電子電路基礎 （11）——反饋、偏置與多級放大電路原理分析

一、偏置與反饋的概念（非常重要）

1.1 偏置的概念及原理

電極間的直流電壓、直流電流通常稱為偏置電壓、偏置電流。就是在需要放大的信號之輸入處（發射極接地時，PNP、NPN型均為基極--發射極之間）預先流通一定值的電流（或加載直流電壓），這個就是偏置電壓、偏置電流。

二、偏置的必要性

那么為什么要加偏置電壓或是預先流通一定值的電流呢？

由于PN結的單向導電性，所以只有在ui的正半周期中為正偏，如圖(a)所示基極電流流通。因此，由于集電極電流ic僅在ib流通時流通。結果出現如圖(b)所示輸出波形。這會有明顯的失真現象。
預先對基極流通一定大小的電流，在此基礎上即使輸入信號稍有變動，其變化也是與輸入信號相對應的。我們稱這種變化為線性動作。放大電路的靜態是指未加交流信號以前的起始狀態。
因此，如果預先流通一定大小的直流電流。這樣，即使輸入波形變為負，基極-發射極之間總為正向電壓，輸入信號的微弱變化如實地被作為輸出電阻兩端的較大變化而取出（進行了放大），參看以下圖示：

我們將放大電路靜態時各處的電壓、電流值分別用IBO、ICQ、UBEQ、UCEQ來表示。由于這一組數值代表著輸入和輸出特性曲線上一個點，（即是指輸入信號以此點為中心進行變化）所以習慣上稱他們為靜態工作點（又叫直流工作點）。

三、利用反饋穩定工作點

我們知道半導體會受到溫度影響（比如溫度升高了，三極管放大能力增強。那么我們的工作點要是選擇的電壓較高，當溫度升高交流信號正半軸時很容易進入飽和區，當然負半軸還在放大區；要是我們的工作點選擇的電壓較低，當溫度升高交流信號正半軸時還在放大區，當負半軸時就很容易進入截至區）。

補充：三極管的三種狀態也叫三個工作區域，即：截止區、放大區和飽和區。

• 截止區：三極管工作在截止狀態，當發射結電壓Ube小于0.6—0.7V的導通電壓，發射結沒有導通集電結處于反向偏置，沒有放大作用。

• 放大區：三極管的發射極加正向電壓，集電極加反向電壓導通后，Ib控制Ic，Ic與Ib近似于線性關系，在基極加上一個小信號電流，引起集電極大的信號電流輸出。

• 飽和區：當三極管的集電結電流IC增大到一定程度時，再增大Ib，Ic也不會增大，超出了放大區，進入了飽和區。飽和時，Ic最大，集電極和發射之間的內阻最小，電壓Uce只有0.1V~0.3V，Uce<Ube，發射結和集電結均處于正向電壓。三極管沒有放大作用，集電極和發射極相當于短路，常 與截止配合于開關電路。

為了避免上述出現的情況，我們需要：

1. 選擇合適的工作點。

2. 控制工作點。也就是當溫度上升的時候，要采取措施讓他任然處于放大狀態，也就是讓他處于不失真的狀態。

為了滿足上述條件，我們引入以下概念。

3.1 反饋的概念

廣義的講，凡是通過一定的方式將輸出端的信號送入到輸入端，并對輸入端產生一定的影響的過程，都稱為反饋。
放大電路中的反饋是指通過一定的方式把放大電路中的某一個電量（電壓或電流）的一部分或全部送回到輸入電路的過程。

3.2 正反饋和負反饋

根據反饋的極性可分為正反饋和負反饋。如果反饋信號加強了原來的輸入信號，使放大的倍數增加，這樣的反饋稱為正反饋，如果反饋的信號削弱了原來的輸入信號，使放大電路的放大倍數減小，這樣的反饋稱為負反饋。

3.3 利用反饋穩定工作點

溫度變化對靜態工作點的影響。溫度升高對三極管的影響，最終將導致集電極電流IC的增大。結果使靜態工作點移近飽和區，使輸出波形產生嚴重飽和與失真。
引起工作點波動的外因是環境溫度變化，內因則是三極管本身所具有的溫度特性。

