嘮叨系列三極管放大器之直流偏置

(二)分析和計算直流偏置

分析和計算一定要引入模型的,以NPN管為例,因為BE之間有個PN結,所以設置BE之間正偏電壓為0.7V左右顯然是合理的(當然用0.65V 0.75V並不會引起大的誤差)。但是不能強行加一個電源在某兩極之間(因為交流等效下,電源可以視為短路,結果信號完全被旁路)。

三極管最簡單的直流模型如下圖一(手畫湊合看)

圖一,簡化三極管直流等效電路

為何三極管放大電路需要直流偏置,前文已說!

常用的偏置有兩種:一般偏置和反饋偏置(名字不太重要)

一般偏置形式如下圖二A(蟑螂體~~)

圖二

對圖二A用圖一對三極管等效替換後,見圖二B。

圖二C和D分別是對圖二A在不同條件下的簡化,沒啥說的。

以圖二D為例,拿一組數據找找感覺。

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假如R1=68k,R2=47k,RC=390,β=100,計算IB,IC,VB,VC

E極接地,VB=0.7V(算作已知的),不管用KVL還是KCL方式(其實戴維南定理更好用)得到:

IB=(VCC-0.7)/R1-0.7/R2=(12-0.7)/68-0.7/47~=0.15mA;

IC=β*IB=15mA;

VC=VCC-IC*RC=12-15*0.39~=6.15V。

這個VC值幾乎在VCC/2 附近,是合理的,上下都有近似相等餘量。(這個值太低三極管近於飽和,太高三極管接近飽和)。

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如果改變偏置,RC=1k,其他值不變,VC=12-15*1=-3V!這是不可能的。實際電路也測不出這個結果。(實際情況是:由於飽和而引起的β迅速降低,IC減小,RC壓降減小,VC提高到高於0V)

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最後做一個定性討論。重復一遍,直流偏置的目的是設置正確三個極的電壓及(流過)電流值。比如,集電極電流IC,需要它盡可能穩定,不要因為其他因素忽大忽小,或者不同電路板之間,數值不一樣(一致性)。

對於圖二A,當IC ↑ -> IE↑ ->VE↑ ->VBE↓ ->IB↓ ->IC↓,可以看到這個電路有穩定電流的作用。功勞歸於RE的存在。

當然可以用表達式的方式看到RE對IC的影響。

進一步,IC分別對VCC和β求導,計算一下電源電壓,及不同器件的β 變化(或同一器件溫度變化引起的β變化)會引起 IC多大變化。即∆IC/IC與∆β/β 關系。

再次重申,直流偏置也影響交流小信號的性能(比如放大倍數)

另一種不常用的偏置是反饋偏置。見圖三,B極直流偏置電壓來自於輸出VC。

圖三 反饋偏置

計算得到:

IB=(VCC-0.7)/[RC(1+β )+RF];

IC=β*IB;

VC=0.7+IB*RF=0.7+IC*RF/β ; 後一項由於β的存在,比較小,所以VC隻比0.7V大一點,這樣放大器雖然仍工作在放大區,但離飽和區較近,信號擺幅稍大會進入飽和區,所以這種偏置隻適合於很小信號情況。

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結束前說明:這裡說的是分析和計算(已知器件值,求偏置參數),不是設計(從無到有)。

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