淺析電晶體偏置電路設計實現方案

2021-01-15 電子發燒友
淺析電晶體偏置電路設計實現方案

上海韜放電子 發表於 2021-01-14 14:48:26

雙極結型電晶體（BJT）操作為在應用如放大器，振蕩器等，或者在轉換器的數字裝置和開關電路或者模擬設備。電晶體的這種雙重作用是通過電晶體偏置實現的。

施加到電晶體的兩個PN結的偏置會影響多數載流子的運動，從而影響電晶體的性能。電晶體在放大器中工作的偏置與基於電晶體的轉換器中的偏置完全不同。表1給出了有關當電晶體用作模擬和數字設備時發射極和集電極結處的工作範圍和偏置條件的詳細信息。

表1電晶體的工作區域和偏置條件

電晶體開關的偏置電路通常稱為基極驅動電路。我們正在討論電晶體放大器中的電晶體偏置。

通常，電晶體放大器在其輸入和輸出之間共享一個公共端子，表2給出了三種可能的配置。

表2.電晶體配置詳細信息

圖1基本CE放大器

讓我們來了解一下一個CE矽NPN電晶體放大器（如圖1所示）。可以從單個直流電壓V cc提供E和C結，因為它滿足了提供輸入電晶體電流的主要目的。當交流信號V in與偏置電壓V CC疊加時，它類似地隨時間變化I B。遵守表2中針對CE放大器給出的關係，並且I c遵循I B的形狀。電晶體數據手冊中以表示的電流增益為I c -I B關係中的比例常數。電壓降I C R L給出交流輸出電壓V out。

您認為沒有直流偏置就可以放大嗎？如果是這樣，請從基準斷開V cc並預測V out。我們知道，EB結僅在V in 》 0.7 V（EB電壓降）的瞬時值保持FB ，否則保持RB。現在，將此概念與負半周期和V in 《0.7的瞬間相結合。考慮到所有因素，您應該處於無電壓狀態。

確定最佳偏置電壓

在圖1中，包括了耦合電容器C i和C c，以分別阻止輸入和輸出的直流分量。如果去除了C c，則輸出電壓V out會發生V cc電壓的直流偏移。

現在，如果要設計一個放大器，使其輸出交流電壓峰值為10 V，那麼您希望使用哪種偏置電壓？您的答案等於10 V嗎？哦，沒問題，我們會逐步解決。

您知道C c之前和之後的電壓。 分別是（10 V峰值交流電壓+ V cc）和10 V峰值交流電壓。如果要在C c之後尋找對稱的10 V峰值交流輸出電壓，則V cc至少應為20 V，對嗎？如果沒有，會發生什麼？輸出電壓Vout將不對稱，峰值將無法滿足要求。可以肯定地說，最佳V cc應該為2 *（所需V out的峰值幅度）。如果您可以在上述計算中加上電晶體的壓降和源極電阻，則V cc將成為最佳選擇。

Q點易受電晶體偏置電壓的影響嗎？

一旦連接了V cc，IB就開始在電路中循環（圖1）。從圖2中可以看出，對於每個IB，都有一組（V CE，I C）坐標。在零V in時從V cc提供的I B的（V CE，I C）稱為直流工作點或靜態點（Q點）。對於線性電晶體放大器，明智的做法是將Q點保持在有源區域的中間。

圖2 Q點是CE電晶體的直流負載線和輸出特性的交點

如何將Q點放置在活動區域的中間？這可以通過使用插入在V cc和電晶體基極之間的限制電阻R B來調節V cc提供的I B來實現。偏置電路的設計有兩個注意事項：

即使引入由於V in引起的AC擺幅，I B仍應保持在有源區的中間。這保證了放大器的穩定和線性工作。

與這些I B擺幅相對應的（V CE，I C）應在電晶體數據手冊中規定的（V CE，sat，I C，sat）範圍內。

在選定的I B曲線中，有許多滿足上述標準的（V CE，I C）組合。在選擇的I B曲線中，將Q點精確固定在哪裡？這可以通過畫直流負載線來解決。連接放大電路中最大可能的I c和V CE的線稱為直流負載線。

施加KVL在直流偏置條件下與放大器（圖一）的輸出側（C ç內部電阻忽略不計），我們得到

V CE = V cc -I C R L （1）

最大可能的I C和V CE分別由公式（2）和（3）給出

V CE，max = V cc在I C = 0（2）

I C，最大 = V cc / R L，V CE = 0（3）

直流負載線與所選的I B曲線的交點是忠實運行放大器的理想Q點。

對於給定的放大器，Q點隨著V cc的上升而向上移動，反之亦然。現在，您對V cc連續波動的電晶體放大器的Q點有何推斷？對，就是這樣！我們需要穩定的電晶體偏置以實現無失真放大。

偏置點分析

有時找到智能快捷方式是可以的。通過在電路仿真平臺中運行偏置點分析，可以確定放大器不同組件中的Q點以及電壓，電流和功率消耗。
編輯：hfy

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