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半导体管放大器工作原理和偏置方法

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发表于 2015-8-14 15:00:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
既然半导体三极管有放大作用,我们就可以用它构成各种放大器。我们也可以仿效电子管放大器,把半导体管放大器区分成各种类别,逐个地加以讨论和应用。如同电子管放大器一样,半导体管放大器可根据管子的运用情况,分为甲类极大器、甲乙类极大器和乙类放大器等;也可以按放大器与负载间的耦合方式,分成电阻电容耦合放大器、变压器耦合放大器和调谐放大器等。但是半导体管放大器和电子管放大器不能完全相比。半导体管放大器有两个特点:首先是不论在哪种半导体管放大器中,管子的基极电流都不等于零,这和电子管在用作电压放大时工作在无栅流状态不大相同。再者,半导体管的性能容易受温度的影响而发生变化,迫使人们不得不想出各种办法来补偿它。本篇将以阻容耦合放大器为例,来分析一下半导体管放大器的电路组成,并着重讨论加直流偏压(通称“偏置”)的方法。

半导体管放大器直流偏压怎么加?
大家对电子管放大器比较熟悉,譬如我们一看到图1所画的放大器就能马上说出:Ra是板极负载电阻,Rg是栅漏电阻,Rk是自给偏压电阻,Ck是交流旁路电容,Cg是隔直流电容。但是对图2所示的晶体管放大器中的Re、Rb、Rp和RL等的作用却可能不太清楚。要解答这个问题,需要从半导体管的特点和内部结构谈起:

半导体管放大电路

半导体管放大电路

就拿P-N-P型半导体管来说吧,它在工作时,半导体管的三个电极分别流过发射极电流Ie(相当于电子管的阴极电流)、基极电流Ib(相当于栅流)和集电极电流Ic(相当于板流)。集电极电流包括两个部分:一部分是由于发射结的注射而形成的电流,还有一部分是无法避免的电流,叫做集电极反向饱和电流Ico,它是由于集电结所加反向偏压的作用而形成的。参看图2,由于基区和集电区之间的集电结两边加有很高的反向偏压,基区和集电区的多数载流子(电子和空穴)无法越过集电结而形成电流,但这两区的少数载流子所带电荷极性刚好和多数载流子相反,在反向电压吸引下刚好能促使它们分别向不同方向扩散,如图中箭头所示,从而形成了电流。习惯上认为电流方向与电子运动方向相反,所以由于反向偏压作用而形成的反向饱和电流,其方向是从基极b流到集电极C。在一定的温度下,少数载流子的数目是一定的,扩散到一定程度不再增加而使电流趋向饱和,所以称这种电流为饱和电流。
集电极反问饱和电流会随温度变化而灵敏地变化。当集电结的温度升高时,反向饱和电流也就很快地增加。本来在正常温度下,反向饱和电流在集电极电流中所占的比例很小,但随着温度的增高,反向饱和电流增加,它在集电极电流中所占的比例也就增大,当然集电极电流也就增大,所以大家常说,温度的变化会引起半导体管工作情况的变化,甚至会破坏半导体管的正常工作。
既然温度变化会影响半导体管工作的稳定性,人们就得承认这一客观事实而想法克服它。因此在半导体管放大器中需要考虑温度补偿问题,而这是与加偏压的方法有关的,下面将结合温度补偿问题来讨论各种不同的加偏压的方法。
1.双电池供电法:用一个电池供给发射结所需正向偏压;并用另一个电池供给集电结反向偏压,这种方法就叫做双电池供电法(见图3)。这种方法从电路看最简单,但除了需用两套电源比较麻烦之外,还有一个缺点是缺乏防止温度影响的措施,故用得很少。

半导体管放大器供电

半导体管放大器供电

2.固定偏流法:图4是用单电池组供电的方法之一。由池正端加到发射极e,负端通过负载电阻RL后加到集电极c,故有一个负偏压加到集电结;同时电池负端通过一较大的电阻Rb加到基极b,故有一正偏压加到发射结,或者说靠Rb。供给基极一个固定偏流,偏流的大小Ib≈Ec/Rb,它的方向是从电池正端出发,经过e、b极,再经过电阻Rb回到负端。改变Rb的阻值,就可以控制偏b流的大小,因此一般叫Rb为偏流电阻或偏置电阻。这种接法和双电池供电有同样的效果。这种供电方式虽然比双电池好,但它仍然缺乏温度补偿作用。在更换晶体管或环境温度变化时,可能引起放大器放大量的变化、非线性失真的增加,甚至会使晶体管损坏!所以这种方法也不很通用。

放大电路偏压

放大电路偏压

3.电压反馈法:如果把图4中Rb的一端从RL的下端改接到上端去,即改接成如图5a所示的情况,就构成了电压反馈偏置法。这种电路有一定程度的直流反馈。譬如:由于环境温度变化或调换半导体管时,使得放大器的工作状态起了变化,假定是集电极电流升高,通过简单的计算就可以知道:
Ec=Vce+IcRL
Ic增加,IcRL随之增加,而Ec是固定的,当然Vce就降低;而Vce好像是通过电阻Rb加到b、e之间的基极偏压电源(见图5b),Vc降低,也就是发射结的正向偏压降低。大家很清楚,半导体管发射结正向偏压的降低直接导致发射极电流的减小,集电极电流?就不可避免的要跟着减小。因此当外在条件使集电极电流增加时,电路本身的直流反馈作用会使集电极电流降低。结果集电极电流基本上稳定不变。反之,如果集电极电流降低时,电路本身又会使集电极电流升高,保持它不起大的变化。这种电路在结构上不比固定偏流复杂,却有自动稳定工作的作用,故常被采用。不过既靠Rb得到固定偏压,又要靠Rb稳定工作,所以无法分别对偏压和稳定性作单独控制。

