一、放大器的接線方式

放大器中的晶體管通常使用三種基本連接模式中的一種。晶體管具有三個(gè)連接(集電極、基極和發(fā)射極)，而放大器電路的輸入和輸出各需要兩個(gè)連接，總共四個(gè)，因此晶體管的三個(gè)連接之一必須為輸入和輸出共用。選擇集電極、基極還是發(fā)射極作為輸入和輸出的共同點(diǎn)對(duì)晶體管放大器的工作方式有顯著影響。本節(jié)介紹晶體管如何以共發(fā)射極模式偏置，這是電壓放大器三種連接模式中最常用的一種。

二、A 類偏差

A 類放大器由施加在晶體管基極-發(fā)射極結(jié)上的直流電壓偏置，因此它們的靜態(tài)(或無信號(hào))工作點(diǎn)位于晶體管特性的線性部分。此外，施加到基極的信號(hào)波形不應(yīng)驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)或進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。如果允許這種情況發(fā)生，將導(dǎo)致波形峰值變平，從而導(dǎo)致失真。在 A 類偏置中，集電極電壓保持在大約電源電壓的一半，但這意味著即使沒有施加任何信號(hào)，晶體管也會(huì)永久地通過集電極電流，因此功率被浪費(fèi)了，盡管 A 類提供了非常低的電壓失真，它在使用功率方面也相對(duì)低效。

A 類放大器的理論最大效率為 50%，但實(shí)際上該數(shù)字接近 25%。A 類偏置的主要用途是在低功率音頻和射頻電壓放大器中，與放大器的低失真主要優(yōu)勢(shì)相比，浪費(fèi)的功率量并不那么重要。然而，A 類也可用于效率不太重要的市電(線路)供電的高保真音頻系統(tǒng)中的低失真功率放大器。

三、共發(fā)射極固定偏置

大多數(shù)電子設(shè)備都需要放大器，不僅用于聲音和圖像再現(xiàn)，還用于控制系統(tǒng)和通信。放大器的設(shè)計(jì)旨在產(chǎn)生一種電路，該電路在特定頻帶內(nèi)具有預(yù)測(cè)增益且失真最小。放大器還必須穩(wěn)定且不易振蕩。雙極 PNP 或 NPN 晶體管或 FET 可用于各種設(shè)計(jì)，具體取決于其預(yù)期用途。

圖 1

考慮圖1 中的簡(jiǎn)單雙極 NPN 共發(fā)射極放大器，它由一個(gè)晶體管和兩個(gè)電阻器組成。為了正常工作，放大器應(yīng)該在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)無失真放大版本的輸入端信號(hào)。為此，其靜態(tài)或無信號(hào) (DC) 條件必須首先正確。它的輸出只有在輸入不失真的情況下才能不失真。

四、使用輸入特征。

圖2 顯示了小信號(hào)放大器晶體管的典型輸入特性曲線，其中繪制了基極電壓 V b的變化與由此產(chǎn)生的基極電流 I b的變化。

圖 2

如果施加到基極的交流信號(hào)電壓的變化(V b的變化)要在交流基極電流 I b中產(chǎn)生比例變化，則必須使用 V B的某個(gè)直流值，以便信號(hào)電壓發(fā)生正負(fù)偏移僅在輸入曲線的線性部分(圖2中的波形 b)。加在基極上的這個(gè)直流電壓(圖 2 中的 0.7V)稱為基極偏置電壓。從圖2可以看出，如果偏置電壓不足，則只有輸入電壓波形的正端會(huì)產(chǎn)生基極電流，從而使基極電流波形a發(fā)生嚴(yán)重畸變。

還可以看出，對(duì)于該晶體管，0.7V 的直流基極偏置電壓 (R B ) 會(huì)產(chǎn)生 40μA 的靜態(tài) (DC) 基極電流。這些值是通過正確選擇 R B的電阻值來設(shè)置的(圖1)。

