沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

Author: Jackie Long

基極分壓式共射極放大電路是在基本共發射極放大電路(common emitter amplifier circuit)上發展起來的,主要是為了克服環境溫度對三極管的影響從而導致電路靜態工作點的不穩定,如下圖所示的基本共發射極放大電路:


沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

由於三極管是硅、鍺等半導體材料製作而成的,當環境溫度升高,內部載流子吸收足夠的能量而激發,導致三極管的放大倍數β、反向漏電流(ICBO、ICEO)會增大,發射結正向壓降VBEQ也會減小,繼而導致三極管的集電極電流ICQ上升,相應的集電極-發射極電壓VCEQ會下降,而這些參數都屬於靜態工作點,如果電路的靜態工作點都不能穩定起來,那麼如何能有效地進行信號的放大呢?就像一個連基本健康保證都沒有的運動員如何能夠"更高、更快、更強"呢?

所以我們需要一種能夠自動穩定靜態工作點的電路,當外界因素變化而電路趨向不穩定時,這種電路能夠自動地將其拉回穩定的狀態,下圖就是我們將要講解的電路:

沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

在基本共射極放大電路的基礎上,增加了兩個電阻RB2與RE(原來的RB變成了RB1),基極電阻RB1與RB2用來對直流電源VCC進行分壓並設置三極管的基極電位VBQ,發射極電阻RE主要起負反饋穩定靜態工作點作用,下面我們來看看它是如何辦到的。

沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

當外界溫度導致集電極電流ICQ上升時,發射極電流IEQ也相應地上升,這樣發射極電位VEQ會上升(電阻RE壓降上升),由於三極管的基極電壓VBQ由電阻分壓決定,因此基極電位VBQ恆定不變,則有發射結電壓VBEQ(VBQ-VEQ)就下降,從而使基極電流IBQ下降,導致集電極電流ICQ與發射極電流IEQ相繼下降,抑制了原來ICQ與IEQ的上升趨勢,從而達到穩定靜態工作點的目的。

為方便後續分析計算,我們假設電路中三極管Q1本體參數如下:

發射結正向壓降VBEQ=0.6V,電流放大倍數β=100,基極的體電阻r'b =0歐姆,熱電壓VT≈26mV,要記住哦,後面用得上的哈

通常我們對放大電路進行分析時,都會以先分析靜態參數再分析動態參數的順序進行,為什麼?因為靜態參數是動態參數的基礎,也就是說,放大電路首先要處於放大狀態(靜態參數)才可以進行信號的放大(動態參數),如果放大電路本身不在放大狀態(如截止或飽和或失真),你進行的動態參數分析是沒有任何意義的,如浮雲一般。

這跟運動員一樣,你首先得具備健康的體魄,年齡、身高、體重、肺活量、血壓、體溫等數據符合相應項目的要求(靜態參數),然後才能進行更高層次的運動(交流參數),

我說上圖所示的放大電路是在放大狀態,但有人會不信呀,我也要拿出證據呀!事實是檢驗真理的惟一標準,我們來計算一下電路的靜態參數:

靜態參數也叫靜態工作點(Quiescent operation point),簡稱"Q點",通常是在直流通路下分析計算的。所謂直流通路,是在沒有輸入信號源(交流)的情況下,由直流電壓產生的直流電流經過的通路,要獲取直流通路需要做以下幾件事:

1、電容開路:電容有隔直流通交流的功能,在直流狀態下,相當於無窮大的電阻;

2、電感短路:電感對交流的相應感抗,但在直流狀態下,相當於一根導線;

3、交流源置0:因為是在計算直流通路相關的參數;

處理後如下圖所示:

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這樣信號源、負載都與三極管Q1斷開,我們再將相應的直流電壓與電流標記一下(都有個Q字母下標表示靜態工作點參數),以方便我們做進一步的分析,如下圖所示:

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我們需要分析的參數有三個:基極靜態電流IBQ、集電極靜態電流ICQ、集電極-發射級電壓VCQ(我們最終目的是要VCQ、VEQ值來證明集電結處於反向電壓偏置狀態)

沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

從這些靜態工作點參數的計算順序,也可以看出此電路與基本放大電路的區別:在基本放大電路中,集電極電流ICQ是由ICQ = IBQ×β這個表達式計算出來的,而三極管的放大倍數β與溫度相關,所以基本放大電路的靜態工作點會隨溫度變化而變化,而在此電路中,ICQ與VCEQ與三極管沒有關係了,只與發射極電阻RE有關(說即靜態工作點不再隨溫度變化)

我們將已知參數代入進公式,即有:(VBEQ與電流放大倍數β已有假設參數)

沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

所謂紙上得來終覺淺 絕知此事要躬行,我們用仿真軟件Multisim來分析一下這個電路,並與我們計算的結果對比一下,如下圖所示:

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(將電流與電壓探針放到裡面是為了截圖的方便)可以看到結果相差不大,仿真結果中基極電位VBQ比計算值低一些,是因為我們忽略了電阻rbe與RE/R6的串聯值,這個串聯值本應該與RB1/R5並聯的),發射極電位VEQ有誤差是因為仿真中的三極管的發射結正向壓降大一些。

此時三極管Q1各個極的電位如下圖所示:

沒有考試也溫習(3)基極分壓式共射極放大電路靜態工作點分析

謎底終於解開了,發射結正偏(0.6V),集電結反偏(-2.7V),說明當前的電路確實是在放大狀態。

下面我們用小信號等效模型分析方法進行動態參數的計算,麼麼噠~~


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