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  •  在上一篇博客中通过 SPICE 仿真说明了温度基本共射级放大电路的影响较大,因此基于 β\betaβ 设计放大电路不是一个理想的选择。接下来仿真说明为什么射级偏置电阻能稳定工作点,不受温度影响。  图 (a) 是基极...

     在上一篇博客中通过 SPICE 仿真说明了温度对基本共射级放大电路的影响较大,因此基于 β\beta 设计放大电路不是一个理想的选择。接下来仿真说明为什么射级偏置电阻能稳定工作点,不受温度影响。
     图 (a) 是基极分压式射级偏置电路的直流部分。图 a 稍作变化可以得到图 b ,然后对方框中的部分做戴维宁等效可得图 c,推导如下所示:
    VTH=Rb2Rb1+Rb2VCC V_{TH} = \frac{R_{b2}}{R_{b1}+R_{b2}} \cdot V_{CC}
    RTH=Rb1//Rb2 R_{TH} = R_{b1}//R_{b2}
     根据 KVL,
    VTH=IBRTH+VBE+(1+β)IBRe V_{TH} = I_{B} \cdot R_{TH} + V_{BE} + (1 + \beta) I_{B} \cdot R_{e}
    IB=VTHVBERTH+(1+β)Re I_{B} = \frac{V_{TH} - V_{BE}}{R_{TH} + (1 + \beta) \cdot R_e}
     因此,
    IC=βIB=βVTHVBERTH+(1+β)ReVTHVBERTHβ+Re I_{C} = \beta \cdot I_{B} = \beta \cdot \frac{V_{TH} - V_{BE}}{R_{TH} + (1 + \beta) \cdot R_e} \approx \frac{V_{TH} - V_{BE}}{\frac{R_{TH}}{\beta} + R_e}

    在这里插入图片描述

     令Rb1=Rb2=20KR_{b1}=R_{b2}=20KRc=10KR_c=10KRe=1kR_e=1kVCC=15VV_{CC}=15V。SPICE 仿真结果如下图所示:
     由图可知,温度在 25℃ ~ 80℃ 范围内,ICI_C 基本上不随温度的变化而变化,静态工作点稳定。
    在这里插入图片描述
     结论:射级电阻可以稳定静态工作点。

    PS. 电路图是用 LaTeX 画的。

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  • 在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下,将引起静态工作点的变动,严重时将使放大电路不能正常工作,其中影响最大的是温度的变化。 这样一个共射放大电路,从晶体管内部电流的分配关系上,知道上...

    温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下,将引起静态工作点的变动,严重时将使放大电路不能正常工作,其中影响最大的是温度的变化

    在这里插入图片描述
    这样一个共射放大电路,从晶体管内部电流的分配关系上,知道上式。基于他的直流通路,我们知道 IB 等于UCC减去UBE 比上RB。在这个式子里,电源电压UCC和电阻RB 都是性能比较稳定的器件,可以认为在温度变化的时候,两个参数不会出现变化。而其他另外三个参数,β、UBE和 ICBO 都是对温度敏感的参数,

    ★ 温度对UBE、β 和 ICBO 的影响的影响

    温度的升高,会使得输入特性曲线,向左移动。也就是温度每升高一摄氏度,温度每升高 1度,UBE将减小 -(2~2.5)mV。温度每升高一摄氏度,β 就将增大0.5%-1%。这就意味着当温度升高的时候,输出特性曲线会向上移动,同时间距会拉大。而由于ICBO是由少子漂移产生的反向电流,因此它的温度就更加敏感了。温度每增加十摄氏度。ICBO就像增大一倍。由此可见,当温度升高的时候UBE 会下降,β 和ICBO会增大。这样的变化带入IC 的表达式,就会发现,当温度升高的时候,客观产生的现象是IC 将会增大。而这反映在我们的特性曲线上就可以发现,当温度升高的时候,静态工作点将会随着特性曲线的向上移动,而沿着负载线上移

    稳定静态工作点的途径

    (1)从元件入手
    选择温度性能好的元件;
    经过一定的工艺处理以稳定元件的参数,防止器件老化。

    (2)从环境入手
    采用恒温措施

    (3)从电路改进入手
    采用温度补偿
    引入反馈

    稳定静态工作点的典型电路及其原理

    稳定静态工作点的思路就是在温度升高的时候减小 IB 从而把本应升高的 IC 再降下来。

    (1)二极管温度补偿电路

    在这里插入图片描述
    在固定偏置电路中,基于基尔霍夫电流定律,在基极RB 节点上进行分流,就可以达到减小 Ib 的效果。基于此可以利用同样对温度敏感的元件。例如,二极管来构成温度补偿电路。此时基于基尔霍夫电流定律,IRb = IR+ IB 。而由于固定偏置电路的 IRb 基本确定,当温度升高的时候在引起 IC 增大的同时,根据二极管的特性分析,温度升高会导致二极管的反向电流 IR 增大,由于IRB 固定不变,IB 自然就会减小,而 IC 等于βIB 将本应升高的 IC 降下来,保持了静态工作点的稳定。

