晶體管偏置和輸出偏置電壓

2020-07-21

雙極結型晶體管（BJT）操作為在應用如放大器，振蕩器等，或者在轉換器的數字裝置和開(kāi)關(guān)電路或者模擬設備。晶體管的這種雙重作用是通過(guò)晶體管偏置實(shí)現的。

施加到晶體管的兩個(gè)PN結的偏置會(huì )影響多數載流子的運動(dòng)，從而影響晶體管的性能。晶體管在放大器中工作的偏置與基于晶體管的轉換器中的偏置完全不同。表1給出了有關(guān)當晶體管用作模擬和數字設備時(shí)發(fā)射極和集電極結處的工作范圍和偏置條件的詳細信息。

表1晶體管的工作區域和偏置條件

晶體管開(kāi)關(guān)的偏置電路通常稱(chēng)為基極驅動(dòng)電路。我們正在討論晶體管放大器中的晶體管偏置。

通常，晶體管放大器在其輸入和輸出之間共享一個(gè)公共端子，表2給出了三種可能的配置。

表2.晶體管配置詳細信息

圖1基本CE放大器

讓我們來(lái)了解一下一個(gè)CE硅NPN晶體管放大器（如圖1所示）?？梢詮膯蝹€(gè)直流電壓V cc提供E和C結，因為它滿(mǎn)足了提供輸入晶體管電流的主要目的。當交流信號V in與偏置電壓V CC疊加時(shí)，它類(lèi)似地隨時(shí)間變化I B。遵守表2中針對CE放大器給出的關(guān)系，并且I c遵循I B的形狀。晶體管數據手冊中以表示的電流增益為I c -I B關(guān)系中的比例常數。電壓降I C R L給出交流輸出電壓V out。 

您認為沒(méi)有直流偏置就可以放大嗎？如果是這樣，請從基準斷開(kāi)V cc并預測V out。我們知道，EB結僅在V in > 0.7 V（EB電壓降）的瞬時(shí)值保持FB ，否則保持RB?，F在，將此概念與負半周期和V in <0.7的瞬間相結合?？紤]到所有因素，您應該處于無(wú)電壓狀態(tài)。 

確定最佳偏置電壓

在圖1中，包括了耦合電容器C i和C c，以分別阻止輸入和輸出的直流分量。如果去除了C c，則輸出電壓V out會(huì )發(fā)生V cc電壓的直流偏移。  

現在，如果要設計一個(gè)放大器，使其輸出交流電壓峰值為10 V，那么您希望使用哪種偏置電壓？您的答案等于10 V嗎？哦，沒(méi)問(wèn)題，我們會(huì )逐步解決。 

您知道C c之前和之后的電壓。  分別是（10 V峰值交流電壓+ V cc）和10 V峰值交流電壓。如果要在C c之后尋找對稱(chēng)的10 V峰值交流輸出電壓，則V cc至少應為20 V，對嗎？如果沒(méi)有，會(huì )發(fā)生什么？輸出電壓Vout將不對稱(chēng)，峰值將無(wú)法滿(mǎn)足要求?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，最佳V cc應該為2 *（所需V out的峰值幅度）。如果您可以在上述計算中加上晶體管的壓降和源極電阻，則V cc將成為最佳選擇。 

Q點(diǎn)易受晶體管偏置電壓的影響嗎？

一旦連接了V cc，IB就開(kāi)始在電路中循環(huán)（圖1）。從圖2中可以看出，對于每個(gè)IB，都有一組（V CE，I C）坐標。在零V in時(shí)從V cc提供的I B的（V CE，I C）稱(chēng)為直流工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)（Q點(diǎn)）。對于線(xiàn)性晶體管放大器，明智的做法是將Q點(diǎn)保持在有源區域的中間。 

圖2 Q點(diǎn)是CE晶體管的直流負載線(xiàn)和輸出特性的交點(diǎn)

如何將Q點(diǎn)放置在活動(dòng)區域的中間？這可以通過(guò)使用插入在V cc和晶體管基極之間的限制電阻R B來(lái)調節V cc提供的I B來(lái)實(shí)現。偏置電路的設計有兩個(gè)注意事項：

即使引入由于V in引起的AC擺幅，I B仍應保持在有源區的中間。這保證了放大器的穩定和線(xiàn)性工作。

與這些I B擺幅相對應的（V CE，I C）應在晶體管數據手冊中規定的（V CE，sat，I C，sat）范圍內。

在選定的I B曲線(xiàn)中，有許多滿(mǎn)足上述標準的（V CE，I C）組合。在選擇的I B曲線(xiàn)中，將Q點(diǎn)精確固定在哪里？這可以通過(guò)畫(huà)直流負載線(xiàn)來(lái)解決。連接放大電路中最大可能的I c和V CE的線(xiàn)稱(chēng)為直流負載線(xiàn)。 

施加KVL在直流偏置條件下與放大器（圖一）的輸出側（C ?內部電阻忽略不計），我們得到

V CE = V cc -I C R L                       （1）

最大可能的I C和V CE分別由公式（2）和（3）給出 

V CE，max = V cc在I C = 0（2）

I C，最大 = V cc / R L，V CE = 0（3）

直流負載線(xiàn)與所選的I B曲線(xiàn)的交點(diǎn)是忠實(shí)運行放大器的理想Q點(diǎn)。

對于給定的放大器，Q點(diǎn)隨著(zhù)V cc的上升而向上移動(dòng)，反之亦然?，F在，您對V cc連續波動(dòng)的晶體管放大器的Q點(diǎn)有何推斷？對，就是這樣！我們需要穩定的晶體管偏置以實(shí)現無(wú)失真放大。

偏置點(diǎn)分析

有時(shí)找到智能快捷方式是可以的。通過(guò)在電路仿真平臺中運行偏置點(diǎn)分析，可以確定放大器不同組件中的Q點(diǎn)以及電壓，電流和功率消耗。