2.3 分压式固定偏置放大电路
晶体管的温度特性较差,温度上升会使晶体管的反向饱和电流ICBO和电流放大系数β增大,同时使发射结电压UBE减小,这样的变化会影响到静态工作点的稳定,严重的会使输出信号失真,电路无法正常工作。为了稳定静态工作点,可以采用分压式固定偏置放大电路。
2.3.1 分压式固定偏置放大电路的基本组成
分压式固定偏置放大电路如图2-20所示。电路中,RB1为上偏置电阻,RB2为下偏置电阻,直流电压源UCC经RB1和RB2分压后与晶体管的基极相连;RC是集电极电阻;RE是发射极电阻,其两端并联的大电容CE称为射极旁路电容。利用CE“隔直通交”的功能,使RE在交流通路中不起作用,从而使交流信号的放大能力不受影响。
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图2-20 分压式固定偏置放大电路
2.3.2 分压式固定偏置放大电路静态工作点的稳定
如图2-20b所示电路是分压式固定偏置放大电路的直流通路。选择合适的RB1和RB2使晶体管正常工作时满足I1>>IB(通常情况下,基极电流IB是几十微安,电流I1在毫安数量级),这样就认为IB≈0、I1≈I2,忽略IB对I1的分流作用,则晶体管基极的电位基本恒定。
当环境温度T升高时,电路中的集电极电流IC增大,发射极电流IE随之增大(因为IE=IB+IC≈IC),发射极的电位VE=IERE也随之升高。因为VB基本不变,所以晶体管的输入电压UBE=VB-VE降低,导致IB减小(因为UBE和IB正相关,同增同减),从而使IC=βIB减小。温度下降时的自动调节过程与温度上升是相反,请读者自行分析。
上述IC受温度影响后的稳定过程可简单表示如下。
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通过以上分析可以看出,分压式固定偏置放大电路具有自动稳定静态工作点的能力,即当放大电路的环境温度变化时,该电路能够实现晶体管集电极电流IC基本保持不变。
需要说明的是,虽然分压式固定偏置放大电路必须满足条件:I1>>IB、VB>>UBE,但并不是I1和VB越大越好。因为I1增大不仅会增加电路的功率损耗,而且降低放大电路的输入电阻,减小放大电路输入电压ui。因此一般选取原则为:硅晶体管应为I1=(5~10)IB;锗晶体管应为I1=(10~20)IB。
同样,基极电位VB也不能太高,否则由于发射极电位VE=VB-UBE的升高,会使UCE=UCC-ICRC-VE减小,从而减小了放大电路输出电压的变化范围,因此一般选取硅晶体管应为VB=(3~5)UBE;锗晶体管应为VB=(1~3)UBE。
2.3.3 分压式固定偏置放大电路的分析
1.静态分析
分析分压式固定偏置放大电路的静态工作点时,应先求VB,然后按照VE、IEQ、ICQ、IBQ和UCEQ的顺序求解。
在如图2-20b所示分压式固定偏置放大电路的直流通路中,I1>>IB,所以可得
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2.动态分析
分压式固定偏置放大电路的交流通路如图2-21a所示,图2-21b为其微变等效电路。
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图2-21 分压式固定偏置放大电路的交流通路和微变等效电路
如果将图2-21b中的RB1//RB2看成一个电阻RB,则图2-21b与图2-13b共射极放大电路的微变等效电路完全相同,所以动态参数为
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【例2-3】在图2-20a所示分压式固定偏置电路中,已知UCC=12V、RB1=70kΩ、RB2=30kΩ、RC=2kΩ、RE=2kΩ、RL=6kΩ,晶体管的电流放大系数β=50、UBEQ=0.6V。求:1)静态工作点的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。2)放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。
解:1)利用放大电路的直流通路,如图2-20b所示。
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【例2-3】分压式固定偏置放大电路直流通路仿真
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2)求出晶体管的输入电阻为
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根据如图2-21b所示的放大电路的微变等效电路,可得电压放大倍数为
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输入电阻为
ri=RB1//RB2//rbe≈rbe=1.084kΩ
输出电阻为
ro=RC=2kΩ
如果发射极电阻RE旁没有并联CE,RE就会对放大电路的动态性能指标产生影响,尤其是对放大倍数的影响。如图2-22a所示为无旁路电容CE时分压式固定偏置电路的交流通路,如图2-22b所示为无旁路电容CE时分压式固定偏置电路的微变等效电路。
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图2-22 无旁路电容CE的交流通路和微变等效电路
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旁路电容CE的作用
无旁路电容CE时电压放大倍数为
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输入电阻和输出电阻的分析不再赘述,请读者自行分析。由以上的计算分析可知,如果电阻RE旁没有并联旁路电容CE,会使电压放大倍数Au大大下降。