静态工作点稳定方法——原理;分压偏置共射放大电路静态分析、动态分析_分压式静态工作点稳定电路-程序员宅基地

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温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下,将引起静态工作点的变动,严重时将使放大电路不能正常工作,其中影响最大的是温度的变化

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这样一个共射放大电路,从晶体管内部电流的分配关系上,知道上式。基于他的直流通路,我们知道 IB 等于UCC减去UBE 比上RB。在这个式子里,电源电压UCC和电阻RB 都是性能比较稳定的器件,可以认为在温度变化的时候,两个参数不会出现变化。而其他另外三个参数,β、UBE和 ICBO 都是对温度敏感的参数,

★ 温度对UBE、β 和 ICBO 的影响的影响

温度的升高,会使得输入特性曲线,向左移动。也就是温度每升高一摄氏度,温度每升高 1度,UBE将减小 -(2~2.5)mV。温度每升高一摄氏度,β 就将增大0.5%-1%。这就意味着当温度升高的时候,输出特性曲线会向上移动,同时间距会拉大。而由于ICBO是由少子漂移产生的反向电流,因此它的温度就更加敏感了。温度每增加十摄氏度。ICBO就像增大一倍。由此可见,当温度升高的时候UBE 会下降,β 和ICBO会增大。这样的变化带入IC 的表达式,就会发现,当温度升高的时候,客观产生的现象是IC 将会增大。而这反映在我们的特性曲线上就可以发现,当温度升高的时候,静态工作点将会随着特性曲线的向上移动,而沿着负载线上移

稳定静态工作点的途径

(1)从元件入手
选择温度性能好的元件;
经过一定的工艺处理以稳定元件的参数,防止器件老化。

(2)从环境入手
采用恒温措施

(3)从电路改进入手
采用温度补偿
引入反馈

稳定静态工作点的典型电路及其原理

稳定静态工作点的思路就是在温度升高的时候减小 IB 从而把本应升高的 IC 再降下来。

(1)二极管温度补偿电路

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在固定偏置电路中,基于基尔霍夫电流定律,在基极RB 节点上进行分流,就可以达到减小 Ib 的效果。基于此可以利用同样对温度敏感的元件。例如,二极管来构成温度补偿电路。此时基于基尔霍夫电流定律,IRb = IR+ IB 。而由于固定偏置电路的 IRb 基本确定,当温度升高的时候在引起 IC 增大的同时,根据二极管的特性分析,温度升高会导致二极管的反向电流 IR 增大,由于IRB 固定不变,IB 自然就会减小,而 IC 等于βIB 将本应升高的 IC 降下来,保持了静态工作点的稳定。

(2) 直流负反馈Q点稳定电路

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此时IB 不在是与温度无关的量,由于β 的出现,使得当温度升高的时候,IC 变大的同时,β 也会增大,就会导致 IB 减小,从而将本应升高的 IC 降下来,起到了稳定静态工作点的效果。

在此过程中,Re 是关键,正是Re 响应了 IC 的变化,在 IC 增大的时候抬高了射极电位Ve 。减小了IB,达到了稳定静态工作点。在这里插入图片描述
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将RB1 和RB2 取代了原来的基极电阻RB,对于电源UCC 来说,RB1 和RB2 是一种串联分压的形式。故此电路就叫做分压偏置共射放大电。如果合理地选择各种器件RB1 和RB2,使得电路中的电流和电压满足 I2 >>IB ,VB >>UBE,I2 也就是RB2 上的电流远远大于基极电流 IB ,而 VB 也就是基极电位远远大于UBE,那么就可以通过VB 点的基尔霍夫电流定律,就可以认为基极这条支路视为开路。基于左边支路的串连分压关系,就可以上图中 基极电位 VB 的表达式。通过此式可以看出VB 都是由电阻、电源确定的,都是与温度无关的比较稳定的元件,所以在这种情况下,温度变化的时候基极电位基本恒定。在此前提下,当温度升高的时候,IC 将会增大。而IC ≈ IE , IE 是RE上的电流,必然导致 RE 上的电压降会增大,也就是会抬高射极电位VE 。由于基极电位VB 是几乎与温度无关的一个固定量,所以VB 减 VE ,也就是UBE 将会出现下降的趋势。从而根据晶体管的特性曲线知道UBE 变小 IB 自然就会变小,从而最后将本应升高的集电极电流 IC 降下来,起到稳定静态工作点的作用。通过此过程可以看到,这个分压偏置稳定静态工作点主要有两方面,一个是通过串联分压稳定了基极电位VB ,而另一个则是有赖于RE 引入的直流负反馈

