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技術(shù)專題
晶體管偏置和輸出偏置電壓
雙極結(jié)型晶體管（BJT）操作為在應(yīng)用如放大器，振蕩器等，或者在轉(zhuǎn)換器的數(shù)字裝置和開關(guān)電路或者模擬設(shè)備。晶體管的這種雙重作用是通過晶體管偏置實(shí)現(xiàn)的。
施加到晶體管的兩個(gè)PN結(jié)的偏置會(huì)影響多數(shù)載流子的運(yùn)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(zhuǎn)換器中的偏置完全不同。表1給出了有關(guān)當(dāng)晶體管用作模擬和數(shù)字設(shè)備時(shí)發(fā)射極和集電極結(jié)處的工作范圍和偏置條件的詳細(xì)信息。
表1晶體管的工作區(qū)域和偏置條件
晶體管開關(guān)的偏置電路通常稱為基極驅(qū)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(xì)信息
圖1基本CE放大器
讓我們來了解一下一個(gè)CE硅NPN晶體管放大器（如圖1所示）。可以從單個(gè)直流電壓V cc提供E和C結(jié)，因?yàn)樗鼭M足了提供輸入晶體管電流的主要目的。當(dāng)交流信號(hào)V in與偏置電壓V CC疊加時(shí)，它類似地隨時(shí)間變化I B。遵守表2中針對(duì)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(shù)據(jù)手冊(cè)中以表示的電流增益為I c -I B關(guān)系中的比例常數(shù)。電壓降I C R L給出交流輸出電壓V out。
您認(rèn)為沒有直流偏置就可以放大嗎？如果是這樣，請(qǐng)從基準(zhǔn)斷開V cc并預(yù)測V out。我們知道，EB結(jié)僅在V in > 0.7 V（EB電壓降）的瞬時(shí)值保持FB ，否則保持RB。現(xiàn)在，將此概念與負(fù)半周期和V in <0.7的瞬間相結(jié)合。考慮到所有因素，您應(yīng)該處于無電壓狀態(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(xiàn)在，如果要設(shè)計(jì)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，沒問題，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(duì)稱的10 V峰值交流輸出電壓，則V cc至少應(yīng)為20 V，對(duì)嗎？如果沒有，會(huì)發(fā)生什么？輸出電壓Vout將不對(duì)稱，峰值將無法滿足要求。可以肯定地說，最佳V cc應(yīng)該為2 *（所需V out的峰值幅度）。如果您可以在上述計(jì)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就開始在電路中循環(huán)（圖1）。從圖2中可以看出，對(duì)于每個(gè)IB，都有一組（V CE，I C）坐標(biāo)。在零V in時(shí)從V cc提供的I B的（V CE，I C）稱為直流工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)（Q點(diǎn)）。對(duì)于線性晶體管放大器，明智的做法是將Q點(diǎn)保持在有源區(qū)域的中間。
圖2 Q點(diǎn)是CE晶體管的直流負(fù)載線和輸出特性的交點(diǎn)
如何將Q點(diǎn)放置在活動(dòng)區(qū)域的中間？這可以通過使用插入在V cc和晶體管基極之間的限制電阻R B來調(diào)節(jié)V cc提供的I B來實(shí)現(xiàn)。偏置電路的設(shè)計(jì)有兩個(gè)注意事項(xiàng)：
即使引入由于V in引起的AC擺幅，I B仍應(yīng)保持在有源區(qū)的中間。這保證了放大器的穩(wěn)定和線性工作。
與這些I B擺幅相對(duì)應(yīng)的（V CE，I C）應(yīng)在晶體管數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的（V CE，sat，I C，sat）范圍內(nèi)。
在選定的I B曲線中，有許多滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的（V CE，I C）組合。在選擇的I B曲線中，將Q點(diǎn)精確固定在哪里？這可以通過畫直流負(fù)載線來解決。連接放大電路中最大可能的I c和V CE的線稱為直流負(fù)載線。
施加KVL在直流偏置條件下與放大器（圖一）的輸出側(cè)（C ?內(nèi)部電阻忽略不計(jì)），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(fù)載線與所選的I B曲線的交點(diǎn)是忠實(shí)運(yùn)行放大器的理想Q點(diǎn)。
對(duì)于給定的放大器，Q點(diǎn)隨著V cc的上升而向上移動(dòng)，反之亦然。現(xiàn)在，您對(duì)V cc連續(xù)波動(dòng)的晶體管放大器的Q點(diǎn)有何推斷？對(duì)，就是這樣！我們需要穩(wěn)定的晶體管偏置以實(shí)現(xiàn)無失真放大。
偏置點(diǎn)分析
有時(shí)找到智能快捷方式是可以的。通過在電路仿真平臺(tái)中運(yùn)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。