晶体管偏置详解

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       晶体管偏置是将晶体管的直流工作电压或电流条件设置为正确电平的过程,以便晶体管可以正确放大任何交流输入信号。晶体管的稳态操作在很大程度上取决于其基极电流,集电极电压和集电极电流值,因此,如果晶体管要以线性放大器的形式正确运行,则必须在其工作点附近适当偏置。

 

       建立正确的工作点需要选择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的双极晶体管,正确的偏置点通常位于两个极端运行之间,这是因为它沿其直流负载线处于“完全导通”或“完全截止”状态。该中心工作点称为“静态工作点”,简称Q点。

 

       当双极晶体管偏置时,Q点接近其工作范围的中间,即截止和饱和之间的大约一半时,它被称为A类放大器。这种工作模式使输入电压在一个完整的周期内摆动时,输出电压可以在放大器Q点附近增大或减小而不会失真。换句话说,输出在整个输入周期的360 o内可用。

 

       那么我们如何设置晶体管的Q点偏置呢?–使用通常称为“ 基极偏置”的过程可实现晶体管的正确偏置。

 

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       但是,在开始研究可能的不同晶体管偏置方式之前,首先让我们想起一个基本的单晶体管电路及其电压和电流,如左图所示。

 

       “ DC偏置电平”的功能是通过将其集电极电流(I C)设置为恒定的稳态值来正确设置晶体管的Q点,而无需将任何外部输入信号施加到晶体管的基极。

 

       该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设定。

 

       由于晶体管的基极偏置电流是稳态直流电流,因此适当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,从而影响下一级的偏置条件。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

 

       晶体管电路最常用的偏置电路之一是具有发射极偏置电路的自偏置功能,其中一个或多个偏置电阻器用于为三个晶体管电流(I B  )设置初始DC值  , (  I C  )和(  I E  )。

 

       双极晶体管偏置的两种最常见形式是:Beta依赖和Beta独立。晶体管偏置电压在很大程度上取决于晶体管β(  β  ),因此一个晶体管的偏置设置不一定与另一晶体管相同,因为它们的beta值可能不同。可以通过使用单个反馈电阻器或通过使用简单的分压器网络来提供所需的偏置电压来实现晶体管偏置。

 

       以下是来自单电源(Vcc  )的晶体管基极偏置配置的五个示例  。

 

       固定基极偏置晶体管

 

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       所示电路称为“固定基极偏置电路”,因为对于给定的Vcc值,晶体管的基极电流I B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ββ值的函数,因此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。晶体管将不完全相同。

 

       通过经由限流电阻器R B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 B的值就是:(V CC – V BE)/ I B其中I B定义为I C /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

 

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       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,该方法需要两个电阻来为晶体管提供必要的DC偏置。集电极到基极的反馈配置可确保无论Beta(β)的值如何,晶体管始终在有源区域内偏置。DC基极偏置电压来自集电极电压V C,因此提供了良好的稳定性。

 

       在该电路中,基极偏置电阻R B连接到晶体管集电极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,从而自动降低了集电极电流,以保持晶体管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R B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R L两端的压降,因此,如果负载电流增加,R L两端将出现较大的压降,而集电极电压V C相应减小。这种影响将导致基础电流I B相应下降,进而使I C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。然后,这种偏置方法称为自偏置,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都很好。

 

       双反馈晶体管偏置

 

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       通过增加流过基本偏置电阻器的电流,在先前配置的基本偏置网络中添加一个额外的电阻器就可以更好地提高Beta(β)方面的稳定性  。

 

       流过R B1的电流通常设置为等于集电极电流I C的大约10%的值。显然,它也必须比测试版的最低值所需的基极电流较大的β。

 

       这种自偏置配置的优点之一是两个电阻器同时提供自动偏置和Rƒ反馈。

 

       具有发射极反馈的晶体管偏置

 

