从二极管到集成电路 ——晶体管单管放大器 - 1982年第1期

单电源供电

前述各种晶体管放大电路中，都采用了双电源供电，即由基极电源E\(_{b}\)提供发射结正向电压，由集电极电源Ec给集电结加上反向电压。这种供电方式较累赘且使用不便。实际上，多数电子设备中往往采用单电源供电，即仅保留较高电压的E\(_{c}\)电源，而采用电阻分压的办法，从Ec分得电压供给发射结正向电压，以代替E\(_{b}\)。图1为共发射极电路的单电源接法，图中Rb称为基极电阻，R\(_{c}\)称为集电极电阻，C称为隔直流电容器。电路中Ec的正极一方面通过R\(_{c}\)加到集电极，使集电结处于反向偏置，同时又通过Rb加到基极，使发射结处于正向偏置。R\(_{b}\)值可以这样来确定：根据欧姆定律可得出电路输入端的关系式Ec＝I\(_{b}\)Rb＋V\(_{be}\)，就可算得Rb=\(\frac{E}{_{c}}\)-VbeI\(_{b}\)，一般硅管Vbe≈0.6V，因为E\(_{c}\)比它大得多，所以可以近似得出Rb≈E\(_{c}\);Ib。由此，只要选定E\(_{c}\)，调整Rb就可确定I\(_{b}\)的大小。

工作状态的图解分析法

分析放大器的工作状态有两种基本方法：计算法和图解法。所谓图解法就是用作图进行分析的方法，这种方法直观易懂，放大器的工作状态可以一目了然地从图上看出。

先画出图1电路中晶体管的输出特性曲线如图2a，写出图1电路输出端关系式E\(_{c}\)=IcR\(_{c}\)+Vce。当管压降V\(_{ce}\)=0时，电流Ic=\(\frac{E}{_{c}}\)Rc，在图2a I\(_{c}\)轴上标出如A点；当Ic=0时，V\(_{ce}\)=Ec，又可在图2a V\(_{ce}\)轴上标出如B点。连接A和B两点得到直线AB，称为晶体管的直流负载线。它说明：当Ec和R\(_{c}\)确定后，Ic和V\(_{ce}\)只能沿AB线变化，一旦调整Rb确定了I\(_{bo}\)，就可在图2a上确定对应的Ico线，它们与AB线的交点Q，就是管子的直流工作点。由Q点对应的V\(_{ceo}\)就是管子的直流管压降。上述分析可知，图1放大器当Ec和R\(_{c}\)确定后，在输出特性曲线Vce=E\(_{c}\)点作斜率tgα=1;Rc的直线，就是该放大器的直流负载线。

当图1电路输入端接入交流信号V\(_{s}\)时，Ib随信号变化使I\(_{c}\)=βIb亦随之而变，Q点沿AB线随I\(_{b}\)变化而上下滑动，使Vce随V\(_{s}\)作反方向的变化。由此可见，Q点的位置是否合适，不但影响放大器工作状态，还影响信号放大的失真大小，Q点过高或过低，都将使输出信电波形变坏，见图2b，造成严重失真。

温度对放大器的影响

前已讲过。晶体管集电极反向饱和电流I\(_{cbo}\)随温升几乎成线性递增，而穿透电流Iceo=βI\(_{cbo}\)，致使图2a中Iceo线随温度升高而抬高，从而使整组曲线上移，间距加大，如图2a中虚线所示。因E\(_{c}\)和Rc没有改变，直流负载线AB不变，这就必然使Q点沿负载线上升，相应I\(_{c}\)增大；曲线间距随温升而加大，说明β值也变大了。这些因素都有可能造成放大信号的失真。另外，工作点随环境温度而变，还将影响管子其它参数，使放大器的输入、输出阻抗和放大倍数发生变化，造成放大器不能稳定工作。如何建立合适的直流工作点，克服或减少温度对放大器的影响，以稳定工作点，这就是偏置电路所要解决的问题。

