深入解析晶体管偏置电路的原理和设计考虑因素

标签:晶体管
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晶体管的偏置是为了确保其直流工作电压或电流达到正确水平,以便能够正确放大任何交流输入信号。晶体管的稳态操作主要取决于基极电流、集电极电压和集电极电流值。为了使晶体管能够正常作为线性放大器运行,在其工作点附近必须进行适当的偏置设置。
 
建立正确的工作点需要选择合适的偏置电阻器和负载电阻器,以提供适当的输入电流和集电极电压条件。对于NPN或PNP双极晶体管来说,正确的偏置点通常位于两个极端之间。这是因为在直流负载线上,晶体管处于“完全导通”或“完全截止”的状态。该中心工作点被称为“静态工作点”,简称Q点。
 
当双极晶体管的Q点接近工作范围的中间位置(即处于截止和饱和之间的约一半时),它被称为A类放大器。在这种工作模式下,输入电压的完整周期内,输出电压可以在Q点附近按比例增大或减小,而不会失真。换句话说,输出可以在整个输入周期的360度范围内使用。
 
那么,如何设置晶体管的Q点偏置呢?我们可以使用一种通常称为“基极偏置”的过程来实现晶体管的正确偏置。
 
在开始研究可能的不同晶体管偏置方式之前,让我们首先回顾一下一个基本的单晶体管电路及其电压和电流。该电路如左图所示。
 
“DC偏置电平”的功能是通过将集电极电流(IC)设置为恒定的稳态值来正确设置晶体管的Q点,而无需施加任何外部输入信号到晶体管的基极。这个稳态或直流工作点由电路直流电源电压(Vcc)的值以及连接到晶体管基极端子的任何偏置电阻的值来确定。
 
由于晶体管的基极偏置电流是稳态直流电流,适当地使用耦合电容器和旁路电容器将有助于阻止来自其他晶体管级的任何偏置电流对下一级的偏置条件产生影响。基极偏置网络可用于共基极(CB)、共集电极(CC)或共射极(CE)晶体管配置。在这个简单的晶体管偏置教程中,我们将研究可用于公共发射极放大器的不同偏置方式。
 
偏置普通发射极放大器
 
晶体管电路中最常用的偏置电路之一是带有自偏置、发射极偏置电路,其中一个或多个偏置电阻器用于设置三个晶体管电流(I<sub>B</sub>)、(I<sub>C</sub>)和(I<sub>E</sub>)的初始直流值。
 
双极晶体管偏置有两种最常见的形式:β依赖和β独立。晶体管的偏置电压在很大程度上取决于晶体管的β(β),因此一个晶体管的偏置设置不一定与另一个晶体管相同,因为它们的β值可能不同。可以通过使用单个反馈电阻器或简单的分压器网络来提供所需的偏置电压以实现晶体管的偏置。
 
以下是来自单电源(V<sub>CC</sub>)的晶体管基极偏置配置的五个示例。
 
固定基极偏置晶体管
 
所示电路被称为"固定基极偏置电路",因为对于给定的V<sub>CC</sub>值,晶体管的基极电流I<sub>B</sub>保持恒定,因此晶体管的工作点也必须保持固定。这两个电阻偏置网络用于使用固定电流偏置来建立晶体管的初始工作区域。
 
这种类型的晶体管偏置装置也是依赖于β的偏置,因为工作的稳态条件是晶体管β值的函数,所以对于与晶体管特性相同类型的晶体管,偏置点将在很宽的范围内变化,使得晶体管不完全相同。
 
通过限流电阻器R<sub>B</sub>施加所需的正基极偏置电压,晶体管的发射极二极管被正向偏置。假设使用标准的双极晶体管,则正向基极-发射极的压降为0.7V。那么,R<sub>B</sub>的值为:(V<sub>CC</sub> – V<sub>BE</sub>)/ I<sub>B</sub>,其中I<sub>B</sub>定义为I<sub>C</sub>/β。
 
使用这种单电阻器类型的偏置装置,偏置电压和电流在晶体管工作期间不会保持稳定,并且可能会发生巨大变化。晶体管的工作温度也可能不利地影响工作点。
 
集电极反馈偏置晶体管
 
这种自偏置的集电极反馈配置是另一种依赖于β的偏置方法,它需要两个电阻来为晶体管提供必要的直流偏置。集电极到基极的反馈配置确保晶体管始终在有源区域内偏置,无论β(β)的值如何。DC基极偏置电压来自集电极电压VC,从而提供了良好的稳定性。
 
在该电路中,基极偏置电阻RB连接到晶体管的集电极C,而不是电源电压轨Vcc。现在,如果集电极电流增加,则集电极电压下降,从而降低了基极驱动,进而自动减小了集电极电流,以保持晶体管的Q点固定。因此,这种集电极反馈偏置方法会在晶体管周围产生负反馈,因为存在通过电阻RB从输出端到输入端的直接反馈。
 
由于偏置电压来自负载电阻RL两端的压降,因此,如果负载电流增加,RL两端将出现更大的压降,从而使集电极电压VC相应地减小。这种影响将导致基极电流IB相应下降,进而使集电极电流IC恢复正常。
 
当晶体管的集电极电流减小时,也会发生相反的反应。因此,这种偏置方法被称为自偏置。利用这种类型的反馈偏置网络,晶体管的稳定性通常对大多数放大器设计来说都很好。
 
分压晶体管偏置
 
在这种偏置配置中,使用分压器网络对常见的发射极晶体管配置进行偏置,以提高稳定性。这个偏置方法的名称来自以下事实:两个电阻RB1和RB2构成了一个分压器或分压器网络,在电源的两端形成一个中心节点,该节点连接到晶体管的基极。
 
分压器偏置配置是最常用的晶体管偏置方法之一。通过电阻器RB2两端产生的电压值,将发射极二极管正向偏置。同样,分压器网络的偏置使得晶体管电路不受β变化的影响,因为设置在晶体管的基极、发射极和集电极端子上的偏置电压不依赖于外部电路值。
 
为了计算施加到基极端子的电压,从而计算出在电阻器RB2两端产生的电压,我们可以使用串联电阻的分压公式。
 
通常情况下,电阻器RB2两端的电压降远小于电阻器RB1的电压降。很明显,相对于地的基极电压VB等于RB2两端的电压。
 
流过电阻器RB2的偏置电流通常设定为所需基极电流IB值的10倍,以确保足够高,但不会影响分压器电流或β的变化。
 
晶体管偏置的目的是为了建立一个已知的静态工作点或Q点,使双极型晶体管能够有效工作并产生未失真的输出信号。通过使用实际的偏置电路,使用两个或四个电阻器偏置网络来建立晶体管的初始交流工作区域,从而正确地进行直流偏置。
 
在双极型晶体管电路中,NPN晶体管的Q点表示为(VCE,IC),PNP晶体管的Q点表示为(VEC,IC)。通常通过考虑集电极电流与β和温度的函数来评估基极偏置网络的稳定性,以此来评估Q点的稳定性。
 
关键词:罗姆晶体管

 

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