1. 先設法使基極對地電位 U_B基本穩定，即不受溫度變化的影響（主要三極管受溫度影響較大，而電阻器和三極管相比受溫度影響較小，因此我們在U_B下方串接一個電阻R_B2，那么U_B的電位取決于兩個電阻的分壓，相對就不會受溫度的影響）。

2. 然后在發射極串接一個電阻R_E，用它兩端的電壓U_E來反映I_C的變化并和U_B相比較，得到I_C變化后的U_BE值，如果I_C增加，則比較后的U_BE值應使I_B下降，I_E也隨之下降，其結果將維持I_C基本不變。

3. 原理分析：溫度上升 -> I_C上升 -> I_E上升，由于R_E的作用 -> U_E上升，由于R_B不變 -> U_BE下降 -> I_C下降。

如果上面看的還是不清楚，接下來我們進一步分析：
（原文出處：https://blog.csdn.net/weixin_49284870/article/details/112250686）（我對其進行了補充）

將RB1 和RB2 取代了原來的基極電阻RB，對于電源UCC 來說，RB1 和RB2 是一種串聯分壓的形式。故此電路就叫做分壓偏置共射放大電路。如果合理地選擇各種器件RB1 和RB2，使得電路中的電流和電壓滿足 I2 >>IB ，VB >>UBE，I2 也就是RB2 上的電流遠遠大于基極電流 IB ，而 VB 也就是基極電位遠遠大于UBE，那么就可以通過VB 點的基爾霍夫電流定律，就可以認為基極這條支路視為開路。基于左邊支路的串連分壓關系，就可以上圖中 基極電位 VB 的表達式。通過此式可以看出VB 都是由電阻、電源確定的，都是與溫度無關的比較穩定的元件，所以在這種情況下，溫度變化的時候基極電位基本恒定。
在此前提下，當溫度升高的時候，IC 將會增大。而IC ≈ IE ， IE 是RE上的電流，必然導致 RE 上的電壓降會增大，也就是會抬高射極電位VE 。由于基極電位VB 是幾乎與溫度無關的一個固定量，所以VB 減 VE ，也就是UBE 將會出現下降的趨勢。從而根據晶體管的特性曲線知道UBE 變小 IB 自然就會變小，從而最后將本應升高的集電極電流 IC 降下來，起到穩定靜態工作點的作用。通過此過程可以看到，這個分壓偏置穩定靜態工作點主要有兩方面，一個是通過串聯分壓穩定了基極電位VB ，而另一個則是有賴于RE 引入的直流負反饋。
IB 變小，從而 IC 降下來是因為：

Ic = βIb;(β是固定的要看硬件手冊)
Ie = Ib + Ic;

四、多級放大電路及多級放大電路中的耦合方式

4.1 多級放大電路

在實際應用中，常對放大電路的性能提出多方面的要求，單級放大電路的電壓倍數一般只能達到幾十倍，往往不能滿足實際應用的要求，而且也很難兼顧各項性能指標。這時，可以選擇多個基本放大電路，將它們合理連接，從而構成多級放大電路。
組成多級放大電路的每一個基本電路稱為一級，級與級之間的連接方式稱為級間耦合。多級放大電路有3種常見的耦合方式，即阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合。

1. 阻容耦合。將多級放大電路的前級輸出端通過電容接到后級輸入端，稱為阻容耦合方式。上圖所示為兩阻容耦合放大電路，第一級為共射放大電路，第二級為共集放大電路。
   優點：各級間的直流電路互不受影響。
   缺點：不便于集成。
   

2. 變壓器耦合。變壓器耦合是利用變壓器將前級的輸出端與后級的輸入端連接起來，這種耦合方式稱為變壓器耦合，如上圖所示。輸出信號經過變壓器送到負載。RB1、RB2為T管的偏置電阻，CE是旁路電容，用于提高交流放大倍數。
   優點：各級間的直流電路互不受影響。
   缺點：不便于集成。
   

3. 直接耦合。直接耦合是將前級放大電路和后級放大電路直接相連的耦合方式，這種耦合方式稱為直接耦合，如上圖（a）所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。
   優點：便于集成。
   缺點：各級直流工作狀態相互影響。

· 由 青梅煮久 寫于 2021 年 05 月 20 日

· 參考：https://blog.csdn.net/weixin_49284870/article/details/112250686