反馈与补偿


偏置网络的基本目的是在电路的工作点(工作点也称为静态点、Q点、无信号点、空闲点、或静态点)。由于晶体管很少在此 Q 点工作,因此通常使用基本偏置网络作为设计的参考或起点。

实际的电路配置,特别是偏置网络值是根据动态电路条件(期望的输出电压摆幅、期望的输入信号电平等)来选择的。一旦建立了期望的工作点,偏置网络的下一个功能是使放大器电路此时稳定。基本偏置网络必须在温度和电源变化以及可能的晶体管更换的情况下保持所需的电流关系。

在某些情况下,频率变化和再次分量引起的变化也必须通过偏置网络来抵消。该过程通常称为偏置稳定。适当的偏置稳定将使放大器电路保持在所需的工作点(在实际限制内),并防止热失控。

稳定性系数“S”

它被定义为集电极电流相对于反向饱和电流的变化率,保持β和V BE恒定。其表示为

$$S = \frac{\mathrm{d}I_c }{\mathrm{d} I_c}$$

偏置稳定方法

使工作点独立于温度变化或晶体管参数变化的方法称为稳定性。有多种方案可提供固态放大器的偏置稳定性。所有这些计划都会产生某种形式的负面反馈。也就是说,晶体管电流的任何阶段都会产生相应的电压或电流变化,该变化往往会抵消初始变化。

有两种产生负反馈的基本方法:反电压反馈和反电流反馈。

反向电压反馈

下图显示了基本的反向电压偏置网络。发射极-基极结由 R 1和 R 2结处的电压正向偏置。基极-集电极结通过集电极和基极电压之间的差异而产生反向偏置。

反向电压反馈

通常,电阻耦合放大器的集电极电压约为连接在集电极和基极之间的电源电阻 (R 3 ) 电压的一半。由于集电极电压为正,因此该电压的一部分反馈到基极以支持正向偏置。

发射极-基极结上的正常(或 Q 点)正向偏置是发射极和基极之间所有电压的结果。随着集电极电流增加,R L两端会产生更大的电压降。结果,集电极上的电压降低,从而减少了通过R 3反馈到基极的电压。这减少了发射极-基极正向偏置,从而减少了发射极电流并将集电极电流降低至正常值。当集电极电流最初减小时,会发生相反的动作,集电极电流升高至其正常(Q 点)值。

放大器中任何形式的负反馈或逆反馈都倾向于反对所有变化,甚至是由被放大的信号产生的变化。这种反向或负反馈往往会降低和稳定增益,以及不期望的变化。这种通过反馈稳定增益的原理或多或少地应用于所有类型的放大器中。

逆电流反馈

下图显示了使用 NPN 晶体管的独特反向电流(发射极反馈)偏置网络。在固态放大器中,电流反馈比电压反馈更常用。这是因为晶体管主要是电流操作器件,而不是电压操作器件。

在任何偏置电路中发射极反馈电阻的使用可以总结如下: 基极电流取决于基极和发射极之间的电压差。如果差分电压降低,基极电流就会减少。

发射器反馈

当差值增加时,情况相反。所有电流流经集电极。发射极电阻两端的电压下降,因此并不完全相关。随着集电极电流增加,发射极电流和发射极电阻两端的压降也会增加。这种负反馈往往会减小基极和发射极之间的差值,从而降低基极电流。反过来,较低的基极电流往往会降低集电极电流,并抵消初始集电极电流的增加。

偏差补偿

在固态放大器中,当特定应用中信号增益的损失无法忍受时,通常会使用补偿技术来减少工作点的漂移。为了提供最大的偏置和热稳定性,补偿和稳定方法可以一起使用。

下图显示了同时利用二极管补偿和自偏置稳定的二极管补偿技术。如果二极管和晶体管的类型相同,则它们在整个电路中具有相同的温度系数。这里,二极管是正向偏置的。给定电路的 KVL 可表示为 -

$$I_c = \frac{\beta [V - (V_{BE} - V_o)] + (Rb + Rc)(\beta + 1)ICO}{Rb + Rc(1 + \beta)}$$

从上式可以清楚地看出,$V_{BE}$ 随温度变化而变化,并且 Ic 对 $V_{BE}$ 的变化没有影响。由于 $V_{BE}$ 的变化,这是一种处理晶体管工作点的有效方法。

偏差补偿

温度补偿装置

我们还可以使用一些温度敏感器件来补偿晶体管内部特性的变化。热敏电阻具有负温度系数,这意味着随着温度的升高,其阻值呈指数下降。下图显示了一个电路,该电路使用热敏电阻 (R T ) 来减少由于 $V_{BE}$、ICO 或 β 随温度变化而导致的集电极电流增加。

补偿热敏电阻

当温度升高时,R T减小,并且通过 R T馈入 RE 的电流增加。RE两端的动作电压降与晶体管反向偏置方向相反。R T的作用是为了补偿因温度上升而增加的 IC 的增加。