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       这种类型的晶体管偏置配置(通常称为自发射极偏置)使用发射极和基极-集电极反馈来进一步稳定集电极电流。这是因为电阻器R B1和R E以及晶体管的基极-发射极结均有效地与电源电压V CC串联连接。

 

       这种发射极反馈配置的不利之处在于,由于连接了基极电阻,它会降低输出增益。集电极电压确定流过反馈电阻R B1的电流,该电流产生所谓的“退化反馈”。

 

       从发射极流过的电流I E(是I C  + I B的组合)使电压降沿R E的方向出现,从而使基极-发射极结反向偏置。

 

       因此,如果发射极电流增加,由于集电极电流增加,电压降I * R E也增加。由于此电压的极性反向偏置了基极-发射极结,因此I B自动减小。因此,发射极电流的增加小于没有自偏置电阻器时的情况。

 

       通常,设置电阻器值,以使发射极电阻器R E两端的电压降约为V CC的 10%,流经电阻器R B1的电流为集电极电流I C的 10%。

 

       因此,这种类型的晶体管偏置配置在相对较低的电源电压下效果最佳。

 

       分压晶体管偏置

 

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       此处,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。此偏置配置的名称来自于以下事实:两个电阻器R B1和R B2在电源两端形成一个分压器或分压器网络,其中心点结点如图所示连接到晶体管的基极。

 

       这种分压器偏置配置是使用最广泛的晶体管偏置方法。晶体管的发射极二极管被电阻R B2两端产生的电压值正向偏置。同样,分压器网络偏置使晶体管电路不受beta变化的影响,因为设置在晶体管基极,发射极和集电极端子上的偏置电压不依赖于外部电路值。

 

       为了计算在电阻器R B2两端产生的电压,从而计算施加到基极端子的电压,我们仅使用串联电阻的分压器公式即可。

 

       通常,电阻器R B2两端的电压降远小于电阻器R B1的电压降。显然,晶体管相对于地的基准电压V B等于R B2两端的电压。

 

       流过电阻器R B2的偏置电流的量通常被设置为所需基极电流I B的值的10倍,以使其足够高而不会影响分压器电流或Beta的变化。

 

       晶体管偏置的目的是为双极晶体管建立一个已知的静态工作点或Q点,以使其有效工作并产生未失真的输出信号。晶体管的正确直流偏置还会通过使用两个或四个电阻偏置网络的实际偏置电路来建立其初始交流工作区域。

 

       在双极型晶体管电路中, NPN晶体管的Q点由(V CE,I C)表示,PNP晶体管的Q点由  (  V EC,I C  )表示。通常通过考虑集电极电流与β(β)和温度的函数来评估基极偏置网络的稳定性,从而评估Q点的稳定性。

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晶体管偏置详解

晶体管偏置是将晶体管的直流工作电压或电流条件设置为正确电平的过程,以便晶体管可以正确放大任何交流输入信号。晶体管的稳态操作在很大程度上取决于其基极电流,集电极电压和集电极电流值,因此,如果晶体管要以线性放大器的形式正确运行,则必须在其工作点附近适当偏置。

晶体管发射极电阻的作用

连接到晶体管放大器发射极的发射极电阻可用于增加放大器的偏置稳定性。交流信号放大器电路的目的是稳定放大器的直流偏置输入电压,从而仅放大所需的交流信号。这种稳定是通过使用发射极电阻实现的,该电阻可提供普通发射极放大器所需的自动偏置量。为了进一步说明这一点,请考虑以下基本放大器电路。

晶体管放大器中的放大器失真

由于削波,放大器失真可以采取多种形式,例如幅度,频率和相位失真。为了使信号放大器正常工作而不会对输出信号造成任何失真,它需要在其基础或栅极端子上采用某种形式的直流偏置。需要直流偏置,以便放大器可以在其整个周期内放大输入信号,同时将偏置“ Q点”设置为尽可能靠近负载线的中间。