電晶體放大器一 目的 : 了解電晶體放大器的工作原理, 並測量電晶體的一些參數 二 原理 : ( 一 ) 電晶體放大器的偏壓 : 在前面的實驗中我們分析過電晶體的放大作用, 並且估計過如圖 l 電路的電流放大率和電壓放大率 在作估計時, 我們一直假設這個電路工作在線性區域裡, 使 o, 因此輸出電壓 o 是輸入電壓的翻版, 只是振幅變大而已 為了使電路工作在線性區域, 至少要時時保持電晶體在 暢通 的狀況, 也就是說, 當, o 起伏時, E 和 CE 仍然要維持為正值 因此, 在,E 之間及 C,E 之間必須施以直流電壓, 我們稱為 偏壓 圖 1 中, 左右兩個直流電源供應電路所需的偏壓 在一般的電路中,,E 間及 C,E 間的偏壓都是由同一個直流電源供應, 以免去裝置兩個直流電源的麻煩 圖 1 ( 二 ) 偏壓方式 : 直流電源經過偏壓網路供應,E 間和 C,E 間的偏壓, 圖 2 的電路採用的偏壓網路最為簡單 I 由直流電源 V CC 經電阻 供應, 由環路定理可得 圖 2 偏壓方式 因此 I +V E V CC I rav CC - V E 在正常工作中,V E & 0.7V,V CC 通常在 10V 以上, 因此 V I & I 是值, 因此這種偏壓稱為 偏壓 由另一個環路, 可得 CC 因此 C I C +V CE V CC
V CE V CC - C I C V CC -β C I 可見 C, E 之間的偏壓 V CE 和 β 值有關 當溫度變化使 β 值改變時,V CE 會隨著玫變 更換電晶體時,β 值通常不會和原來的電晶體相同,V CE 會改變 在大量生產的場合, 電晶體的 β 值通常有一個範圍, 不會是一個定值, V CE 也會有一個範圍, 不會是一個定值 由這幾點就可知道偏壓是很差的偏壓方式 雖然如此, 由於電路簡單, 往後的實驗中我們仍然採用偏壓方式 ( 三 ) 工作點的選擇 : 在上面的分析中, 我們已經求出 I,I C 和 V CE, 這一節中我們以圖解的方式來求出這些值 圖解法使我們對電晶體的動作有更具體的了解 圖 3 圖 3 是電晶體的一組輸出特性曲線, 每一條 I C -V CE 曲線對應於一個 I 值 由前面的分析中, 知道 V I & CC 故我們知道 (I C,V CE ) 在那一條 I C -V CE 曲線上前面的分 析, 同時告訴我們 C I C + V CE V CC 因此 (I C,V CE ) 在一條 x 截距為 V CC,y 截距為 V CC / C 的直線上, 這條直線稱為 負載線 負載線和 I C -V CE 曲線的交點就是 (I C,V CE ) 的值 這個交點稱為 工作點, 它代表無信號輸入時的 ( C, ) 值, 也就是直流偏壓值 當我們把欲放大的信號輸入時, 會在 I 附近振動, 因此交點會沿著負載線上下振動 在 V CE 附近振動, 由圖解很容易看出降 的波形和 的波形是反向的, 如圖 4 所示 在上面例子中, 電晶體始終在線性區域裡工作, 因此輸出波形和輸入波形相同 現在如果把工作點定在靠近飽和區, 增加時 C 並不等比例增加, 波形下端會被削平, 如圖 5 所示 圖 4
圖 5 圖 6 反之, 如圖 6 所示, 若工作點靠近截止區, 波形下端會被削平 因此 波形上端會被削平 當電晶體進入飽和區或靠近截止區時, 處在非線性的區域, 輸出波形會出現變形, 並不是輸入波形的翻版
因此, 盡量把工作點定在負載線的中央, 使不被削平的 輸出波形可以最大 因此通常定 V CE 1/2 V CC ( 四 ) 小信號模型 : 假設圖 7 是我們要討論的放大器電路, 欲放大的信號經過串聯的 S,C S 輸入 極 S 代表信號源的內電阻或電路上加上去的電阻或兩者的和 電容器 C S 用來阻止直流電流流入信號源而使 I 減少 若信號的頻率不太低, 通過電容器時受影響很少 通常 比 E 間的電阻大很多, 可當作所有從信號源來的電流都流入 極 因此 圖 7 若 s 比 r 大很大 s s + e ( s + r ) s s, s / s 通常我們重視的是交流部分而不是直流部分, 直流部分只是為了讓電晶體工作在線性區域而已 我們可以再作一個圖, 把直流電源和偏壓網路去掉, 只畫和交流部分有關的部分, 如圖 8 所示 當信號很小時, e 和, 的關係可當作線性的, 我們取, 為自變數, 則, e 可寫成 圖 8 圖 9 小信號模型 + o + r 由這兩個關係式, 可以得到電晶體的小信號模型如 圖 9 o r 的定義如下 : D C 0 D CE 稱為輸出短路時的電流增益, 其意義如圖 10 所示 圖 10 的意義 0 0 D D C CE 稱為輸入斷路時的輸出電導, 其意義如圖 11 所示 e D E 0 D CE 圖 11 0 的意義
