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初級模擬電路:3-6 共射放大電路-1(固定偏置的直流分析)

2020-09-14 09:37:14 作業系統

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      BJT共射級電路放大器是比較常用的一種放大電路,不同于前面的共基級放大器單一的電路形式,共射級放大器的設計比較靈活,歷史上人們曾經設計出過很多各種各樣的共射級放大器,最常用的是以下三種形式的共射放大電路(見下圖3-06.01),一般只要掌握了這三種電路的共通分析方法,那以后再遇到其他比較偏門的共射電路時,我們也可以按照我們已掌握的共通方法,分析出其基本電路特性,

圖 3-6.01 

 

1.   固定偏置

      固定偏置(fixed-bias configuration)是最簡單的共射放大電路結構,我們現以npn型晶體管為例對齊進行直流分析,

 

(1) 輸入靜態作業點

      我們將固定偏置的共射放大電路重畫于下,在直流分析(靜態分析)時,可將動態輸入電壓vi視為0,

圖 3-6.02 

      對于輸入端回路,BJT的發射結正偏,我們采用簡化分析模型,假設VBE固定為0.7V,因此在輸入回路可得:

      上式的IB即為輸入端的靜態作業電流,在上式中我們可以取合適得RB,而得到一個比較合理得IB值(一般為幾個微安級),

 

(2) 輸出靜態作業點

      輸出靜態作業點,即為求VCE和IC,我們將輸出回路的電壓電流關系畫于下圖:

圖 3-6.03 

      當BJT作業于正常的放大區時:

      在輸出回路可得:

      上兩式中的VCE和IC即為輸出的靜態作業點,

 

(3) 飽和條件

      在共射電路中的飽和條件與共基電路稍有不同,在共基電路中,VCE<0會進入飽和,而在共射電路中,只要VCE<VCEsat(一般我們常近似取為0.3V),晶體管就會進入飽和,因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

      當共射電路的進入飽和時,輸入端IB的繼續增大不會使輸出電流IC繼續增大,雖然不會像共基電路那樣損壞晶體管,但會使基極電流IB與射極電流IC之間的放大倍數小于原來的β引數,

 

(4) 固定偏置的缺點

      固定偏置的優點是:結構簡單、概念清晰,但是我們一般很少將固定偏置電路直接應用于實際設計,原因在于固定偏置電路有一個致命的缺點:就是作業點不穩,

      前面曾經說過,由于半導體器件加工工藝的限制,一般引數都會偏離標準值,比如對某個BJT來說,放大系數β在50~200范圍內都算正常,整整差了4倍,那么根據上式:

      同樣的電路,輸出靜態電流IC就會差整整4倍,輸出靜態電壓VCE也會有較大范圍的變化,由此帶來的電路功耗、放大倍數等一系列性能也會跟著變化,這樣不穩定的性能是無法在實際產品中使用的,

 

2.   改進的固定偏置

 

(1) 負反饋的作用

      在固定偏置的發射極增加一個射極電阻RE,可以大大提高電路的穩定性,如下圖所示,這種形式的電路也可以稱為射極偏置(emitter-bias Configuration):

圖 3-6.04 

      這種設計稱為“負反饋”設計,負反饋設計是一個很龐大的話題,這里你可以先簡單將其理解為:負反饋結構的電路本身有一種穩定作用,當某種非正常因素(比如β值偏移,溫度影響等等)導致電路作業點偏移時,負反饋結構會迫使電路作業點回向正常值方向移動,從而減小偏移值,提高穩定性,

      我們這里先粗略定性地看一下射極電阻RE對提高電路穩定性的作用:

      (1)當放大系數β增大導致IC增大時,流過RE的電流IE也會增大,由此會導致E點的的電壓VE升高,

      (2)當VE升高,由于VBE保持固定值0.7V不變,因此結果導致B點電壓VB升高,

      (3)VB升高,但VCC不變,由此導致RB兩端的壓降減小,從而導致輸入電流IB減小,

      (4)IB的減小最侄訓導致IC的減小,抑制了前面因β增大導致IC增大的效應,因此提高了電路的穩定性,

      當然,如果你若要深究的話,又會發現:IC的減小會導致IE的減小,再導致VE的減小和VB的減小,然后又使得IB增大……那么,究竟哪個對最終結果的影響力更大些?這個就需要下面的定量分析了,

 

(2) 靜態作業點分析

圖 3-6.05 

● 先看輸入回路:

      輸入回路的關系式為:

      解得:

 

● 再看輸出回路:

      當BJT作業于放大區時:

      輸出回路的關系式為:

      為簡化計算,設IE≈IC,最終解得:

 

● 關于簡化運算的說明:

      這里你可能還有一點小疑惑,為什么在輸入回路中,不把(1+β)簡化成≈β,不去掉那個1?而在輸出回路中,卻做了IE≈IC¬的簡化,去掉了那個1呢,其實理由很簡單:輸入回路的計算式中,即便留著那個1,計算起來也不麻煩,所以就放著了,而在輸出回路的計算式中,留著那個1算起來稍微有點麻煩了,所以就把它給去掉了,

      聽著是不是很隨意呢?其實這就是工程中模擬電路的魅惑點所在,因為實際的模擬電路要面臨很多的不確定引數的影響(比如,常規使用的電阻都是5%的誤差等級的;BJT等半導體器件的引數甚至會有50%以上的偏差;受溫度影響,很多引數也會偏),你辛辛苦苦算出來的精確解,僅一個5%的電阻阻值偏差就可以把結果給帶偏,所以,太精確的計算有時并不是很必要,很多計算都可以作簡化,那么,究竟對哪些部分可以做簡化,哪些部分不作簡化呢?這個在很大程度上取決于設計者本人的經驗(或者說直覺),

      所以,有時你可以看到在一些不同的模電教材上,對于同樣形式的電路,不同的作者會給出稍微有點不同的公式,這個是因為他們各自取的簡化點不同,但是,分析原理肯定都是一樣的,而且他們的結果也都是可用的,這個隨著你本人經驗的增長,就會理解他們各自的做法了,

案例3-6-1: 在下圖中,計算當β=50和β=200時的IB, IC, VCE,并進行比較,

解: (1)當β=50時:

      假設BJT作業于放大區:

      再來求VCE:

      驗證:VCE1 > VCESat,說明前面關于BJT作業于放大區的假設正確,

 

(2)當β=200時:

      假設BJT作業與放大區:

      再來求VCE:

      驗證:VCE2 > VCESat,說明前面關于BJT作業于放大區的假設正確,

 

(3)比較:

      當β1和β2相差4倍時:

      IC1和IC2只相差2.5倍,說明反饋電阻RE確實改善了電路的穩定性,

      另外,當β=200時,VCE2僅比飽和閾值VCESat (0.7V)大一點點,已處于放大區的邊緣,還可以勉強作業,若是沒有反饋電阻RE,BJT會早早地就進入飽和區,而不能起正常放大作用了,

 

(3) 飽和條件

      當VCE<VCESat時,晶體管進入飽和區,因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

      當IC>ICsat時,晶體管進入飽和,

     

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