5 電晶體偏壓電路 <Transistors Bias Circuits>

1. 5電晶體偏壓電路<Transistors Bias Circuits>

2. 分壓器偏差Voltage-Divider Bias) 使用單獨的直流電源VBB，提供基極與射極接面的 偏壓，是為了方便說明電晶體的工作情形，因為它 的變動情形與VCC無關，更實用的方法即使用單電 壓源如圖5-9所示。經由設計，使此分壓偏壓電路 之基極電流<<I2，則因可忽略基極電流的負載影 響，故分壓電路易於分析。這個IB<<I2的分壓電路，稱為 剛性分壓器(stiff vol~ divider)，因基極電壓值與電晶體種 類、溫度幾乎不相關。

3. 要分析IB小於I2的分壓器，先利用未負載分 壓公式計算基極電壓： 公式5-1 知道基極電壓以後，可以算出電路的各 個電壓與電流如下： 公式5-2 公式5-3 公式5-4 算出VC與VE後可求VCE： VCE=VC－VE

4. 例 βDC=100，試求BJT剛性分壓器偏 壓電路的VCE和IC。 解

5. 大部分之分壓電路計算都會用到例題5-2的基本分析方法，但 可能會有些情況需要精確的分析運算。理想情況下，分壓器的 輸出是固定不變的，這代表電晶體不會是沉重的負載。….(略) 要驗證分壓器是否有固定輸出，必須檢查從B極端看進去的DC 輸入阻抗： 圖5-11

6. 分壓器偏壓的負載效應(Loading Effects of Voltage-Divider Bias) BJT基極的直流輸入電阻: BJT的直流 輸入阻抗與βDC成正比，所以會隨著 不同的電晶體而改變。當電晶體工作 於線性區時，射極電流為βDCIB。因 BJT的電流增益，從基極電路看進去 的射極電阻值較實際值多βDC倍。 即 RIN(BASE)= βDCRE此為分壓器的有效負載，如圖5-11。 藉比較βDCRE和R2，可很快估算出分壓器的負載效應。只要βDCRE比R2至少大十倍，負載效應將≦10%，此分壓器為剛 性分壓器。如果βDCRE小於十倍的R2，則它將與R2形成並聯

7. 例 試求圖5-12電晶體中從基 極看進去的輸入阻抗。假設 βDC=125。 解 RIN(BASE) = βDCRE = (125)(1.0kΩ) = 125kΩ

8. 分壓器偏壓的穩定度(Stability of Voltage-Divider Bias) 茲分析BJT分壓器偏壓電路對基極電路的負載效應。從BJT B極端往外看，可將圖5-13(a)重繪成(b)圖。將戴維寧定理 套用到圖中A點左邊的電路。則

9. 此BJT基極分壓器偏壓電路的戴維寧等效電路，顯示於圖 5-13(c) 中的黃灰色區域。依照克希荷夫電壓定律，基極-射極 等效電路為： 由歐姆定律，求得 將IB以IE/βDC代入， 求得IE為

10. 若RTH/βDC<<RE，則結果與無負載(指 不考慮RTH)之分壓器相同。 由於分壓器偏壓方法僅使用單電壓源， 且偏壓穩定性高，因而廣受歡迎普遍採 用。

11. 基極偏壓(Base Bias) 此偏壓方式常見於開關電路中，如圖5-20。 直接根據βDC來分析此電路線性區的情形 整理後求得 集極電路上，可得下述方程式：

12. 例 試計算圖5-24電路的Q-點值(IC和VCE)。 解 運用公式5-11。 運用公式5-12，集極對射極電壓為

13. 第6章 BJT放大器

14. 6-1放大器的工作原理 DC數值以大寫字母作為下標表示，如IC、IE、 VC、VCE等。斜體小寫字母作為下標則用來表示交流數值的有效值、峰值及峰對峰值等，如Ic、Ie、Vc 、Vce等。在本書中，若未特別註明，交流數值都是有效值。瞬間變化的數值則字母及下標都以小寫方式標示。 、

