電晶體放大電路

電晶體偏壓電路及共射極放大電路 一 實習目的 () 了解電晶體偏壓電路和工作點與穩定度等觀念 (2) 熟悉電晶體各種偏壓的電路 (3) 了解共射極電晶體基本放大電路 (4) 能量測共射極電晶體基本放大電路的交流參數 二 使用材料 零件名稱 零件值 數量 KΩ 2 2 KΩ 2.2 KΩ 3.3 KΩ 4.7 KΩ 電阻 0 KΩ 2 5 KΩ 22 KΩ 47 KΩ 68 KΩ 00 KΩ 2 可變電阻 50 KΩ MΩ 0.μF / 50 2 電容 0μF / 25 2 47μF / 25 2 電晶體 2S945 903 三 相關知識 ( 一 ) 偏壓與工作點電晶體必須加上適當的直流偏壓才能使得其工作於主動模式而有放大訊號的功用, 此直流偏壓的設計必須使輸入信號能在輸出端獲得一個放大且不失真的信號 電晶體的工作點是由電晶體電路中的直流偏壓來決定, 所謂工作點就是指當沒有輸入交流信號時, 電晶體的直流電壓與電流值

圖一為利用圖解之方式分析偏壓工作點, 圖中的曲線為偏壓下不同 下的特 性曲線, 圖中之斜直線即為負載線, 以 - 所構成之迴路 ( 如圖二所示 ), 用 KL 可寫出此直線之方程式, 而負載線與 的交會處即為工作點 Q 圖一 ( 二 ) 電晶體偏壓電路為了使電晶體能在線性區域內做一理想的放大器, 就必須適當的選擇工作點或叫靜態點, 簡稱 Q 點, 使得放大器能輸出較大的信號 而加偏壓的目的就只是為使電晶體確實操作於所規劃的工作模式 另外, 電晶體的特性會受到溫度的影響而變化, 導致 Q 發生漂移, 進而可能改變電路的特性, 如工作模式的改變等 以下將介紹各種電晶體偏壓電路 : 固定式偏壓電路 () 電路結構如圖二

圖二 (2) 基極電流 : 時 ) ( 當 (3) 集極電流 : ( 工作於主動區 ) (4) 集極 射極電壓 : Q (5) 在主動區的條件 : (6)Q 點的選擇使 : Q 2 (7) S 此種固定式偏壓電路是最基本的電晶體偏壓型式, 其電路結構最簡單, 但是缺點是穩定性不佳, 因為集極電流會隨著 與 O 的改變而變動, 所以輸出電壓也會隨之改變 ; 當溫度發生變化時, 集極電流會改變, 亦改變輸出電壓, 使 電晶體的偏壓工作點相當不穩定 2 射極負回授偏壓電路 () 電路結構如圖三

(2) 基極電流 : (3) 集極電流 : 圖三 (4) 集極 射極電壓 : (5) S / / ( 當 時 ) 為了改善固定式偏壓電路的不穩定性, 在射極串接一個電阻 當溫度上升時, 集極電流增加, 射極電流上升, 射極電壓亦提高, 使得 下降, 基極電流減少, 而集極電流降回, 如此便能抑制集極電流持續上升, 獲得穩定的工作點 3 集極負回授式偏壓電路 () 電路結構如圖四

(2) 基極電流 : 圖四 ( ) (3) 集極電流 : ' (4) 集極 射極電壓 : (5) S / ( 當 時 ) 如圖四所示, 在基極與集極間並聯一個電阻 來穩定工作點, 當溫度上升時, 集極電流增加, 壓降變大, 集極電壓減少, 使得 壓降減少, 即 下降, 使基極電流降低, 集極電流亦隨之減小, 如此便能抑制集極電流繼續上升, 獲得穩定的工作點 4 分壓式偏壓電路 () 電路結構如圖五

