D07_BJT放大器

Chapter7,BJT放大器,2,本章重點一覽,7.1放大器理想放大元件主動模式7.2CE放大器偏壓電路的設計加上電容7.3小信號分析BJT小信號模型放大電路分析放大器等效電路無射極電容的CE放大器,3,本章重點一覽,7.4CB放大器小信號分析7.5CC放大器小信號分析CC放大器的應用直流偏壓設計7.6結語,4,7.1放大器,放大器的功能是將輸入信號忠實地放大，即輸出信號和輸入信號有相同的波形，差別只是振幅被放大。實際的放大器無法百分之百將輸入信號忠實地放大，即放大信號的同時一定會產生失真。失真的程度往往是評估放大器好壞的重要依據。,5,7.1放大器,假如我們將一個小信號Vs接到VCCS的輸入端(V1=Vs)，並將電源Vcc及一顆電阻(R)接到其輸出端,由電路結構可知,6,7.1放大器,因此V2的變動量與Vs的變動量成比例，而比例常數G=-kR(即增益)。以上結果顯示VCCS是理想的放大元件，原因在於：電路結構非常簡單。增益由k及R共同決定，其中k為元件特性，但R值由使用者決定。增益為常數，表示輸出信號與輸入信號波形相同而沒有變形。,7,7.1放大器,若k為正數，則與反相，若k為正數，則與同相。理想的VCCS實際上做不出來，但我們發覺BJT在特殊的工作狀態下，特性近似理想的VCCS，因此能作為很好的放大元件。,8,7.1放大器,在BJT的三個工作模式中，截止模式顯然不能放大信號，因為此時IC=0，無法反應輸入信號的變化。在飽和模式下，IC受VBE影響，但兩者並無明確關係，故不能忠實反應輸入信號的變化，因此也無法作為放大器。,9,7.1放大器,主動模式是BJT三個工作模式中，唯一和具有明確關係：其中是電晶體的參數，主動模式下，BJT特性類似理想VCCS，差別在於輸入電壓和輸出電流呈指數關係而不是理想的線性關係。假如信號變動範圍很小，即所謂小信號範圍內，它們的變動量幾乎呈線性關係。,10,7.1放大器,在小信號範圍內，的變動和的變動呈線性關係。定義兩者間的比例常數為：gm是BJT放大器最重要的參數，表示對應變動的比例，稱為傳導係數(transconductance)。,11,7.1放大器,實際上只要就可視為小信號範圍。由於一般放大器面對的就是小信號，因此BJT仍是一顆很好的放大元件。,12,7.2CE放大器,重要觀念澄清：BJT必須工作在activemode才能忠實放大信號。BJT放大器主要利用IC隨VBE變動的特性，再由外接電阻將IC轉化為電壓變動，以完成放大功能。假設電源電壓為VCC，我們必須先設計電路使BJT不僅工作在activemode且得到適當的偏壓(bias)。,13,7.2CE放大器,Step1：B極偏壓由於需工作在主動模式，所以我們首先設計電路使得：最簡單達成的方式是如圖因此只要適當選擇R1、R1的電阻值，便能得到,14,7.2CE放大器,Step2：加入RE,右圖的電路雖然簡單，但有個致命的缺點。當電流導通之後BJT會發熱，IC隨溫度升高而增加。而IC增加的結果，又回頭使BJT的溫度上升。如此惡性循環的結果將使IC愈來愈大，最後可能導致BJT因過熱而燒燬。這個現象稱為熱燒燬(thermalrunaway),15,7.2CE放大器,避免熱燒燬的方法很簡單，如圖在E極加上一顆電阻便可解決問題。因為：當溫度升高造成IC增加時，由於RE使得VE隨之升高。在VB固定的情形下，VBE=VB-VE隨VE升高降低，造成IC下降，因此燒燬的悲劇就不會發生。,16,7.2CE放大器,除防止熱燒毀外，RE還有一個重要功能是決定偏壓電流IE。由於在主動模式下，且，故RE與gm關係密切。,17,7.2CE放大器,Step3：加入RC如圖，我們必須加上一顆電阻RC，才能將電流轉換成電壓變動，達到信號放大的作用。除將電流轉換成電壓變動外，RC的另一個功能是決定C極偏壓(VC)。,18,7.2CE放大器,每顆電阻都有特定功用：R1、R2設定VB。RE避免熱燒燬並設定IE(IC)。RC將電流轉換成電壓變動並設定VC。,19,7.2CE放大器,Step4：直流偏壓設計直流偏壓設計就是利用(R1，R2，RE，RC)四顆電阻，使BJT不僅工作在主動模式，且工作在適當的偏壓電流及端電壓。我們通常選擇IC，VC，VB來訂定BJT的偏壓，然後IE，VB，VE也隨之確定。,20,7.2CE放大器,IC通常選擇mA範圍的電流端電壓方面，一般設計法則是選擇：這個設計法則背後的邏輯是利用作為B極偏壓，以防止熱燒燬。另一方面，由於C極為輸出端，當信號被放大時，輸出信號將以VC為中心上下擺動，其擺動範圍的上限是VCC，下限則是VE+0.3V。