB1 和RB2 是一種串聯(lián)分壓的形式。故此電路就叫做分壓偏置共射放大電。如果合理地選擇各種器件RB1 和RB2，使得電路中的電流和電壓滿足 I2 >>IB ，VB >>UBE，I2 也就是RB2 上的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流 IB ，而 VB 也就是基極電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UBE，那么就可以通過VB 點的基爾霍夫電流定律，就可以認(rèn)為基極這條支路視為開路?；谧筮呏返拇B分壓關(guān)系，就可以上圖中基極電位 VB 的表達(dá)式。通過此式可以看出VB 都是由電阻、電源確定的，都是與溫度無關(guān)的比較穩(wěn)定的元件，所以在這種情況下，溫度變化的時候基極電位基本恒定。在此前提下，當(dāng)溫度升高的時候，IC 將會增大。而IC ≈ IE ， IE 是RE上的電流，必然導(dǎo)致 RE 上的電壓降會增大，也就是會抬高射極電位VE 。由于基極電位VB 是幾乎與溫度無關(guān)的一個固定量，所以VB 減 VE ，也就是UBE 將會出現(xiàn)下降的趨勢。從而根據(jù)晶體管的特性曲線知道UBE 變小 IB 自然就會變小，從而最后將本應(yīng)升高的集電極電流 IC 降下來，起到穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用。通過此過程可以看到，這個分壓偏置穩(wěn)定靜態(tài)工作點主要有兩方面，一個是通過串聯(lián)分壓穩(wěn)定了基極電位VB ，而另一個則是有賴于RE 引入的直流負(fù)反饋。

(3)引入負(fù)反饋和溫度補償穩(wěn)定Q點

將以上兩種方法結(jié)合起來，一起達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)工作點的目的。例如下圖中的兩個電路就是采用了二極管和熱敏電阻進行溫度補償，同時結(jié)合RE 的直流反饋來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

這里需要注意的是在這樣的二極管的補償電路中，二極管的連接方式和之前的二極管連接方式是不同的，它在陽極接在基極上。此時利用的是二極管正向特性對溫度的敏感性。根據(jù)二極管溫度特性當(dāng)溫度升高的時候，二極管的正向特性將左移。此意味著二極管的端電壓UD 將下降。那這樣一來，由于二極管正極節(jié)點的電壓減小，必然會使得基極電壓VB 也變小，同時由于射極電阻RE 的存在，使得溫度升高的時候，射極電位VE 將會被抬高。一增一減，從而使得UBE 變小，UBE 的減小帶來 IB 減小，最終使得 IC 減小，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

分壓偏置共射放大電路的靜態(tài)分析

方法一戴維南等效電路法

首先可以將輸入回路視為一個有源的二光頭網(wǎng)絡(luò)，就可以利用戴維南等效定理將其等效為一個電壓源和電阻的串聯(lián)，根據(jù)戴維南定理，這個等效電阻RB 應(yīng)該是這樣一個有源網(wǎng)絡(luò)中將信號源置0 以后的等效電阻，將VCC 對地短路，就可以知道此時的等效電阻RB 顯然是RB1 并上RB2，電源UB是這樣一個端口的開路電壓，顯然是RB1和RB2的對UCC 的串聯(lián)分壓。

根據(jù)輸入回路的電壓方程，就可以得到唯一的未知數(shù) IBQ 的表達(dá)式，進而得到ICQ 和UCEQ 。根據(jù)之前結(jié)論這個分壓偏置之所以能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點，其中一個重要因素，就是因為基極電位是一個與溫度無關(guān)的恒定量，我們重點來考察一VB這樣一個參數(shù)。根據(jù)回路的方程，知道VB =UBEQ +(1+β)IB RE ，結(jié)合IBQ 的表達(dá)式，就可以得出一個非常重要的結(jié)論。當(dāng)(1+β)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RB 的時候，此時VB ≈ UBB ，也就是約等于UCCRB2 /(RB1+RB2。從而滿足固定基極電位的需求。因此，這個條件跟上面引入的 I2 >>IB ，VB >>UBE 的條件是等價的。工程上，通常將該關(guān)系式作為分壓偏置電路的穩(wěn)定偏置條件，也是選取RB1、 RB2和RE的依據(jù)。

方法二估算法

根據(jù)我們電路穩(wěn)定偏置條件，也就是 I2 >>IB ，VB >>UBE，那此時根據(jù)VB 節(jié)點的基爾霍夫電流定律，基極之路視為開路，在這樣一種條件下就可以得到 VB 的表達(dá)式，進而在基于RB2、RE支路的電壓方程，率先求得 IE 而 IC ≈ IE，反過來，再利用 IC = βIB 的表達(dá)式，求出IBQ 最終基于輸出回路求取UCEQ 完成靜態(tài)分析。

