电子电路基础 (11)——反馈、偏置与多级放大电路原理分析


一、偏置与反馈的概念(非常重要)

1.1 偏置的概念及原理

电极间的直流电压直流电流通常称为偏置电压偏置电流。就是在需要放大的信号之输入处(发射极接地时,PNP、NPN型均为基极--发射极之间预先流通一定值的电流(或加载直流电压),这个就是偏置电压偏置电流

二、偏置的必要性

那么为什么要加偏置电压或是预先流通一定值的电流呢?
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由于PN结的单向导电性,所以只有在ui的正半周期中为正偏,如图(a)所示基极电流流通。因此,由于集电极电流ic仅在ib流通时流通。结果出现如图(b)所示输出波形。这会有明显的失真现象。
预先对基极流通一定大小的电流,在此基础上即使输入信号稍有变动,其变化也是与输入信号相对应的。我们称这种变化为线性动作。放大电路的静态是指未加交流信号以前的起始状态。
因此,如果预先流通一定大小的直流电流。这样,即使输入波形变为负,基极-发射极之间总为正向电压,输入信号的微弱变化如实地被作为输出电阻两端的较大变化而取出(进行了放大),参看以下图示:
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我们将放大电路静态时各处的电压、电流值分别用IBO、ICQ、UBEQ、UCEQ来表示。由于这一组数值代表着输入和输出特性曲线上一个点,(即是指输入信号以此点为中心进行变化)所以习惯上称他们为静态工作点(又叫直流工作点)。

三、利用反馈稳定工作点

我们知道半导体会受到温度影响(比如温度升高了,三极管放大能力增强。那么我们的工作点要是选择的电压较高,当温度升高交流信号正半轴时很容易进入饱和区,当然负半轴还在放大区;要是我们的工作点选择的电压较低,当温度升高交流信号正半轴时还在放大区,当负半轴时就很容易进入截至区)。

补充:三极管的三种状态也叫三个工作区域,即:截止区、放大区和饱和区。

  • 截止区:三极管工作在截止状态,当发射结电压Ube小于0.6—0.7V的导通电压,发射结没有导通集电结处于反向偏置,没有放大作用。
  • 放大区:三极管的发射极加正向电压,集电极加反向电压导通后,Ib控制Ic,Ic与Ib近似于线性关系,在基极加上一个小信号电流,引起集电极大的信号电流输出。
  • 饱和区:当三极管的集电结电流IC增大到一定程度时,再增大Ib,Ic也不会增大,超出了放大区,进入了饱和区。饱和时,Ic最大,集电极和发射之间的内阻最小,电压Uce只有0.1V~0.3V,Uce

为了避免上述出现的情况,我们需要:

  1. 选择合适的工作点。
  2. 控制工作点。也就是当温度上升的时候,要采取措施让他任然处于放大状态,也就是让他处于不失真的状态。

为了满足上述条件,我们引入以下概念。

3.1 反馈的概念

广义的讲,凡是通过一定的方式将输出端的信号送入到输入端,并对输入端产生一定的影响的过程,都称为反馈。
放大电路中的反馈是指通过一定的方式把放大电路中的某一个电量(电压或电流)的一部分或全部送回到输入电路的过程。

3.2 正反馈和负反馈

根据反馈的极性可分为正反馈负反馈。如果反馈信号加强了原来的输入信号,使放大的倍数增加,这样的反馈称为正反馈,如果反馈的信号削弱了原来的输入信号,使放大电路的放大倍数减小,这样的反馈称为负反馈

3.3 利用反馈稳定工作点

温度变化对静态工作点的影响。温度升高对三极管的影响,最终将导致集电极电流IC的增大。结果使静态工作点移近饱和区,使输出波形产生严重饱和与失真。
引起工作点波动的外因是环境温度变化,内因则是三极管本身所具有的温度特性。
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  1. 先设法使基极对地电位 UB基本稳定,即不受温度变化的影响(主要三极管受温度影响较大,而电阻器和三极管相比受温度影响较小,因此我们在UB下方串接一个电阻RB2,那么UB的电位取决于两个电阻的分压,相对就不会受温度的影响)。
  2. 然后在发射极串接一个电阻RE,用它两端的电压UE来反映IC的变化并和UB相比较,得到IC变化后的UBE值,如果IC增加,则比较后的UBE值应使IB下降,IE也随之下降,其结果将维持IC基本不变。
  3. 原理分析:温度上升 -> IC上升 -> IE上升,由于RE的作用 -> UE上升,由于RB不变 -> UBE下降 -> IC下降。

如果上面看的还是不清楚,接下来我们进一步分析:
(原文出处:https://blog.csdn.net/weixin_49284870/article/details/112250686)(我对其进行了补充)
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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。
IB 变小,从而 IC 降下来是因为:

Ic = βIb;(β是固定的要看硬件手册)
Ie = Ib + Ic;

四、多级放大电路及多级放大电路中的耦合方式

4.1 多级放大电路

在实际应用中,常对放大电路的性能提出多方面的要求,单级放大电路的电压倍数一般只能达到几十倍,往往不能满足实际应用的要求,而且也很难兼顾各项性能指标。这时,可以选择多个基本放大电路,将它们合理连接,从而构成多级放大电路。
组成多级放大电路的每一个基本电路称为一级,级与级之间的连接方式称为级间耦合。多级放大电路有3种常见的耦合方式,即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。
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  1. 阻容耦合。将多级放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端,称为阻容耦合方式。上图所示为两阻容耦合放大电路,第一级为共射放大电路,第二级为共集放大电路。
    优点:各级间的直流电路互不受影响。
    缺点:不便于集成。
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  2. 变压器耦合。变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来,这种耦合方式称为变压器耦合,如上图所示。输出信号经过变压器送到负载。RB1、RB2为T管的偏置电阻,CE是旁路电容,用于提高交流放大倍数。
    优点:各级间的直流电路互不受影响。
    缺点:不便于集成。
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  3. 直接耦合。直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式,这种耦合方式称为直接耦合,如上图(a)所示。直接耦合所用元件少,体积小,低频特性好,便于集成化。
    优点:便于集成。
    缺点:各级直流工作状态相互影响。


• 由 青梅煮久 写于 2021 年 05 月 20 日

• 参考:https://blog.csdn.net/weixin_49284870/article/details/112250686

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