2 (2) 基極電壓 : 2 (3) 集極電流 : / 圖五 (4) 射極電壓 : (5) 集極電壓 : (6) 集極 射極電壓 : (7) S /, // 2 分壓式偏壓電路是一個完全與電晶體 值無關的電路, 此設計不但能提高電路的穩定性, 即使在更換電晶體後, 電路仍能繼續正常工作 ( 三 ) 電晶體基本放大電路的種類 共射極放大電路圖六是共射極放大電路, 其輸入訊號是由電晶體的基極與射極兩端輸入, 再由電晶體的集極與射極兩端獲得輸出訊號, 因為射極是共同接地端, 所以稱為共射極放大電路

圖六 共射極放大電路具有以下的特性 : () 輸入訊號與輸出訊號反相 (2) 電壓增益高 (3) 電流增益高 ( ) (4) 功率增益最高 ( 與共集極 共基極相較 ) (5) 適用於電壓放大與功率放大電路 一般常用的共射極放大電路, 均會在射極電阻 旁並聯一旁路電容器, 如圖七所示, 電容器在直流情況下幾乎呈現開路, 所以射極電阻有穩定的直流工作點的作用, 在交流情況下電容器幾乎呈現短路, 可以提高電壓增益 圖七

2 共集極放大電路圖八是共集極放大電路, 在電路中輸入訊號是由電晶體的基極與集極兩端輸入, 再由電晶體的射極與集極兩端獲得輸出訊號, 因為集極是共同接地端, 所以稱為共集極放大電路 共集極放大電路具有以下的特性 : () 輸入訊號與輸出訊號同相 (2) 電壓增益低 ( ) 圖八 (3) 電流增益高 ( )( 與共集極 共基極相較 ) (4) 功率增益低 (5) 適用於電流放大與阻抗匹配電路 3 共基極放大電路圖九是共基極放大電路, 在電路中輸入訊號是由電晶體的射極與基極兩端輸入, 再由電晶體的集極與基極兩端獲得輸出訊號, 因為基極是共同接地端, 所以稱為共基極放大電路

圖九 共基極放大電路具有以下的特性 : () 輸入訊號與輸出訊號同相 (2) 電壓增益最高 ( 與共集極 共基極相較 ) (3) 電流增益低 ( ) (4) 功率增益高 (5) 適用於高頻電路

4 共射極小訊號分析 = +2 50K 2k + - S 2 + - b β=200 + 0K L 2K O S 2 5K K + 3 - _ O 如上圖電路, 已知 =0.7 與熱電壓 T =25m, 則試計算, (a) 直流偏壓電流 Q (b) 小信號分析中的 g m r A A O 首先直流分析, 其直流等效電路如下, = +2 2k β=200.54k K

2 52 505 2., k 50 5 //. 50 5 54 2 77 2 所以,. 96 Q.54 2.77 0.7 200 ma 200, ma Q.96. 95 Q 200 2 3.92.96 6. 2 Q Q Q 因此, g m Q.95 T 25m 78mA/, r 2. 82k, e 25.95mA T Q r g m 200 2.56k 78 小信號分析方面, S 0K b o S s + r π β b r 0 2K L 2K + O _.54K β=200 _ o.54 2.56 // r 2. k.54 2.56 A O, // O O L b L O b L L 或, S S, S b r S r S S, br

將上列各式代入 A O A b O, 可得下式, // // L L br r 200 78.25 2.56 A o s r S S S S.54 2 200 8.84.54 2.56 2 2 L r L S 0K b x.54k r π r 0 2K + _ X o 求 O 時必須利用測試電壓法, 以測試電壓源 X 取代外接負載 L, 產生一測 試電流 x 流入輸出端中, 故可得知輸出端等效電阻, O v x x, 為了防止 S 干 擾, 必須使 0 x, 於是只剩內阻, 由於 極接地, 極亦無信號源,- S S 極迴路中不會有電能存在, 因此不會有電流或電壓產生, 所以 0 ( 或 0 b ) 故, 0, 換言之, 依賴電流源呈開路 b 若以結構來看, 是與依賴電流源 O, 所以 2 k O O b 之並聯, 依賴電流源已開路, 故

s 0k 2.k o 2k S + _ -78.25 s L 2k 未加旁路電容的情況 = +2 50K 2k + - S 2 + - b β=200 + 0K L 2K O S 2 5K K _ O 如上圖電路, 將射極旁路電容移除, 再計算一次電路之, g m r A A O 首先作直流分析, 等效電路如下,

