幾種偏置電路在三極管放大電路中的作用

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在三極管放大電路中，為了使三極管在正常工作時(shí)對(duì)輸入信號(hào)舉行不失真的放大后在輸出端有一致的信號(hào)的波形，就要使三極管始終工作在放大區(qū)而不進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，這就要給三極管加上一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)電流。而這個(gè)電流就由三極管的偏置電阻來(lái)供給，這些偏置電阻就構(gòu)成了偏置電路，偏置電路向放大器的三極管供給的電流就稱為偏置電流。由于要使晶體管處于放大狀態(tài)，其基極—射極之間的PN結(jié)理應(yīng)正偏，集電極—基極之間的PN結(jié)理應(yīng)反偏。因此，設(shè)置晶體管放射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，使晶體管工作在放大狀態(tài)的電路，就簡(jiǎn)稱為偏置電路（可以理解為設(shè)置正反偏的電路）。而使晶體管工作在放大狀態(tài)的關(guān)鍵是其基極電壓。因此，基極電壓又稱為偏置電壓。又由于使晶體管工作在放大狀態(tài)的電壓設(shè)置是在其沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)由直流電源供給的。因此，晶體管的直流偏置電壓可以這么定義：晶體管未加信號(hào)時(shí)，其基極與放射極之間所加的直流電壓稱為晶體管的直流偏置電壓。

三極管構(gòu)成的放大器要做到不失真地將信號(hào)電壓放大，就務(wù)必保證三極管的放射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，以常用的NPN型共射放大電路為例，主流是從集電極到放射極的電流I，偏流就是從基極到放射極的電流I。相對(duì)于主電路而言，為基極供給電流的電路就是所謂的偏置電路。偏置電路往往有若干元件，其中有一個(gè)重要電阻，往往要調(diào)整這個(gè)電阻的阻值，以使集電極電流的大小在設(shè)計(jì)的模范之內(nèi)。這個(gè)要調(diào)整的電阻就是偏置電阻。簡(jiǎn)而言之，偏置電阻就是用來(lái)調(diào)理基極偏置電流，使三極管有一個(gè)適合的靜態(tài)工作點(diǎn)。也就是說(shuō)讓放大器有一個(gè)正常的工作電壓，這就與動(dòng)物一樣，要?jiǎng)游锵牖睿銊?wù)必要給它食物，讓它有活動(dòng)的才能。給三極管一個(gè)偏值電壓就是這個(gè)目的，讓三極管無(wú)論何時(shí)都能處于放大狀態(tài)。假設(shè)沒(méi)有偏值電壓三極管將在信號(hào)的正半周處于放大工作狀態(tài)（但此時(shí)信號(hào)電壓將要大于二極管的開(kāi)啟電壓否那么沒(méi)放大的才能），當(dāng)信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)由于參與的是負(fù)電壓所以三極管沒(méi)放大的才能，為了讓三極管有放大的才能就要從電源那接一個(gè)偏置電路為它供給偏置電壓，但是接一個(gè)偏置電阻會(huì)存在好多缺點(diǎn)和缺乏，所以往往要接兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的電阻來(lái)供給適合的偏置電壓，讓偏置電壓處于放大狀態(tài)的中間位置。這個(gè)點(diǎn)就是三極管中重要的靜態(tài)工作Q點(diǎn)。讓動(dòng)態(tài)的信號(hào)在Q點(diǎn)上下移動(dòng)，并且不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)。這就是加偏置電阻的目的。

對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)，不僅關(guān)系到放大電路對(duì)輸入信號(hào)能否不失真地放大，而且對(duì)放大電路的性能指標(biāo)有重大影響。因此，理應(yīng)選擇適合的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。這可以通過(guò)穩(wěn)定偏置電路或電流源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下面集中介紹幾種偏置電路。

第一種是固定偏置放大電路。

如下圖的電路是最根本的固定偏置電路。

固定偏置電阻的值可以使這個(gè)三極管的偏置電流固定在一個(gè)范圍內(nèi)，而往往為了精確調(diào)整這個(gè)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，還要加上一個(gè)可變微調(diào)電阻來(lái)調(diào)整。我們僅以NPN的共放射極放大電路為例來(lái)說(shuō)明一下放大電路的根本原理。下面的分析僅以NPN型硅為例。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的操縱（假設(shè)電源能夠供給給集電極足夠大的電流），并且基極電流有很小的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化得志確定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做電流的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。假設(shè)我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟放射極之間，這就會(huì)引起基極電流I的變化，I的變化被放大后，導(dǎo)致了I很大的變化。假設(shè)集電極電流I是流過(guò)一個(gè)電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來(lái)，就得到了放大后的電壓信號(hào)。把共放射極放大器集電極靜態(tài)電壓設(shè)計(jì)為電源電壓的一半，可以獲得最大輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍。這也是設(shè)計(jì)共放射極放大器的根本原那么。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，雖然I為常數(shù)，但β和I的增大會(huì)導(dǎo)致I的上升。可見(jiàn)，電路的溫度穩(wěn)定性較差。只能用在環(huán)境溫度變化不大，要求不高的場(chǎng)合。