五、設(shè)置靜態(tài)輸出條件

還必須考慮靜態(tài)輸出條件，因?yàn)殪o態(tài)基極電流Ib會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)集電極電流 Ic ，該電流取決于 Ib 的值和晶體管的電流增益 hfe 。此外，由于 Ic流經(jīng)負(fù)載電阻器 (R L )，它會(huì)在 R L上產(chǎn)生電位差，從電源電壓 (V cc ) 中減去該電位差即可得到晶體管集電極/發(fā)射極電壓 (V ce )的值。

圖 3

圖 3 顯示了 I c和 V ce值的兩個(gè)極端條件。從第一種情況(圖1.2.3a)可以看出，如果集電極電流I C為零，由于基極電壓低到足以切斷基極電流，R L兩端產(chǎn)生的電壓將為零，并且整個(gè) V cc將在晶體管兩端產(chǎn)生，因此 V ce將上升到電源電壓 V cc。

如果在這些條件下施加信號(hào)(圖 1.2.3a)，輸出信號(hào)的正向半周期(與基極電壓波形反相)不能使 V ce 上升超過V cc ，因此不會(huì)再現(xiàn)集電極電壓的正向半周，造成嚴(yán)重失真。

或者，如果由于過大的基極偏置而使 I c非常高(圖 1.2.3b)，則晶體管將處于飽和狀態(tài)，V ce將降至幾乎為零。由于集電極電壓不能低于 0V，輸出信號(hào)的負(fù)向半周期將丟失。因此，要在集電極處再現(xiàn)完整波形，V ce的理想靜態(tài)值將在 V cc和零伏之間的中間位置附近。這將允許在不失真的情況下再現(xiàn)輸出波的正半周期和負(fù)半周期的最大幅度。

六、使用輸出特性

圖 4

在圖4所示的輸出特性中， 針對(duì)各種恒定基極電流Ib繪制了 Ic 變化與 Vce 變化的關(guān)系圖。

在圖3中描述的兩個(gè)極端點(diǎn)之間，圖 4 上繪制了一條“負(fù)載線”。

點(diǎn) P 是 V CE = V cc (在本例中等于 10V)且 I c = 零，并且由于沒有集電器流動(dòng)，晶體管被稱為“截止”。

R 點(diǎn)是 I c的最大值(其中 I c = V cc ÷ R L)并且 V ce為零(因?yàn)閷?shí)際上整個(gè) V cc都是在 R L上形成的)。這稱為“飽和”，因?yàn)榧姌O電流不會(huì)進(jìn)一步增加。

通過從 P 到 R 繪制負(fù)載線，可以看出 可以在 Q 點(diǎn)沿著負(fù)載線的中間選擇V ce的值，在這種情況下，它與 I B的曲線重合。

從 Q 向下投射的垂直線然后與 V CC和零之間的V CE軸相交，從 Q 投射的水平線與 I C軸相交以給出 8mA 的靜態(tài)值。

根據(jù)指示的 V Cce和 IC的值，現(xiàn)在可以使用以下方法計(jì)算 R L的值：

R L = (V cc - V ce ) ÷ I c

因此，在 Q 點(diǎn)(或具有不同值對(duì)的任何其他點(diǎn))使用負(fù)載線：

R L = (10 ? 5) ÷ 8 x10 ?3 = 625Ω

偏置放大器，使工作點(diǎn)位于晶體管特性曲線線性部分的中心，稱為“A 類偏置”。

七、固定偏置設(shè)計(jì)的問題。

雖然圖 1中描述的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且需要最少的組件，但在實(shí)際使用中仍有一些問題需要克服。

如果電源電壓或晶體管溫度因任何原因發(fā)生變化，則偏置電壓也會(huì)發(fā)生變化。如果偏置電壓增加，則更多的基極電流將流動(dòng)，這將導(dǎo)致集電極電流增加。這反過來會(huì)導(dǎo)致晶體管內(nèi)的結(jié)溫升高，從而導(dǎo)致電流進(jìn)一步增加。然后晶體管將通過更多的電流，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高等等。