    (2) 直流负反馈Q点稳定电路

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    此时IB 不在是与温度无关的量,由于β 的出现,使得当温度升高的时候,IC 变大的同时,β 也会增大,就会导致 IB 减小,从而将本应升高的 IC 降下来,起到了稳定静态工作点的效果。

    在此过程中,Re 是关键,正是Re 响应了 IC 的变化,在 IC 增大的时候抬高了射极电位Ve 。减小了IB,达到了稳定静态工作点。在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    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

    (3)引入负反馈和温度补偿稳定Q点

    将以上两种方法结合起来,一起达到稳定静态工作点的目的。例如下图中的两个电路就是采用了二极管和热敏电阻进行温度补偿,同时结合RE 的直流反馈来稳定静态工作点。

    在这里插入图片描述
    这里需要注意的是在这样的二极管的补偿电路中,二极管的连接方式和之前的二极管连接方式是不同的,它在阳极接在基极上。此时利用的是二极管正向特性对温度的敏感性。根据二极管温度特性当温度升高的时候,二极管的正向特性将左移。此意味着二极管的端电压UD 将下降。那这样一来,由于二极管正极节点的电压减小,必然会使得基极电压VB 也变小,同时由于射极电阻RE 的存在,使得温度升高的时候,射极电位VE 将会被抬高 。一增一减,从而使得UBE 变小,UBE 的减小带来 IB 减小,最终使得 IC 减小,稳定静态工作点。

    分压偏置共射放大电路的静态分析

    在这里插入图片描述
    方法一 戴维南等效电路法

    首先可以将输入回路视为一个有源的二光头网络,就可以利用戴维南等效定理将其等效为一个电压源和电阻的串联,根据戴维南定理,这个等效电阻RB 应该是这样一个有源网络中将信号源置0 以后的等效电阻,将VCC 对地短路,就可以知道此时的等效电阻RB 显然是RB1 并上RB2,电源UB是这样一个端口的开路电压,显然是RB1和RB2的对UCC 的串联分压。在这里插入图片描述
    根据输入回路的电压方程,就可以得到唯一的未知数 IBQ 的表达式,进而得到ICQ 和UCEQ 。根据之前结论这个分压偏置之所以能够稳定静态工作点,其中一个重要因素,就是因为基极电位是一个与温度无关的恒定量,我们重点来考察一VB这样一个参数。根据回路的方程,知道VB =UBEQ +(1+β)IB RE ,结合IBQ 的表达式,就可以得出一个非常重要的结论。当(1+β)远远大于RB 的时候,此时VB ≈ UBB ,也就是约等于UCCRB2 /(RB1+RB2。从而满足固定基极电位的需求。因此,这个条件跟上面引入的 I2 >>IB ,VB >>UBE 的条件是等价的。工程上,通常将该关系式作为分压偏置电路的稳定偏置条件,也是选取RB1、 RB2和RE的依据。

    方法二 估算法

    根据我们电路稳定偏置条件,也就是 I2 >>IB ,VB >>UBE,那此时根据VB 节点的基尔霍夫电流定律,基极之路视为开路,在这样一种条件下就可以得到 VB 的表达式,进而在基于RB2、RE支路的电压方程,率先求得 IE 而 IC ≈ IE,反过来,再利用 IC = βIB 的表达式,求出IBQ 最终基于输出回路求取UCEQ 完成静态分析。在这里插入图片描述
    关于RE的讨论

    RE越大,负反馈越强,电路温度稳定性越好
    RE 上的电流就是输出电流IC 。因此RE太大其功率损耗也大
    RE 增大,VE增高,使UCE减小,UCEQ 的位置将会影响最大不失真输出电压,而UCEQ 减小必将导致电路动态范围变窄,减小了最大输出电压幅度。若想在RE 增大的同时任然保持原来的动态范围不变,就必须增大 VCC。因此RE不宜取得太大。在小电流工作状态下, RE可取几百欧到几千欧;大电流工作时, RE为几欧到几十欧。