(3)引入负反馈和温度补偿稳定Q点

将以上两种方法结合起来,一起达到稳定静态工作点的目的。例如下图中的两个电路就是采用了二极管和热敏电阻进行温度补偿,同时结合RE 的直流反馈来稳定静态工作点。

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这里需要注意的是在这样的二极管的补偿电路中,二极管的连接方式和之前的二极管连接方式是不同的,它在阳极接在基极上。此时利用的是二极管正向特性对温度的敏感性。根据二极管温度特性当温度升高的时候,二极管的正向特性将左移。此意味着二极管的端电压UD 将下降。那这样一来,由于二极管正极节点的电压减小,必然会使得基极电压VB 也变小,同时由于射极电阻RE 的存在,使得温度升高的时候,射极电位VE 将会被抬高 。一增一减,从而使得UBE 变小,UBE 的减小带来 IB 减小,最终使得 IC 减小,稳定静态工作点。

分压偏置共射放大电路的静态分析

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方法一 戴维南等效电路法

首先可以将输入回路视为一个有源的二光头网络,就可以利用戴维南等效定理将其等效为一个电压源和电阻的串联,根据戴维南定理,这个等效电阻RB 应该是这样一个有源网络中将信号源置0 以后的等效电阻,将VCC 对地短路,就可以知道此时的等效电阻RB 显然是RB1 并上RB2,电源UB是这样一个端口的开路电压,显然是RB1和RB2的对UCC 的串联分压。在这里插入图片描述
根据输入回路的电压方程,就可以得到唯一的未知数 IBQ 的表达式,进而得到ICQ 和UCEQ 。根据之前结论这个分压偏置之所以能够稳定静态工作点,其中一个重要因素,就是因为基极电位是一个与温度无关的恒定量,我们重点来考察一VB这样一个参数。根据回路的方程,知道VB =UBEQ +(1+β)IB RE ,结合IBQ 的表达式,就可以得出一个非常重要的结论。当(1+β)远远大于RB 的时候,此时VB ≈ UBB ,也就是约等于UCCRB2 /(RB1+RB2。从而满足固定基极电位的需求。因此,这个条件跟上面引入的 I2 >>IB ,VB >>UBE 的条件是等价的。工程上,通常将该关系式作为分压偏置电路的稳定偏置条件,也是选取RB1、 RB2和RE的依据。

方法二 估算法

根据我们电路稳定偏置条件,也就是 I2 >>IB ,VB >>UBE,那此时根据VB 节点的基尔霍夫电流定律,基极之路视为开路,在这样一种条件下就可以得到 VB 的表达式,进而在基于RB2、RE支路的电压方程,率先求得 IE 而 IC ≈ IE,反过来,再利用 IC = βIB 的表达式,求出IBQ 最终基于输出回路求取UCEQ 完成静态分析。在这里插入图片描述
关于RE的讨论

RE越大,负反馈越强,电路温度稳定性越好
RE 上的电流就是输出电流IC 。因此RE太大其功率损耗也大
RE 增大,VE增高,使UCE减小,UCEQ 的位置将会影响最大不失真输出电压,而UCEQ 减小必将导致电路动态范围变窄,减小了最大输出电压幅度。若想在RE 增大的同时任然保持原来的动态范围不变,就必须增大 VCC。因此RE不宜取得太大。在小电流工作状态下, RE可取几百欧到几千欧;大电流工作时, RE为几欧到几十欧。

分压偏置共射放大电路的动态分析

首先获得交流通路,将交流通路中的三极管替换成 h 参数等效模型就可得到微变等效电路。在这里插入图片描述
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输入电阻由于RB1和RB2通常远远大于rbe,所以约等于rbe