因此VC的最佳選擇是在上限和下限的中點,21,7.2CE放大器,例一假定VCC=12V，我們選擇的偏壓為IC=1mA，請設計偏壓電路。,22,7.2CE放大器,例二假定VCC=18V，我們所要的偏壓為IC=2mA，VB=4V，VC=11V，請設計偏壓電路。,23,7.2CE放大器,例三圖7.6(a)使用正負電源以擴大信號擺動範圍，假定我們選擇IC=1mA，VB=4V，VC=4V，請設計偏壓電路。,24,7.2CE放大器,Step5：加上電容,若如圖接上VS之後，信號源的直流電壓會改變VB，則VB可能不再等於原來設計的電壓，甚至可能低於0.5V，使BJT由主動模式變成截止模式。,25,7.2CE放大器,解決這個問題很簡單，如圖在輸入端加上一顆大電容(CB)，因為電容對直流信號而言相當於斷路(open)，故VB不受VS的直流成份所影響。假如CB很大且頻率夠高的話，輸入的交流信號可以越過CB到達B極。CB稱為藕合電容(couplingcapacitor)相同情況也發生在輸出端，故同樣加上一顆大電容(CC)使VC不受RL影響，但輸出的交流信號仍能送至RL。,26,7.2CE放大器,最後我們發覺左上圖的放大增益很低，原因是RE會造成增益大幅下降。為解決這個問題，所以如左下圖加上一顆電容CE與RE並聯，以有效提升增益。,27,7.2CE放大器,加上電容CE的作用說明如下：在沒有CE的情況下，當VB因輸入的小信號而上升時，IC增加，IE也隨之增加，故VE也跟著上升，使得VBE=VB-VE變動很小，連帶增益不大。加上CE之後，當VB上升時，IE隨之增加，假如CE足夠大的話，雖然有電流流入CE但VE變動很小，使得VB的變動完全反應在VBE上，造成IC大量改變，連帶增益大幅提升。以電路學的觀點而言，CE的作用是將交流信號連通到地以穩定直流電壓，故稱為旁路電容(bypasscapacitor)。,28,7.2CE放大器,右圖是BJT放大器的標準電路。由於E極電容很大，對交流小信號相當於短路，所以對交流小信號而言E極相當於接地，故此放大器名為共射極放大器(CommonEmitteramplifier,CE放大器)。,29,7.3小信號分析,BJT是整個放大電路中最重要的元件，所以放大器分析當然以它為中心。由於面對的是小信號，首先必須知道的是BJT在固定直流偏壓下對於小信號變動的反應，也就是所謂的小信號等效模型(small-signalequivalentmodel)。,30,7.3小信號分析,假定VBE、IB、VCE、IC分別表示VBE、IB、VCE、IC的小信號變動，可得以下關係：,31,7.3小信號分析,在activemode中，我們通常假定IC與VCE無關，但事實上IC仍VCE受到影響，只是作用遠比VBE小，故予以忽略。一位名叫Early的先生發現，IC在activemode會隨VCE增加而上升，其關係為：稱為Earlyeffect。其中VA稱為Earlyvoltage，通常是很大的數值，由於VA很大而VT很小，故IC受VCE的影響遠小於VBE。,32,7.3小信號分析,將Earlyeffect考慮之後，IC與VCE的關係為,33,7.3小信號分析,最後在小信號變動下，我們可將BJT等效上視為一個三端元件而以E極為參考點，若v、ib、vce、ic分別表示VBE、IB、VCE、IC，則它們之間的關係為：,34,7.3小信號分析,因此在小信號情況下V與ib的關係像一顆電阻，其阻值為r，另外ic與V關係像一個電壓控制電流源，其大小為gmv，而ic與vce的關係類似一個電阻，其大小為ro。,35,7.3小信號分析,所以BJT的小信號模型就如右圖，其中r表示B極小信號等效電阻，電流源表示VBE與IC的關係，而ro則是由Earlyeffect造成的。,36,7.3小信號分析,例四假如BJT的=100，VA=100V，而偏壓電流IC=1mA。請估算BJT的小信號等效電路中的各參數。,37,7.3小信號分析,有了BJT小信號模型之後，我們可以畫出CE放大器的交流小信號等效電路。在小信號等效電路中，由於直流電源不隨信號改變，故視為交流接地。因為電容的交流阻抗很小可忽略不計，因此所有電容皆視為短路。,38,7.3小信號分析,加上一個交流小信號源(VS)及負載(RL)之後成為下圖，其中RS為信號源的輸出電阻。,電路分析的步驟如下：,39,7.3小信號分析,因此放大器的增益為：,40,7.3小信號分析,以上藏著幾個重要物理意義值得說明：CE放大器的增益為負值，表示輸出信號與輸入信號反相。原因是當vS上升時IC增加，但vo卻隨之下降，故兩者呈反相關係。