    分压偏置共射放大电路的动态分析

    首先获得交流通路,将交流通路中的三极管替换成 h 参数等效模型就可得到微变等效电路。在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    输入电阻由于RB1和RB2通常远远大于rbe,所以约等于rbe

    RB1和RB2串联分压确定基极电位VB,RE引入负反馈稳定静态工作点。

    旁路电容CE 比较大,通常在几十uF左右,在交流作用下可以理想认为他短路。如果没有这个旁电容对放大电路的静态性能没有影响。在这里插入图片描述
    在动态性能方面如果去掉这个旁路电容,RE 就将会出现在微变等效电路中。就会影响放大电路的动态性。首先,看电压放大倍数。方法仍然是相似的,利用 ib 来表示UO 和UI,进而得到电压放大倍数。通过输出回路,可以看到UO 是RC和RL 两个并联电阻上的电压,而两者的总电流就 βib,所以仍然可以得到上图中uo的表达式,再来看看输入电压 ui 。ib 是蓝线支路上的电流,ui 则是上下两点之间的电压降,所以就可以用上图中ui 方程用 ib 来描述 ui,而这部分的电压显然有两部分组成,一部分是 rbe 上的电压降,是rbe ib ,另外一部分则是RE 上的电压降,这里要注意RE上的电流是(1+β)IB,写出表达式就反映了ui 和 ib 的关系。将两者相除,根据定义就可以得到这个电路的电压放大倍数如上图所示。显然,跟前面的固定偏置放大电路的电压放大倍数不一样了,而且通常情况下(1+β)RE 远远大于 rbe ,β 和(1+β)又相差无几。经过变化以后,电压放大倍数就是:Au = - R’L /RE。这意味着,此时的电压放大倍数与晶体管的参数没有多大关系,而只与比较稳定的电阻有关,这就意味着电路放大倍数的稳定性得到了大大的提高。在这里插入图片描述
    输入电阻仍然是输入端口看进去的等效电阻,由于RB1 和RB2 的并联支路的阻值已经确定,故Ri = RB1 // RB2 // R’i 。R’i 仍然是端口电压比上端口电流。他的端口电流就是ib, 而端口电压就是Ui 。而Ui 和iB 上已经得到了ui = ibrbe +(1+β) ib RE 这样的表达式,可推出R’i 的表达式是:R’i = rbe+(1+β)RE 。所以这样一种电路的输入电阻就等于下图中的形式。而输出电阻仍然是可以利用三步走的方法来进行求解。求解后的结论仍然是RC在这里插入图片描述将有旁路电容和没有旁路电容的结果加以对比。可以看到,当电路中存在着旁路电容的时候,放大电路的动态性能与固定偏置放大电路没有区别。当去掉旁边的时候,放大倍数出现了变化,是由于分母中(1+β)RE 的存在,使得电压放大倍数减小了。但同时又使得稳定性大大提高了。在显然去掉了旁路电容以后电路的输入电阻大大地提高了,而输出电阻则保持不变。那为什么一个旁路电容就会对电路的性能产生这么大的影响呢?原因就在于,如果没有这个旁路电容CE ,那么RE 就将引入交流负反馈。必然会对电路的动态性能产生各种影响。在这里插入图片描述
    此时我们可以看到,显然,这样一个旁路电容对电路的性能的影响有好有坏,他在提高了稳定性,增大了Ri 的同时,又损失了电压放大倍数。那么在具体的电路的设计中,可以将电阻RE 一分为二,一部分并上旁路电容,那此时显然对交流性能有影响的只有RE1 。那这就是一个比较常用的分压偏置共射放大电路。就可实现放大倍数不会损失过多,又能够在一定程度上抬高输入电阻。

    在这里插入图片描述
    在实际应用中对于这样一个电路,还应该注意以下一些问题

    1. 为了保证分压偏置放大电路能够稳定静态工作点,应合理选择元件参数,满足
      以下两个条件:I2 >>IB VB >>UBE (实际电路中通常取 I2=10IB VB =3UBE
    2. RE不宜取得太大。在小电流工作状态下,可取几百欧到几千欧
    3. 若要调整分压偏置放大电路的静态工作点,通常的方法是调整上偏置电阻RB1
      10IB VB =3UBE
    4. RE不宜取得太大。在小电流工作状态下,可取几百欧到几千欧
    5. 若要调整分压偏置放大电路的静态工作点,通常的方法是调整上偏置电阻RB1
    6. 若分压偏置放大电路的静态工作点正常,而放大倍数严重下降,应重点检查旁路电容CE是否开路或者失效。
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  • 所以工程师会注重电阻网络的匹配,降低偏置电流对电路的影响。而本篇从偏置电流存在方式影响放大器正常工作的角度,通过一个案例提醒工程师在放大器电路设计中,需要确保偏置电流具有完整的直流回路。 1.偏置电流...

