C6.1:发射极偏置放大器
基极偏置放大器的Q点不稳定,但是学习后了解了放大器的基本运行逻辑,发射极偏置放大器则是适合大规模应用,VDB和TSEB都具有稳定的Q点。
讲发射极偏置,首先要讲旁路电容,前文的耦合电容和旁路电容类似,都是直流开路、交流短路的目的,但是摆放的位置不同,旁路电容是产生交流接地点的。
等效于下图:
具体就不过多解释,和耦合电容一样的分析方式,只不过它产生了一个只有交流信号才能对地短路的情况,这样的情况下,它就能够在放大器中建立交流接地点,而不会影响到Q点。
旁路电容的计算和耦合电容的计算公式一样,都是Xc < 0.1R,所以不过多介绍。
VDB放大器,即分压器偏置放大器,为了计算直流电压和电流,先把所有电容当作开路来,计算步骤和之前分析VDB偏置电路一样。
首先根据分压公式,得到VB电压,得到了VB电压再减去发射结导通压降,即可得到发射极电压,得到发射极电压就能通过发射极电阻得到发射极电流,进而得到集电极电流,然后根据集电极电流和电阻,得到该电阻压降,即可得到Q点电压,具体不再计算,根据前文一样的计算步骤。
而静态工作点求到后,我们观察电容,电压源和基极之间、集电极和负载之间分别接有耦合电容,而发射极和地之间则接了一个旁路电容,如果没有旁路电容,基极交流电流会非常小,这样电压增益就比较小,为了更大的电压增益,则添加了旁路电容的设计。
为什么不添加旁路电容,基极交流电流会非常小?
答:发射极电阻(Rₑ)在直流电路中稳定工作点(Q点),但在交流信号输入时,它会产生串联电流负反馈,输入交流信号使基极电流变化 → 发射极电流(iₑ)随之变化 → iₑ流过Rₑ时产生交流压降 vₑ = iₑ × Rₑ,这个压降vₑ的方向与输入信号相位相反,相当于在基极-发射极之间施加了一个反向电压,削弱了实际驱动基结的有效电压 vᵦₑ = vᵢₙ - vₑ,驱动基极的净电压vᵦₑ减小 → 基极交流电流iᵦ自然变小,交流信号的能量被Rₑ消耗为热量(i²Rₑ损耗),而非用于驱动晶体管放大,相当于Rₑ像一道闸门,阻碍了交流电流的流动路径。
为什么说压降vₑ的方向与输入信号相位相反?
答:当输入信号 vᵢₙ 的正半周到来时(即基极电位 Vb ↑上升),会驱动基极电流 iᵦ ↑增大 → 导致集电极电流 i꜀ ↑增大(因为i꜀ = β·iᵦ)→ 而发射极电流 iₑ ↑增大(因为iₑ ≈ i꜀),此时电流增大方向与输入信号方向相同,增大的iₑ流过发射极电阻 Rₑ,根据欧姆定律 vₑ = iₑ·Rₑ → 所以 vₑ ↑上升(即发射极对地电位升高),此时发射极电位 Ve ↑上升,而基极电位 Vb ↑上升 → 但两者上升的幅度不同(基极电位Vb受外部输入信号直接驱动,而Ve的上升完全由iₑ流过Rₑ产生,是一个“被动抬升”)。
而晶体管真正用于导电放大的电压,是 基极-发射极间电压差 vᵦₑ = Vb - Ve,输入信号使 Vb ↑上升(假设+0.1V),但发射极电流增大又导致 Ve ↑上升(比如+0.08V)→ 实际 vᵦₑ = (Vb +0.1V) - (Ve +0.08V) = 原vᵦₑ + 0.02V,净驱动电压vᵦₑ的增幅(+0.02V)远小于输入信号单独带来的增幅(+0.1V)。
当输入信号 vᵢₙ 的负半周到来时 → Vb ↓下降 → iₑ ↓减小 → vₑ ↓下降(Ve降低)→ 反而使vᵦₑ = Vb↓ - Ve↓ 的下降幅度被减缓,vₑ的变化(由iₑ产生)总是抵抗输入信号对vᵦₑ的改变,因此我们说 vₑ 与 vᵢₙ 相位相反。
本质就是正半周的交流电压的增幅非常小,而负半周电压则衰减抵抗的远大于正半周的增幅,所以呈现出基极交流电流非常小。
VDB放大器电路要注意的是,发射极电压是1.1V的纯直流电压,没有交流成分的,因为有旁路电容使发射极交流接地。
接下来说明一些分立电路和集成电路的概念,便于后面学习。
分立元件表示所有元件如电阻、电容、晶体管等独立接入并通过相互连接构成最终电路的,而集成电路(IC),则是所有元件同时在一块半导体芯片上制造并连接的,可以简单理解为纳米级的PCB电路板叫做集成电路,也叫集成芯片。
TSEB电路,在前文学过,而TSEB放大器则是在之前的基础上加了三个电容和一个交流源,如下图:
得到VB ≈ 0,VE = -0.7V, VC = 5.32V,IC = 1.3mA
图中有两个耦合电容和一个发射极旁路电容,该电路交流情况和VDB放大器类似,都是交流信号耦合到基极,放大后得到集电极电压,然后放大信号被耦合到负载上。
而交流源电压是很小的正弦电压,基极电压是小的交流分量在接近于0V直流分量上的叠加,总的集电极电压是反相的正弦波在+5.32V的集电极直流电压上的叠加,负载电压是同一个放大信号,但是没有直流分量。
由于旁路电容作用,发射极电压是纯直流电压,若旁路电容开路,则发射极会呈现交流电压,将极大降低电压增益,因此故障诊断的时候需要谨记发射极上没有交流电压!!!
注:以上仅个人观点,如有错误,恳请批评指正