其次種是分壓式射極偏置電路。

如下圖的電路是廣泛采用的一種電流負(fù)反應(yīng)分壓式偏置電路。下面來(lái)分析一下該電路。

這種電路組中的R、R和R是組成放大電路的偏置電路，其中R為上偏置電阻，供給基極偏流I，R為下偏置電阻，對(duì)流經(jīng)R的電流起分流作用，R為放射極電阻，起電流負(fù)反應(yīng)作用，C為放射極交流旁路電容。

分壓式射極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)原理是：當(dāng)溫度上升時(shí)，由于三極管參數(shù)（I、β）的影響，使I增大，放射極電位V=IRe亦隨之增大。又由于極基電位V為固定值，必然導(dǎo)致加到放射結(jié)的正偏電壓V減小，I隨之減小，促使I減小。這樣就牽制了I的增大，從而使I根本不隨溫度變化，穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。這種自動(dòng)調(diào)理過(guò)程為直流電流負(fù)反應(yīng)。R越大，直流負(fù)反應(yīng)的作用就越強(qiáng)，I溫度穩(wěn)定性也就越好。

第三種是集電極—基極偏置電路。

下圖為集電極—基極偏置電路，它是利用電壓負(fù)反應(yīng)作用來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的，稱為電壓負(fù)反應(yīng)偏置電路。

集電極—基極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)原理是：當(dāng)溫度上升時(shí)，由于三極管參數(shù)的影響，使I增大，集電極負(fù)載電阻R上的電壓降隨之增大，導(dǎo)致V減小，I減小，促使I減小。這樣就牽制了I的增大，從而使I根本不隨溫度變化，穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。這種調(diào)理過(guò)程稱為直流電壓負(fù)反應(yīng)。集電極—基極偏置電路不適合R值很小的放大電路。

第四種是溫度補(bǔ)償偏置電路。

下圖是溫度補(bǔ)償偏置電路，這種電路是利用熱敏元件（如熱敏電阻、半導(dǎo)體二極管等）的溫度特性來(lái)補(bǔ)償放大器件的溫度特性，以減小放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的溫度漂移，達(dá)成穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。包括熱敏電阻補(bǔ)償電路和二極管補(bǔ)償電路等。這里就簡(jiǎn)樸介紹一下熱敏電阻補(bǔ)償電路。

上面兩個(gè)電路均利用熱敏電阻R舉行溫度補(bǔ)償。R具有負(fù)溫度系數(shù)，其阻值隨著溫度的升高而減小。

射極偏置電路在較寬的溫度變化范圍內(nèi)都能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，而且更換β值不同的三極管也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的效果；集電極—基極偏置電路能夠抑制三極管的I和V的溫度特性對(duì)I的影響，但不利于抑制β變化對(duì)I的影響；采用熱敏電阻補(bǔ)償，需通過(guò)測(cè)驗(yàn)來(lái)選合作適的R值及特性，也可使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定；二極管補(bǔ)償，可在確定程度上進(jìn)一步提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性。

在實(shí)際的放大電路中，加適合的偏置電路是保證放大器正常工作的重要條件。這里有兩個(gè)理由。首先是由于BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個(gè)二極管），基極電流務(wù)必在輸入電壓大到確定程度后才能產(chǎn)生（對(duì)于硅管，常取0.7V）。當(dāng)基極與放射極之間的電壓小于0.7V時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號(hào)往往遠(yuǎn)比0.7V要小。假設(shè)不加偏置的話，這么小的信號(hào)就缺乏以引起基極電流的變更（由于小于0.7V時(shí)，基極電流都是0A）。假設(shè)我們事先在基極上加上一個(gè)適合的電流，那么當(dāng)一個(gè)小信號(hào)跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會(huì)被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)理由就是輸出信號(hào)范圍的要求，假設(shè)沒(méi)有加偏置，那么只有對(duì)那些增加的信號(hào)放大，而對(duì)減小的信號(hào)