放大电路基极偏压

放大电路基极偏压

4.电流反馈法:电压反馈法是把电路中的集电极电压Vce反馈到输入端而达到稳定的目的。然而在用变压器作负载的放大器中,集电极电压基本上不随集电极电流的变化而变化,所以电压反馈法效果不好。对于这种放大器必须加如图6那样的稳定措施。在发射极与地之间串接一个不太大的电阻Re,以达到稳定目的。当温度变化或调换管子而引起放大器集电极电流增加时,发射极电流Ie当然也增加,于是Re上面的电压ReIe增加,由此电路中b、e两点间的电压减小,从而使发射结的注射减小,因此减小了Ie。但由前述可知:集电极电流Ic=aIe+Ico。它包括两部分,随Ie的减小,集电极电流中的aIe这一部分减少,补偿了Ico的增加,最终使集电极电流Ic稳定不变。
显然若要提高稳定度,必须提高Re的阻值,但阻值太大时,c、e两点的电压势必降低,直接影响放大量,所以这种电路不常用。

放大电路电流反馈法

放大电路电流反馈法

最常用的是图7所示电路。其中多了一个电阻Rp。电源Ec加到Rp和Rb组成的分压器上,Rp上的电压降经过Re加到e、b两极之间,作为发射结的偏压。偏压的大小主要决定于Rb和Rp的分压比例。集电结所需的负偏压则是由电源Ec经过Re和变压器初级圈加上去的。有了Rp之后就在基极和发射极间构成一个回路,于是电压ReIe就起等效于电源的作用,使回路中形成一个电流Ip,I的方向和基极的偏流方向相反,起抵消偏流的作用。当Ie因Ic增大而增大时,ReIe增大,Ip也增大,*制偏流的增加,从而使集电极电流稳定下来,所以Re和Rp的共同作用使电路的温度稳定性提高。显然Re愈大和Rp愈小,稳定性愈高。在这种电路中偏压和稳定性可以分别单独控制。
5.其他方法:除以上介绍的偏置方法外,还有所谓“结合自编法”和“热敏电阻法”等。综合自偏法是电压反馈法和电流反馈法综合使用而成,因而稳定性更好,关于它的工作原理因为和上两种方法一样,不再重复。热敏电阻多用在乙类推挽的功率放大器中。热敏电阻也是一种半导体器件,它的电阻值是随温度的升高而降低的,如果我们用一热敏电阻代替图7中的Rp,当温度升高时,Rp的阻值减小,靠Rb和Rp分压而获得的基极偏压数值就降低,发射结的正向偏压降低,发射极电流Ie减小,使集电极电流Ic不会因温度的升高而增加。

阻容耦合放大器
有了以上的讨论,我们就有了分析电阻电容耦合低频放大器的基础。图8b所示为一典型的阻容耦合放大器,其中Re、Rb、R是偏压电阻,显然这是采用的电流反馈偏流法。对于3AX(П6)等低频管来说,一般Re是数百欧姆或1K左右的电阻,Rp的阻值?

阻容耦合放大器

阻容耦合放大器

几千欧,Rb的阻值较大,从几千欧到数十千欧不等。大致上总合乎这样的规律:Rp比Re大,而Rb比Rp大。图中Ce是交流旁路电容器,有了它之后我们就可以把发射极看作交流地电位,因为交流信号电流主要从电容Ce流过;而不流过Re,也就是说,在Re上仅有直流反馈而无交流反馈,直流反馈是为了稳定放大器的工作,无交流反馈是为了提高效大量。Ce的容量很大,少者几十微法,大者一百或二百微法。当然是用电解电容器。RL是放大器的直流负载电阻,一般取几千欧或数十千欧。Cg是隔直流电容器,它避免集电极的负高压加到下一级放大管的基极而破坏下级的工作状态;可是它又得允许低频信号顺利通过,也有耦合(或称交连)的作用,要求它对低频有很小的容抗,所以半导体管放大器中的这种耦合电容器常用3微法、5微法甚至10微法的电解电容,而出电子管阻容耦合放大器的耦合电容器大的多(电子管收音机放大器中Cg一般为0.0047微法左右),原因何在呢?咱们来讨论一下。半导体管放大器的发射结加有正向偏压,基极电流有一定的大小,所以它的输入电阻很低(只有几百欧姆一般不超过1K),这种工作与无栅流状态的电子管放大器(图8a)大不相同,后者的输入电阻大到兆欧的数量级,可以视为开路而不予考虑,因而它的栅漏电阻R也用的很大(500K左右)。C和R对信号电压是串联的,当C的容抗( 公式1.png )和Rg的阻抗相比很小时,信号电压g的绝大部分降落在Rg上,耦合到下一级去,故Rg很大时Cg就可以取得小些。而对半导体管来说,输入电阻R入很小,不能看作开路,是靠R、R的并联电阻R( 公式2.png )和Cg串联分得交流电压。一般Rg比R入大得多,所以上式中分母的P入可忽略不计,再消去Rg,结g入果R≈R入,R入很小,所以R也很小,Cg就必须用得很大(3~10微法),才能在整个音频范围内把它看作短路,并得到好的低频特性。

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发表于 2015-10-28 11:22:24 | 显示全部楼层
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