电子电路基础 （11）——反馈偏置与多级放大电路原理分析

Posted 2021-06-06 青梅煮久

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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？

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：

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<Ube，发射结和集电结均处于正向电压。三极管没有放大作用，集电极和发射极相当于短路，常 与截止配合于开关电路。

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和负反馈。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。

1. 先设法使基极对地电位 U_B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U_B下方串接一个电阻R_B2，那么U_B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R_E，用它两端的电压U_E来反映I_C的变化并和U_B相比较，得到I_C变化后的U_BE值，如果I_C增加，则比较后的U_BE值应使I_B下降，I_E也随之下降，其结果将维持I_C基本不变。
3. 原理分析：温度上升 -> I_C上升 -> I_E上升，由于R_E的作用 -> U_E上升，由于R_B不变 -> U_BE下降 -> I_C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）

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。

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。
   

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。
   

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。

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• 由 青梅煮久 写于 2021 年 05 月 20 日

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