關(guān)于RE的討論

★RE越大，負(fù)反饋越強，電路溫度穩(wěn)定性越好

★RE 上的電流就是輸出電流IC 。因此RE太大其功率損耗也大

★RE 增大，VE增高，使UCE減小，UCEQ 的位置將會影響最大不失真輸出電壓，而UCEQ 減小必將導(dǎo)致電路動態(tài)范圍變窄，減小了最大輸出電壓幅度。若想在RE 增大的同時任然保持原來的動態(tài)范圍不變，就必須增大 VCC。因此RE不宜取得太大。在小電流工作狀態(tài)下， RE可取幾百歐到幾千歐;大電流工作時， RE為幾歐到幾十歐。

分壓偏置共射放大電路的動態(tài)分析

首先獲得交流通路，將交流通路中的三極管替換成 h 參數(shù)等效模型就可得到微變等效電路。

輸入電阻由于RB1和RB2通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于rbe，所以約等于rbe。

RB1和RB2串聯(lián)分壓確定基極電位VB，RE引入負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

旁路電容CE 比較大，通常在幾十uF左右，在交流作用下可以理想認(rèn)為他短路。如果沒有這個旁電容對放大電路的靜態(tài)性能沒有影響。

在動態(tài)性能方面如果去掉這個旁路電容，RE 就將會出現(xiàn)在微變等效電路中。就會影響放大電路的動態(tài)性。首先，看電壓放大倍數(shù)。方法仍然是相似的，利用 ib 來表示UO 和UI，進而得到電壓放大倍數(shù)。通過輸出回路，可以看到UO 是RC和RL 兩個并聯(lián)電阻上的電壓，而兩者的總電流就 βib，所以仍然可以得到上圖中uo的表達(dá)式，再來看看輸入電壓 ui 。ib 是藍(lán)線支路上的電流，ui 則是上下兩點之間的電壓降，所以就可以用上圖中ui 方程用 ib 來描述 ui，而這部分的電壓顯然有兩部分組成，一部分是 rbe 上的電壓降，是rbe ib ，另外一部分則是RE 上的電壓降，這里要注意RE上的電流是(1+β)IB，寫出表達(dá)式就反映了ui 和 ib 的關(guān)系。將兩者相除，根據(jù)定義就可以得到這個電路的電壓放大倍數(shù)如上圖所示。顯然，跟前面的固定偏置放大電路的電壓放大倍數(shù)不一樣了，而且通常情況下(1+β)RE 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 rbe ，β 和(1+β)又相差無幾。經(jīng)過變化以后，電壓放大倍數(shù)就是：Au = - R’L /RE。這意味著，此時的電壓放大倍數(shù)與晶體管的參數(shù)沒有多大關(guān)系，而只與比較穩(wěn)定的電阻有關(guān)，這就意味著電路放大倍數(shù)的穩(wěn)定性得到了大大的提高。

輸入電阻仍然是輸入端口看進去的等效電阻，由于RB1 和RB2 的并聯(lián)支路的阻值已經(jīng)確定，故Ri = RB1 // RB2 // R’i 。R’i 仍然是端口電壓比上端口電流。他的端口電流就是ib，而端口電壓就是Ui 。而Ui 和iB 上已經(jīng)得到了ui = ibrbe +(1+β) ib RE 這樣的表達(dá)式，可推出R’i 的表達(dá)式是：R’i = rbe+(1+β)RE 。所以這樣一種電路的輸入電阻就等于下圖中的形式。而輸出電阻仍然是可以利用三步走的方法來進行求解。求解后的結(jié)論仍然是RC 。將有旁路電容和沒有旁路電容的結(jié)果加以對比。可以看到，當(dāng)電路中存在著旁路電容的時候，放大電路的動態(tài)性能與固定偏置放大電路沒有區(qū)別。當(dāng)去掉旁邊的時候，放大倍數(shù)出現(xiàn)了變化，是由于分母中(1+β)RE 的存在，使得電壓放大倍數(shù)減小了。但同時又使得穩(wěn)定性大大提高了。在顯然去掉了旁路電容以后電路的輸入電阻大大地提高了，而輸出電阻則保持不變。那為什么一個旁路電容就會對電路的性能產(chǎn)生這么大的影響呢?原因就在于，如果沒有這個旁路電容CE ，那么RE 就將引入交流負(fù)反饋。必然會對電路的動態(tài)性能產(chǎn)生各種影響。

此時我們可以看到，顯然，這樣一個旁路電容對電路的性能的影響有好有壞，他在提高了穩(wěn)定性，增大了Ri 的同時，又損失了電壓放大倍數(shù)。那么在具體的電路的設(shè)計中，可以將電阻RE 一分為二，一部分并上旁路電容，那此時顯然對交流性能有影響的只有RE1 。那這就是一個比較常用的分壓偏置共射放大電路。就可實現(xiàn)放大倍數(shù)不會損失過多，又能夠在一定程度上抬高輸入電阻。