= +2 2k β=200.54k K 2 52 505 2., k 50 5 //. 50 5 54 2 77 2. 96 Q.54 2.77 0.7 200 ma 200, ma Q.96. 95 Q 200 g m Q.95 T 25m 78mA/, r 2. 82 25.95mA T, e Q r g m 200 78m 2.56k

小信號分析.54k r π 2.56k β b r 0 2k L 2k S 0k 0.92k S s b o + _ k + _ O k r 92 0. ) 200) (.54//(2.56 ) ) ( //( r r r A r A e L b b b L b O ) ( // // 又, 則, 消去 0.0282 200 200 // // ) ( r r e L e L r S b ) (, L b O 5.36 200) ( 2.56.54.54 2 2 2 200 ) ( ) ( r r A L S S b L b S b b O S O

S 0k s b.54k r 0 2k x + _ r π 2.56k x k O 求 O 時必須利用測試電壓法, 以測試電壓源 X 取代外接負載 L, 產生一測 試電流 x 流入輸出端中, 故可得知輸出端等效電阻, O v x x, 為了防止 S 干 擾, 必須使 0 x, 於是只剩內阻, 由於 極接地, 極亦無信號源,- S S 極迴路中不會有電能存在, 因此不會有電流或電壓產生, 所以 0 ( 或 0 b ) 故, 0, 換言之, 依賴電流源呈開路 b 若以結構來看, 是與依賴電流源 O, 所以 2 k O O b 之並聯, 依賴電流源已開路, 故

四 實習項目 ( 一 ) 固定偏壓電路量測 量測電晶體的 96 2 如下圖所示連接電路 = 0 2 M 4 2K 0 00K Tr 2S945 3 調整 2 (M), 使 2 4 量測表一 (A) 所列, 並記錄於表一 5 將電晶體將電晶體用烙鐵加熱 20 秒後再測量, 並記錄於表一 () 6 取 903 置換 2S945, 重複步驟 3~6, 並記錄在表二 量測量 量測狀態 表一 2S945 常溫 (A) 烙鐵加熱 20 秒 () /

量測量 量測狀態 / 表二 常溫 (A) 903 烙鐵加熱 20 秒 ()

( 二 ) 射極回授偏壓電路量測 量測電晶體的 2 如下圖所示連接電路 = 0 2 M 0 00K 4 2K Tr 2S945 K 3 調整 2 (M), 使 2 4 量測表三 (A) 所列, 並記錄於表中 5 將電晶體用烙鐵加熱 20 秒後再測量, 並記錄於表三 () 6 取編號為 903 的電晶體置換 2S945, 重複步驟 3~6, 並記錄在表四 7 將電晶體換回 2S945, 取阻值為 K 4.7 K Short 的電阻置換 (K), 重 複步驟 2~5, 並記錄於表五 量測量 量測狀態 / 表三 常溫 (A) 2S945 烙鐵加熱 20 秒 ()

量測量 量測狀態 / 表四 常溫 (A) 903 烙鐵加熱 20 秒 () 表五 量測量 量測狀態 阻值 / 常溫 (A) 2S945 烙鐵加熱 20 秒 () K 4.7 K short K 4.7 K short 8 試討論 的改變對偏壓點穩定度的影響

( 三 ) 集極回授偏壓電路量測 量測電晶體的 2 如下圖所示連接電路 = 0 = 5 + 2 2 M 3 3.3K 5 0K Tr 2S945 K 3 調整 2 (M), 使 2 4 量測表六所列量測項, 記錄於表六 A- -K 5 將電晶體用烙鐵加熱 20 秒後再測量, 並記錄於表六 - -K 6 另取阻值為 4.7 K 的電阻置換 或使 短路 ( 0 ), 重複步驟 2~5, 並記錄在表六中 表六 量測量 量測狀態 阻值 常溫 (A) 2S945 烙鐵加熱 20 秒 () K 4.7 K short K 4.7 K short /