RB1和RB2串联分压确定基极电位VB,RE引入负反馈稳定静态工作点。

旁路电容CE 比较大,通常在几十uF左右,在交流作用下可以理想认为他短路。如果没有这个旁电容对放大电路的静态性能没有影响。在这里插入图片描述
在动态性能方面如果去掉这个旁路电容,RE 就将会出现在微变等效电路中。就会影响放大电路的动态性。首先,看电压放大倍数。方法仍然是相似的,利用 ib 来表示UO 和UI,进而得到电压放大倍数。通过输出回路,可以看到UO 是RC和RL 两个并联电阻上的电压,而两者的总电流就 βib,所以仍然可以得到上图中uo的表达式,再来看看输入电压 ui 。ib 是蓝线支路上的电流,ui 则是上下两点之间的电压降,所以就可以用上图中ui 方程用 ib 来描述 ui,而这部分的电压显然有两部分组成,一部分是 rbe 上的电压降,是rbe ib ,另外一部分则是RE 上的电压降,这里要注意RE上的电流是(1+β)IB,写出表达式就反映了ui 和 ib 的关系。将两者相除,根据定义就可以得到这个电路的电压放大倍数如上图所示。显然,跟前面的固定偏置放大电路的电压放大倍数不一样了,而且通常情况下(1+β)RE 远远大于 rbe ,β 和(1+β)又相差无几。经过变化以后,电压放大倍数就是:Au = - R’L /RE。这意味着,此时的电压放大倍数与晶体管的参数没有多大关系,而只与比较稳定的电阻有关,这就意味着电路放大倍数的稳定性得到了大大的提高。在这里插入图片描述
输入电阻仍然是输入端口看进去的等效电阻,由于RB1 和RB2 的并联支路的阻值已经确定,故Ri = RB1 // RB2 // R’i 。R’i 仍然是端口电压比上端口电流。他的端口电流就是ib, 而端口电压就是Ui 。而Ui 和iB 上已经得到了ui = ibrbe +(1+β) ib RE 这样的表达式,可推出R’i 的表达式是:R’i = rbe+(1+β)RE 。所以这样一种电路的输入电阻就等于下图中的形式。而输出电阻仍然是可以利用三步走的方法来进行求解。求解后的结论仍然是RC在这里插入图片描述将有旁路电容和没有旁路电容的结果加以对比。可以看到,当电路中存在着旁路电容的时候,放大电路的动态性能与固定偏置放大电路没有区别。当去掉旁边的时候,放大倍数出现了变化,是由于分母中(1+β)RE 的存在,使得电压放大倍数减小了。但同时又使得稳定性大大提高了。在显然去掉了旁路电容以后电路的输入电阻大大地提高了,而输出电阻则保持不变。那为什么一个旁路电容就会对电路的性能产生这么大的影响呢?原因就在于,如果没有这个旁路电容CE ,那么RE 就将引入交流负反馈。必然会对电路的动态性能产生各种影响。在这里插入图片描述
此时我们可以看到,显然,这样一个旁路电容对电路的性能的影响有好有坏,他在提高了稳定性,增大了Ri 的同时,又损失了电压放大倍数。那么在具体的电路的设计中,可以将电阻RE 一分为二,一部分并上旁路电容,那此时显然对交流性能有影响的只有RE1 。那这就是一个比较常用的分压偏置共射放大电路。就可实现放大倍数不会损失过多,又能够在一定程度上抬高输入电阻。

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在实际应用中对于这样一个电路,还应该注意以下一些问题

  1. 为了保证分压偏置放大电路能够稳定静态工作点,应合理选择元件参数,满足
    以下两个条件:I2 >>IB VB >>UBE (实际电路中通常取 I2=10IB VB =3UBE
  2. RE不宜取得太大。在小电流工作状态下,可取几百欧到几千欧
  3. 若要调整分压偏置放大电路的静态工作点,通常的方法是调整上偏置电阻RB1
    10IB VB =3UBE
  4. RE不宜取得太大。在小电流工作状态下,可取几百欧到几千欧
  5. 若要调整分压偏置放大电路的静态工作点,通常的方法是调整上偏置电阻RB1
  6. 若分压偏置放大电路的静态工作点正常,而放大倍数严重下降,应重点检查旁路电容CE是否开路或者失效。
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