這個(gè)稱為“熱失控”的過程的最終結(jié)果是晶體管會(huì)變得越來越熱，直到被破壞。盡管熱失控在現(xiàn)代功率晶體管中不是什么大問題，但在小信號(hào)類型中，它仍然是一個(gè)可能的危險(xiǎn)，應(yīng)該通過在放大器設(shè)計(jì)中構(gòu)建某種形式的偏置穩(wěn)定來避免。

八、直流穩(wěn)定

圖5

圖 5 顯示了一種提高共發(fā)射極放大器溫度穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單方法。它不是從 V cc饋送偏置電流，而是從 R L的集電極端饋送。

通過這種布置，集電極電流的任何增加都會(huì)導(dǎo)致 R L兩端的電位差增加，并且由于 R L的頂部由 V cc保持穩(wěn)定，R L底部的集電極電壓 V ce必須下降。這反過來會(huì)導(dǎo)致 V be下降，從而降低集電極電流。偏置條件在很大程度上是自調(diào)整的，據(jù)說可以通過某種形式的直流反饋來穩(wěn)定。

九、發(fā)射極穩(wěn)定偏置

圖6

在大多數(shù)商業(yè)電路中使用的另一種更常見的偏置布置使用由兩個(gè)電阻器(圖 6 中的R 1和 R 2 )組成的分壓器來提供穩(wěn)定的 V be值和發(fā)射極電阻器 R e以提供通過直流反饋提供穩(wěn)定性。

如果該電路中集電極電流增加，發(fā)射極電流也會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極電壓 V e升高。與穩(wěn)定的基極電壓相比，這種上升導(dǎo)致基極-發(fā)射極電壓Vbe降低，隨后集電極電流下降。當(dāng)其他條件(例如溫度或晶體管 h fe)可能發(fā)生變化時(shí)，使用發(fā)射極穩(wěn)定電阻器的直流反饋可保持電路條件穩(wěn)定。

然而，發(fā)射極電阻器也會(huì)導(dǎo)致不需要的交流反饋，因?yàn)樵谛盘?hào)條件下，發(fā)射極上出現(xiàn)的交流波形將與基極波形同相，并且兩個(gè)波形一起變化將趨向于減少基極 - 發(fā)射極電壓的變化，從而導(dǎo)致大幅減少增益。為避免此問題，通常將發(fā)射極穩(wěn)定電阻器 R e旁路(通常)連接在 R E兩端的大值電容器將對(duì)存在的任何交流信號(hào)形成一個(gè)非常低的阻抗路徑，從而防止發(fā)射器上出現(xiàn)任何交流信號(hào)，但不改變?nèi)魏沃绷鳁l件。

十、場(chǎng)效應(yīng)晶體管偏置

圖7

FET 的偏置比雙極設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有柵極(輸入)電流流動(dòng)。圖7 顯示了典型的 JFET 偏置布置。(MOSFET 也使用類似的偏置電路)。

在耗盡模式下使用時(shí)，F(xiàn)ET 的柵極必須比源極更負(fù)。這是通過將柵極保持在零伏來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)通過 R 3的漏極/源極電流使源極端子為正。由于 FET 中沒有柵極電流流動(dòng)，因此 R 1兩端不會(huì)產(chǎn)生電壓，柵極保持在零伏。使用非常高的 R 1值可保持非常高的輸入阻抗，這是 FET 放大器的一個(gè)有用特性。

施加到柵極的交流信號(hào)會(huì)引起柵極電壓在零上下的微小變化，這會(huì)引起漏源電流的交流變化，并且與在雙極放大器中一樣，這些變化會(huì)通過 R 2轉(zhuǎn)換為電壓變化。源極電阻 R 3以與雙極放大器中的發(fā)射極電阻相同的方式執(zhí)行 DC 穩(wěn)定，并且通常也被旁路以防止 AC 負(fù)反饋。