15. 除電壓及電流，在交流及直流分析電路中，電阻也會呈現不同的數值。其中小寫下標用來表示交流電阻值。例如，Rc表示集極交流電阻，RC則表示集極值流電阻。在往後的章節，我們將發現這種區別是必要的。而電晶體的內部電阻則以”′”(prime)來代表其為內部電阻，並以小寫字母r表示其為交流阻抗。例如交流設極內部電阻以除電壓及電流，在交流及直流分析電路中，電阻也會呈現不同的數值。其中小寫下標用來表示交流電阻值。例如，Rc表示集極交流電阻，RC則表示集極值流電阻。在往後的章節，我們將發現這種區別是必要的。而電晶體的內部電阻則以”′”(prime)來代表其為內部電阻，並以小寫字母r表示其為交流阻抗。例如交流設極內部電阻以

16. (1)線性放大器可使信號毫無失真地放大，故輸出信號即為放大後的輸入信號。(1)線性放大器可使信號毫無失真地放大，故輸出信號即為放大後的輸入信號。

17. (2)以分壓器偏壓的BJT電路，其中交流正弦波信號是透過C1電容耦合到BJT基極。(2)以分壓器偏壓的BJT電路，其中交流正弦波信號是透過C1電容耦合到BJT基極。

18. (3)負載則是透過C2電容耦合到電晶體集極。

19. (4)耦合電容器能阻隔直流，故使信號源內阻與負載電阻不影響電晶體基極與集極的直流偏壓結果。(4)耦合電容器能阻隔直流，故使信號源內阻與負載電阻不影響電晶體基極與集極的直流偏壓結果。

20. (5)但電容器對ac信號則可視為短路。故信號源正弦電壓會使BJT之VB在DC位準上下以正弦波方式變動，經BJT的增益作用，IB變動會引起較大的IC變動。(5)但電容器對ac信號則可視為短路。故信號源正弦電壓會使BJT之VB在DC位準上下以正弦波方式變動，經BJT的增益作用，IB變動會引起較大的IC變動。

21. (6)當集極的正弦電流增加，集極電壓將減少。另一方面，ICQ在Q點附近的變化與基極電流的變化為同相。

22. (7)由(5) (6)知在Q點上下變動的Vce 與Vs呈 現180 度 反相。故BJT的基極與集極電壓永遠 反相。

23. 圖6-3集極特性曲線分析：基極的正弦波電壓透過交流負載線，使得基極電流Q點上下變動，如圖中箭頭所示。

24. 從Ib的峰值向左邊IC軸作垂線，向下方的VCE軸作垂線，可分別顯示出Ic和Vce的峰對峰值變動情形。交流分析電路中的集極電阻是RL並聯RC，故交流負載線與直流負載線不同。從Ib的峰值向左邊IC軸作垂線，向下方的VCE軸作垂線，可分別顯示出Ic和Vce的峰對峰值變動情形。交流分析電路中的集極電阻是RL並聯RC，故交流負載線與直流負載線不同。

25. 基極交流電阻rb′值很小，故一般可視為短路 。集極交流電阻rc′約為數百k，通常可視為開路。結論：r參數等效電路圖6-5(a)可以簡化成圖(b)。

26. 以BJT交流操作情形來說明此模型：射極端與基極端之間出現電阻re′。這是從順向偏壓BJT的射極”看進去”的阻抗值。而BJT的集極可視為一個相依電流源，其值如圖6-6，以菱形表示。

27. 分析放大器電路時，交流射極電阻r′e可說是r參數中最重要的參數。可使用公式6-1以求出r′e的近似值，其值與溫度有關。在此係以環境溫度為20∘C的條件而推得：分析放大器電路時，交流射極電阻r′e可說是r參數中最重要的參數。可使用公式6-1以求出r′e的近似值，其值與溫度有關。在此係以環境溫度為20∘C的條件而推得： 當溫度較高，或BJT的pn接面變化比較平緩(而不陡峭)之時，上式的分子將變大。這些情況會產生稍微不同的結果，故大部分的電路設計並不會受re’的影響而產生重大改變，一般而言下，使用(6-1)式所得到的結果，會與實際電路相當吻合。其推導參見附錄B。

29. 旁路電容C2可在訊號頻率下，將射極與地端之間予以短路，故在射極端上並沒有任何訊號。另共射極乃針對交流操作而言

30. 直流分析 要分析圖6-8的放大器，首先必須求出決定直流偏壓值。想完成這項工作，則刪去旁路電容耦合電容後可得到直流等效電路，因為當直流偏壓加入時，此兩種電容器會呈現開路。同時也將負載電組與信號移除。直流等效電路如圖6-9所示。