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    多数工程师对于放大器偏置电流参数并不陌生,它是导致放大器电路产生直流噪声的又一重要影响因素。因为偏置电流经过输入端电阻网络会形成一个失调电压源,再通过电路的噪声增益影响输出直流噪声。所以工程师会注重电阻网络的匹配,降低偏置电流对电路的影响。而本篇从偏置电流存在方式影响放大器正常工作的角度,通过一个案例提醒工程师在放大器电路设计中,需要确保偏置电流具有完整的直流回路。

    1.偏置电流定义

    实际放大器的两个输入端会流入少量电流,如图2.25。放大器的同相输入端流过电流为Ib+,反相输入端流过电流为Ib–。

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    图2.25放大器输入偏置电流模型图

    放大器的输入偏置电流(Input Bias Current,Ib)定义为流过两个输入端电流的均值,如式2-11。

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    流过两输入端电流之差定义为放大器的输入失调电流(Input Offset Current,Ios),如式2-12。

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    由失调电流Ios,偏置电流Ib关系式,可推倒其中,Ib+、Ib-分别为式2-13、2-14。

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    与失调电压参数不同,偏置电流参数是以直流电流的形式存在。而只有在电路的直流回路完整时,回路中才能形成直流电流。如果不注重这一点,所设计的放大器电路将会发生异常情况。

    2.偏置电流案例分析

    2018年8月中旬,一位工程师反馈所设计的250KHz 信号处理电路出现异常,电路第一级放大器输出信号是峰峰值为0.2V,频率为250KHz 的正弦信号。第二级电路如图2.28,使用AD8066设计为增益电路,发现在输出端存在严重的失调电压。工程师认为电路使用交流耦合方式,应该避免了第一级放大器直流噪声的影响。

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    图2.28 AD8066设计电路图

    笔者在与工程师检视AD8066电路未察觉异常情况,在故障复现的测试中,发现工程师所使用的AD8066测试电路如图2.29。即图2.28电路中AD8066同相输入端IN网络里的电阻R4没有焊接。在交流耦合电路中,将导致AD8066偏置电流没有完整的直流回路,放大器内部晶体管缺少正确静态工作点。说明问题原因,工程师恢复焊接电阻R4,电路运行正常。

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    图 2.29 AD8066测试电路图

    使用LTspice仿真图2.29的AD8066测试电路。瞬态分析结果如图2.30,在缺少R4的电路,AD8066输出信号存在200mV的失调电压。

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    图 2.30 AD8066测试电路仿真结果

    针对图2.28的AD8066设计电路进行仿真,瞬态分析结果如图2.31。AD8066的输出不再复现失调电压。

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    图2.31 AD8066设计电路仿真结果

    所以在放大器的设计中,首先应该确保偏置电流具有完整的直流回路,才能使得放大器正常工作

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  •   这是一个基本共射级放大电路的直流通路, R1 提供偏置电流,R2 为集电极电阻,直流电源设置为 15V。通过简单的分析可以得知该电路的静态工作点: Ic=β×IB=β×V1−VBER1 I_c=\beta\times I_B = \beta\times\...
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    平衡电阻的作用 

    (1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。

    芯片内部的电路通常都是直接耦合的,它能够自动调节静态工作点,但是,如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地,它的自动调节功能就不正常了,因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压,也无法拉低电源的电压,这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件,电路需要另外分析。

    (2)消除静态基极电流对输出电压的影响,大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡,

    这也是其得名的原因。

    运算放大器同相放大电路如果平衡电阻不对有什么后果?

    (1)同相反相端不平衡,输入为0 时也会有输出,输入信号时输出值总比理论输出值大(或小)一个固定的数。

    (2)输入偏置电流引起的误差不能被消除。

    附第二点 :https://blog.csdn.net/yuechifanfan/article/details/109195286

     

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    2019-07-09 12:46:32
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  • 例如交流音频放大器,有些运放偏置电流很小,即使输入端电阻不平衡也不会失调电压产生什么影响,这些电路就可以不要求输入端电阻平衡。尤其是现在基于CMOS工艺的运放,输入偏置电流都是几个pA,加不加平衡电阻的...
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    2019-03-14 12:39:40
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空空如也

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偏置电阻对放大电路的影响