(由電流源gmv的方向可知)增益主要由gm及輸出端等效電阻(ro/RC/RL)的乘積所決定，充分反映第7.1節的結果。增益Av除與放大器本身有關外，也受到信號源電阻及負載所影響。Av隨RS增加而下降，所以RS愈小增益愈大；另外Av隨RL增加而上升，所以RL愈大增益愈大。,41,7.3小信號分析,例五假定VCC=12V，信號源電阻RS=1K，負載RL=20KBJT的=100，VA=100V。請設計一個CE放大器，其偏壓為IC=1mA，VB=4V，VC=8V。請計算BJT小信號模型的參數值。求CE放大器的增益。若輸入為VS=(10mV)sint的交流小信號，請估算C極的最大及最小電壓。,42,7.3小信號分析,我們可以將左下圖的CE放大器小信號等效電路(無信號源及負載)，視為右下圖的放大器等效電路(amplifierequivalentcircuit)，其中Rin稱為放大器的輸入電阻(inputresistance)，Avo為開路增益(open-loopgain，即輸出端不接任何負載時的增益)，Ro為輸出電阻(outputresistance)。,43,7.3小信號分析,由電路的等效關係得知Rin、Avo及Ro:,vx,ix,vo,R1,R2,v,r,+,gmv,ro,RC,ix,vo,Ro,+,vin,vx,Rin,Avovin,電路A,電路B,+,44,7.3小信號分析,我們將信號源及負載加進來再做一次分析。,由於信號源電阻RS導致放大器真正看到的信號不是vS而是vin。Rin愈大vin愈接近vS，所以Rin愈大愈好。理想的放大器其Rin。,45,7.3小信號分析,+,vS,vin,Rin,RS,+,Avovin,RL,Ro,vo,在有負載的情況下：Ro愈小vo愈大，因此Ro愈小愈好。理想的放大器其Ro=0。最後,46,7.3小信號分析,從Rin、Ro可知放大器輸入端及輸出端的特性，並能判斷其優劣(理想放大器Rin，Ro=0)。另外Avo告訴我們它的最大增益，是實用上的重要參考數據。現在你聽到以下工程師的對話或許能瞭解其意義了這個信號源不錯，因為它的輸出電阻(RS)很小。這個放大器設計得很棒，它的輸入電阻(Rin)很大而輸出電阻(Ro)很小。這個放大器可能無法用，因為我們要的增益(AV)比它的開路增益(Avo)還高。這個負載電阻(RL)太小了，輸出信號會大幅衰減。,47,7.3小信號分析,例六在例五中所設計的CE放大器，請用放大器等效電路的方法重新計算增益。,48,7.3小信號分析,我們曾經說明射極電容CE的作用在於提升增益，由以下分析可看出其功效。,vo,R1R2,vr,+,gmv,RC,RE,vx,ix,ib,右圖是無射極電容時CE放大器的小信號等效電路，由於沒有CE故E極經由RE接地由於ro通常很大，為簡化分析故將其視為斷路(open)。,49,7.3小信號分析,利用一個理想信號源(vx)加在輸入端，並由的關係可得到Rin及Avo：此處Avo明顯下降，原因是RE等效上被放大(1+)倍，造成Avo大幅降低。最後Ro可以由輸出端送入一個理想信號源求得：,50,7.3小信號分析,例七在例五中所設計的CE放大器，假如CE沒有接的話，請計算增益,51,7.4CB放大器,在CE放大器中，我們由B極輸入小信號以改變VBE，再利用E極電容(CE)使VE保持固定。於是有人想到另一種作法：,若B極電壓保持固定而將小信號由E極輸入，同樣能以VBE控制IC，達成信號放大的目的。於是CommonBase(CB)放大器就被發明。由於B極相當於交流接地，故名為共基極放大器(CommonBaseamplifier，簡稱CB放大器)。,52,7.4CB放大器,CB放大器運作原理與CE放大器相似，它們的特性卻不盡然相同。這是好的結果，因為不同才使我們有更多的選擇。原因如下：由於E極端的小信號等效電阻遠比B極小，導致CB放大器的輸入電阻(Rin)遠小於CE放大器。當E極電壓上升時，IC隨之下降，C極電壓隨之上升，所以CB放大器的輸出信號與輸入信號同相，而CE放大器則反相。CB放大器的高頻響應較佳。,53,7.4CB放大器,小信號分析,vr,+,gmv,RC,RE,vo,ix,vo,Ro,Avovin,+,Rin,vx,vx,ix,54,7.4CB放大器,例八假定VCC=12V，請設計電路以得到直流偏壓如下：IC=2mA，VB=3V，VC=7V。若信號源電阻RS=1k，負載RL=5K，求增益。假定電晶體的=100，VA=200V。,55,7.5CC放大器,CommonCollector(CC)放大器也是CE放大器的變形，它和CE放