31. 上式為基極輸入阻抗,因其值>10R2,故可用無負載分壓器近似值來計算各電氣量。直流偏壓為上式為基極輸入阻抗,因其值>10R2,故可用無負載分壓器近似值來計算各電氣量。直流偏壓為

33. 交流分析：分析放大器的交流信號工作情形，須先取得交流等效電路： (1)設C1,C2,C3之容抗值Xc在信號頻率下夠低而視為0。(2)設直流電壓源無內阻，故其兩端無ac壓差,而以接地取代(此稱ac接地)。 圖 6-10(a)

34. 圖6-8共射極放大器的ac等效電路圖如6-10(a)所示。圖中R1,R2都有一端交流接地(紅色)，此因實際電路中，它們都是接到Vcc,但Vcc在分析中已被交流接地了。因旁路電容C3使得射極交流接地，所以圖6-8的放大器稱為共射極放大器.

35. 若信號源內部電阻Rs不為零，則計算基極實際信號電壓時,必須考慮三個因素(1)Rs (2)偏壓電阻R1|| R2 (3)BJT基極端的交流輸入阻抗Rin(base) 圖 6-11(a)

36. 圖 6-11

37. 為求交流電源向基極端看進去的交流輸入阻抗表示式，使用簡化的r參數模型。如圖6-12，電晶體集極連接了RC而由基極端看進去的輸入阻抗為

38. 輸出阻抗：共射極放大器往集極看進去的輸出阻抗，約略等於集極電阻 圖 6-12

39. 例：求基極信號電壓,已知 IE= 3.8 mA

40. 電壓增益：利用圖6-14的模型，可求得共射極放大器交流電壓增益公式。電壓增益：利用圖6-14的模型，可求得共射極放大器交流電壓增益公式。

41. 式6-5是從基極到集極的電壓增益。若想取得從信號源電壓到集極的總增益，必須考慮輸入電路的衰減效應衰減（Attenuation）是訊號通過電路時，訊號電壓降低的現象，相對應地，此時增益小於1。舉例，若訊號振幅少了一半，則衰減率是２，因增益是衰減的倒數，故可表為0.5的增益。若某訊號源產生了10mV的輸入訊號，且訊號源內阻與負載所形成的組合，使得輸出訊號具有2mV的電壓。式6-5是從基極到集極的電壓增益。若想取得從信號源電壓到集極的總增益，必須考慮輸入電路的衰減效應衰減（Attenuation）是訊號通過電路時，訊號電壓降低的現象，相對應地，此時增益小於1。舉例，若訊號振幅少了一半，則衰減率是２，因增益是衰減的倒數，故可表為0.5的增益。若某訊號源產生了10mV的輸入訊號，且訊號源內阻與負載所形成的組合，使得輸出訊號具有2mV的電壓。

42. 若某訊號源產生了10mV的輸入訊號，且訊號源內阻與負載所形成的組合，使得輸出訊號具有2mV的電壓。在這種情形下，衰減率是10mV/2mV=5。換而言之，輸入訊號衰減了5倍。而這個結果可以是用放大增益表示出來，即1/5=0.2。若某訊號源產生了10mV的輸入訊號，且訊號源內阻與負載所形成的組合，使得輸出訊號具有2mV的電壓。在這種情形下，衰減率是10mV/2mV=5。換而言之，輸入訊號衰減了5倍。而這個結果可以是用放大增益表示出來，即1/5=0.2。

43. 放大器從基極到集極的電壓增益是Av從訊號源到基極的衰減率是Vs/Vb。此衰減是由訊號源內阻和放大器的總輸入電阻所造成，故衰減率為 圖6-15

44. 放大器的總電壓增益為 圖6-15 ＝衰減率倒數 × 基極到集極的電壓增益。

45. 射極旁路電容對電壓增益的影響　射極旁路電容在交流信號分析中阻抗為零，讓射極電阻短路，可使射極端交流接地。進而使放大器的增益達到最大值，而令射極旁路電容對電壓增益的影響　射極旁路電容在交流信號分析中阻抗為零，讓射極電阻短路，可使射極端交流接地。進而使放大器的增益達到最大值，而令 旁路電容的設計原則是，放大器的最低工作頻率下，旁路電容的阻抗 XC 必須小於RC的１/10。亦即 。

46. 例：若放大器工作頻率範圍由200Hz到10kHz，求可作旁路電容之最小C2值。例：若放大器工作頻率範圍由200Hz到10kHz，求可作旁路電容之最小C2值。