偏置电路

偏置电路就是建立晶体管工作点和稳定工作点的电路。如图1电路中，只要选定E\(_{c}\)和Rb，就可确定固定偏流I\(_{b}\)，从而确定Ic，因而叫固定偏置电路。这种电路结构简单，所用元件极少，但没有稳定工作点的措施，热稳定性差，只有在要求不高时，才予采用。

常用的偏置电路有两种：采用电压负反馈和采用电流负反馈的偏置电路。这两种偏置电路均有热稳定作用。

电压负反馈偏置电路如图3，与图1电路不同的是将R\(_{b}\)接到管子集电极，于是输入电路关系式变成Vce＝I\(_{b}\)Rb＋V\(_{be}\)，输出电路关系式仍为Ec＝I\(_{c}\)Rc＋V\(_{ce}\)。由上两式可推算得：

R\(_{b}\)=Vce-V\(_{be}\)Ib

=\(\frac{E}{_{c}}\)-IcR\(_{c}\)-VbeI\(_{b}\)

若忽略V\(_{be}\)，Rb≈\(\frac{E}{_{c}}\)-IcR\(_{c}\)Ib

将I\(_{b}\)=Icβ代入，可得

R\(_{b}\)≈（Ec-I\(_{c}\)Rc）I\(_{c}\)β

电路的热稳定过程是这样的：当I\(_{c}\)由于环境温升而增大时，由图3可见，压降IcR\(_{c}\)亦增加，由于Ec是固定的，于是集电极电位V\(_{c}\)下降，即Vce减小，这一变化通过R\(_{b}\)反馈到基极b，使基极电位下降，Vbe减小，导致I\(_{b}\)减小，将Ic拉了下来。这一过程可简写为：

T℃↑→I\(_{c}\)↑→IcR\(_{c}\)↑→Vce↓→V\(_{be}\)↓→Ib↓→I\(_{c}\)↓。显然Rc越大，电位V\(_{c}\)的变化越大，通过Rb对V\(_{be}\)的反作用亦越大，即反馈越深。但如太大了，IcR\(_{c}\)过大，使Vce过小，又会影响放大信号电压的动态范围。一般取R\(_{b}\)=（2～10）Rc。

电流负反馈偏置电路如图4，与图1电路不同的是发射极e通过R\(_{e}\)接地。于是输入电路关系式变成Ec=I\(_{b}\)Rb＋V\(_{be}\)+IeR\(_{e}\)，可算得

R\(_{b}\)=Ec-V\(_{be}\)-IeR\(_{e}\)Ib，

若忽略V\(_{be}\)，且Ie≈I\(_{c}\)，Ib≈\(\frac{I}{_{e}}\)β

近似得

R\(_{b}\)≈（Ee-I\(_{e}\)Re）βI\(_{e}\)。

其热稳定作用可简写为：

T℃↑→I\(_{c}\)↑→Ie↑→I\(_{e}\)Re↑→V\(_{e}\)↑→Vbe↓→I\(_{b}\)↓→Ic↓。

发射极电流I\(_{e}\)通过电阻Re，返回到发射极电路去控制V\(_{be}\)，这叫做电流负反馈。Re越大，I\(_{e}\)Re变化越大，对V\(_{be}\)的反作用亦越大，但Re过大亦会使I\(_{e}\)Re过大、V\(_{ce}\)过小。一般按Re=（0.1～0.2）R\(_{c}\)估算。

目前最常用的偏置电路如图5。只要其中基极电阻R\(_{b1}\)、Rb2的选定使分流I\(_{1}\)》Ib，V\(_{be}\)就完全取决于Rb1、R\(_{b2}\)的分压关系，即Vb2=\(\frac{R}{_{b2}}\)Rb1+R\(_{b2}\)Ec，V\(_{be}\)相对稳定。电路仍有Re提供的电流负反馈作用，因而这种电路稳定性较好。有些电子设备中，为使放大器稳定性更好，还在偏置电路中采用半导体二极管或热敏电阻等热补偿元器件。