稱為輸出短路時的輸入電阻, 其意義如圖 12 所示 e D E 0 DCE 稱為輸入斷路時的反向電壓傳送比, 其意義如圖 13 所 示 通常 r & 10-4, 當做 r 比 小很多, 可以忽略, 而 l / o & 40kΩ 比我們加上去的電阻 C 大很多, 也可以 忽略 因此, 上面的模型可以化簡成如圖 14 所示的情 形 如果我們不要求很精確的話 r & r & β 整個放大器的電路可以化成圖 15 的等效電路 我們很容 易求出電流放大率和電壓放大率 A & & A & & e r A p - 2 -A A & - S & S - r 這個結果和上個實驗中的估計相同, 因為已經取了近似 值 ( 五 ) 電晶體的頻率響應 : 如圖 16, 電晶體的 E 極和 極之間相當於一個二極體, 順向偏壓時,E 極的電子會擴散到 極裡去, 然後再擴 散到 C 極 在穩定狀況下總有一些電子儲存在 極裡 當電壓變化時, 這些儲存電子的量也隨著改變 因此, 在 E 極和 極之間好像有一個電容存在, 這個電容稱為 擴 散電容 在二極體那個實驗中, 我們曾大略估計二極體 的擴散電容為 C τ/ r τ 是載子的半生期,r 是二極體的動態電阻 這個結果 r 可以引用到電晶體的 E 極和 極之間 圖 12 的意義圖 10 r 的意義圖 14 化簡的模型 圖 15 放大器的等效電路 圖 16
因此前面的等效電路應改為圖 17 的形式 C 代表輸入 端的電容, 這個電容主要為上面提到的擴散電容, 當然 輸出端反射過來的電容也佔了一部分 的一部分是這個電容充電和放電所造成的, 這一 部分和 無關, 我們以 2 表示, 另一部分流過 r, 和 成正比, 以 1 表示 在低頻率時 C 幾乎不通, 2 很小, 可以忽略 當頻率提高時, 流過 C 的電流比例會愈來愈 大, 到 1 1 2p r C 2pt 1 / 2 頻率時, 1 2 (1+ 2 ) ( 參看圖 18), 故 從低頻的 β 2 降為 (1+ 2 )β, 從低頻的 β C 降為 1+ 2 β C, 因 此 l/2 是這個放大器的半功率點, 超過這個頻率時, 放大率 就愈降愈低, 如圖 19 所示 由這個半功率點, 可以大略估 計電子在期極的半生期和擴散電容 圖 17 1 圖 18( 1 2 ) 2 三 儀器 : 示波器, 電源供給器 信號產生器 波型產生器, 三用電表, 數字型三用電表 四 步驟 : 電晶體放大器的電路如圖 20 所示 注意 : 電晶體 MJE340 的 E 極, 極,C 極的位置, 請參考圖 21 圖 19 log Sale ( 一 ) 工作點對輸出波形的影響 : 1. 先把信號產生器的輸出調到很小 調節 500kΩ 可調電阻使 C 極的直流電壓為 5V 2. 再把信號產生器的輸出調大, 觀察 C 極輸出波型的變化 信號產生器的輸出調到最大時,C 極輸出波型變為圖 22 的樣子 3. 把信號產生器的輸出慢慢調小, 直到 C 極的輸出波型變回完美的正弦波 4. 調節 500kΩ 可調電阻使 I 增加, 使電晶體的工作點上移,C 極輸出變為圖 23 的波形 下端因為電晶體進入飽和區而被削平 5. 調節 500kΩ 此可調電阻使 I 減少, 使電晶體的工作點下移,C 極輸出變為圖 24 的波形 上端因為電晶體進入截止區而被削平 圖 20 圖 21
6. 調節 500kΩ 可調電阻, 使 C 極輸出的波形又變回完美 的正弦波 ( 二 ) 輸入波形和輸出波形的極性 : 將 s 輸入示波器 CH1, 將 C 極的波形輸入示波器的 CH2, 它們的極性是否相反? 圖 22 ( 三 ) 放大率的測量 : 1. 將 e 輸入示波器 CH1, e 並不是正弦波 將信號產生器的輸出調小, 直到 e 變小到趨近正弦波 2. 以示波器測量 和 e 波形的高度, 算出電壓放大率 電壓放大率 / e 3. 將 的波形輸入示波器 CH1, 測量波形的高度, 這就是 s 算出 和 為, 並由兩者算出電流放大率 & s /10kΩ, /1kΩ, 電流放大率 & / e 4. 計算功率放大率 : 功率放大率 電壓放大率 電流放大率 5. 計算 E 之間的動態電阻並加 267 mv / I 比較 動態電阻 r e / I 是基極直流電流, 可以用 DMM 測量 10kΩ 電阻的直流電壓而得知 圖 23 圖 24 ( 四 ) 頻率響應 : 1. 將信號產生器的頻率調高, 但不要改變輸出振幅 觀察 C 極輸出波形的高度隨頻率調高而變小的情形 2. 記下 C 極輸出波形高度降到 1kHz 時的 0.707 倍時的頻率 1/2, 1/2 就是這個放大器的半功率點 3. 由 1/2 和 r, 估計 C 值 五 問題 : 如果信號產生器的輸出直接輸入 極, 不經過串 聯 10kΩ 電阻,C 極輸出的波形是否為正弦波? 解釋之 六 參考資料 : 1. J. Mllman & A. Grael : Mroeletrons, 2nd ed., (MGraw-Hll ook ompany), 3-9 ~ 3-10, p.114 ~ p.123 2. A. S. Sedra & K, C. Smt : Mroeletron Crtts, 2nd ed., ( HW In. ), 8-7 ~ 8-9, p.425 ~ p.453