( 四 ) 分壓式偏壓電路量測 量測電晶體的 2 如下圖所示連接電路 = 0 47K 3 4.7K 50k Tr 903 2 2 2.2K K 3 調整 (50K), 使 2 4 量測表八所列, 並記錄於表八 A- -K 5 將電晶體用烙鐵加熱 20 秒後再測量, 記錄於表八 - -K 6 取阻值為 4.7 K 及 0 K 的電阻分別置換 (K), 重複步驟 2~5, 記錄在表 八中 量測量 量測狀態 阻值 / 常溫 (A) 表八 903 烙鐵加熱 20 秒 () K 4.7 K short K 4.7 K short

( 五 ) 共基極放大電路測試 () 如下圖所示連接電路 = -2 = +2 7 5 s K + - Tr 2S945 + - O + - 0μF 0μF o S 0 00K (2) 設定訊號產生器, 使其輸出 KHz, 0.5P P 的正弦波 (3) 設計 7 及 5, 使 2 (8) 將示波器的 channel, channel2 分別接至電路中的 s 及 o, 計算電路之電 壓增益 Av o s (9) 將示波器的 channel, channel2 分別接至 的左右兩側, 測量 的交流電 壓值 (9) 算出 s 及 o o 0, 並求得電路之電流增益 A (0) 利用 Ap A Av, 求出電路之功率增益 o s

( 六 ) 共集極放大電路測試 () 如下圖所示連接電路 = 2 2 M s K 2 + - b 0 00K a Tr 2S945 + - 0μF 2 + - O S b a 3 3.3K 0μF o 0 00K (2) 調整 2 (M), 使射極電壓, 即 2 2 (3) 設定訊號產生器, 使其輸出 KHz 的正弦波, 並調整訊號產生器輸出電壓振幅, 使接於 O 端的示波器輸出波形為最大且不失真 (4) 用示波器分別測量並記錄 S O 的波形於圖四 (A) ( ) 中 (5) 調整 2(M), 當 2 減少時, 重覆步驟 4, 再描繪波形於圖五 (A) () () 中, 觀察當直流偏壓點改變時, 所造成的波形失真 (6) 將示波器的的 channel, channel2 分別接至電路中的 s 及 o, 計算電路之 電壓增益 Av o s Av o s = 0.836 (/) (7) 將示波器的 channel, channel2 分別接至 的左右兩側, 測量 的交流電 壓值 (8) 算出 s 及 o o 0 =0.06, 並求得電路之電流增益 A 0.06 ma O 0. 0302mA A 0. 503(A/A) S (9) 利用 Ap A Av, 求出電路之功率增益 A P 0.503*0.8 0.408 o s

圖四 (A)s

圖四 ()o 圖五 (A)s

圖五 ()o

圖五 ( ) 失真

( 三 ) 共射極放大電路測試 () 如下圖所示連接電路, 3 ( 47 F / 25 ) 先不接

= +2 9 68K 50k + - S s 2 + - 0μF + - b + - K Tr 2S945 2 K + - 0μF 3 47μF o 0 00K O (2) 設計並調整偏壓電路之電阻及調整 (50K), 使 2 (3) 設定訊號產生器, 使其輸出 KHz 的正弦波, 並調整訊號產生器輸出電壓振幅, 使接於 O 端的示波器輸出波形為最大且不失真 (4) 用示波器分別測量並記錄 b O 的波形於圖一 (A) () () 中 (5) 繪出上圖電路的小訊號等效電路, 計算其電壓增益 電流增益及功率增益 (6) 將示波器的的 channel, channel2 分別接至電路中的 及 o, 計算電路之 電壓增益 Av o A 4. (/) (7) 算出 及 o o 0, 並求得電路之電流增益 A 0. 0022mA O 0. 0062mA A 2. 8 (A/A) o (8) 利用 Ap A Av, 求出電路之功率增益 A P 2.8*4. 39.62 (9) 將量測到的共射極放大電路之電流增益 電壓增益及功率增益與理論計算 結果和電腦模擬結果相比較 (0) 將 3 ( 47 F / 25 ) 與 (K) 並聯, 重覆步驟 2~9

() 試比較加上旁路電容 3( 47 F / 25 ) 後, 有何不同? 說明 3 的功用 圖一 (A)o

圖一

圖一 b