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  電晶體的「偏壓」一如引擎的「慢車調整」一樣,不當的慢車調整,可能引起頻頻熄火、爆震或高溫......。

  三支腳的電晶體,是比兩支腳的二極體多了一支腳,可是要在這三支腳上加電壓,卻不知該從何加起,明明知道要在每個腳上加些電阻,才能正常動作,卻不知該如何接法,更不知該接多少阻值才恰當?以前電子學課程老師曾敎過,腦中猶存一絲記憶,卻組合不出所以然,該還了已經還了,不該忘的早就忘光了。如果是門外漢,沒有經正統名師教過而不懂,那倒也罷了,氣就氣在明明以前拜師學藝,把這些簡單的東西當成不值一學,或甚筆記抄得比別人整齊,考試也不落於人,今日卻敗在這電晶體的三支腳之間,不知何門是出路。如果你問我電晶體三支腳的電流是怎麼流的,我也「莫宰羊」!

  電晶體儘管有三支腳,從來也沒有人規定電流要從第一腳流經第二腳再流經第三腳,或是從第一腳流經第三腳再流經第二腳。所以你愛讓電流從哪一腳流到哪一腳就儘管流吧!你沒犯規也沒犯法,現在已經沒有老師和教授來批改作業,也不必冒著當掉和重修的風險戰戰兢兢,所以你可以讓電晶體的電流順著流,也可以讓它倒著流,你只需欣賞它冒煙的奇觀,並準備幾塊錢或幾拾(佰)塊再買它一顆就是了,說不定被煙一燻(或什麼現象也沒有)就把你燻醒了。

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電晶體的電流是怎麼流的?

  為了確保電晶體的安全,使它不致因操作及接法錯誤,必須要了解電晶體的「本性」,見圖一(a):NPN晶體的電流流向及圖一(b):PNP晶體的電流流向。從電晶體的符號中,可以很清楚的由三支腳中之射極箭頭方向辨認電流的流向,NPN電晶體之射極電流是基極電流和集極電流的和,換言之,電流是分別由集極和基極流入電晶體再從射極流出去的。PNP電晶體的電流流向和NPN電晶體相反,它是從射極流入電晶體並分兩路由基極和集極流出,射極電流亦為基極和集極電流之和。

  (編者註:電流的方向有兩種解釋法,傳統的解釋是由正流向負,但在解釋電子現象時,則必須反其道而行,亦即電子流是由負到正的,究竟電和電子是怎麼跑的,誰也不知道,我們只是這樣想,這樣推理,而且也覺得行得通罷了!)

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把電壓加到電晶體的三支腳上

  電晶體既然前面有個「電」字,它不加電是不能工作的,這道理和電阻、電容、電感是一樣的。圖二(a)NPN電晶體的電壓接法和圖二(b)PNP電晶體的電壓接法,就是為了要使電晶體得到圖一的電流流向,加在基極和射極間之電壓稱為VBB,加在集集和射極間的電壓稱為VCC,如果是PNP晶體,其VBB和VCC電壓的極性恰和NPN相反。電壓加在電晶體的任何兩腳,可以把這兩腳看成一未知的電阻,所以電流就通過電晶體,而得到圖一所示的iB和iC

圖二是個陷阱?

  如果照圖二把電壓加到B-E和C-E之間,八成會把電晶體燒掉的!理由很簡單,B-E之間是個二極體,VBB電壓不可超過0.7V,否則 iB 會驟然上升,把晶體燒掉了。就算我們只給VBB 0.7V,而得到一個不足以燒電晶體的 iB 值(設若為0.2A),仍然要考慮另一層潛伏的危機,且看下面分解。設電晶體的 hfe 值為50,因 iC 是隨 iB 而變的,所以 iB × hfe = 0.2A × 50 = 10A,即是 iC 之值,若所加VCC電壓為10V,則在電晶體C、E上的功率消耗即為12V × 10A = 120W。如此一來,再「勇」的2N3055也要被燒毀,何況是用來做實驗的2N3569。

為了安全起見

  先把電晶體的B和C各串一枚電阻再說。電阻有限制電流的作用,因為它對「電」流的流路有「阻」力。前一節圖二中,把基極電壓加在VBB電晶體的B和E之間,因為電晶體的B-E間實際上可用一近似二極體代替,所以VBB大於0.7V時,VBB只要稍微增加, iB 就要增加很多的,這理由很簡單,因為VBB電壓把電流「壓」到電晶體裡面去了。如果在電晶體的基極先串上一枚電阻,則不管VBB增加到什麼程度,流入電晶體B-E間的電流 iB 總要先被 RB 這一關限制的;至於接在集極的電阻也是有同樣的效果。

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要加多大的電阻上去?

  如圖三,加在電晶體基極和集極上的電阻,其阻值決定於電晶體的動作型態、增益、頻率響應,可是先別擔心那麼多,或許我們只是隨手抓了一顆來試試,所以只考慮它的安全就夠了。若設電晶體的 hfe 為100,所加之VCC為12V,VBB為6V, iC 之靜態值為10mA,要加多大的 RC 和 RB 呢(見圖四)?

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  要領(1):決定VCE之靜態電壓點。一般為1/2VCC最恰當,因為這樣可以得到最大擺幅的VCE電壓。

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  要領(2):決定Rc之值。Rc之值可由Rc上之電壓及所設定Rc上之電流得之。

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  要領(3):求 iB 之靜態值我們是在倒過來推演 iB 之值,理論上 iC 之值是受 iB 控制的,可是我們先預訂 iC 值再來算到底要給多少 iB ,也是合理的。由以下的式子可以導出 iB 值。

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  要領(4):決定了 RB 之值。有了 IB 及VBB就可算出 RB 值了,但仍然要先知道 RB 上面的壓降才行

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  結論:如果你騎過機車或開過汽車,你一定知道什麼叫「發動」,現在,我們確定了圖四上的 RB 及 RC 值,並加了VBB和VCC,我們已經把這個電路「發動」了,亦即它已經處在備戰狀態。

改成單一電壓供應

  在實用的電路上,我們很少看到VCC電壓和VBB電壓分開供應的,雖然電路已經演變到圖四,但仍然覺得怪怪的,是否能夠把兩組電源供應變成一組呢?我想是可以的,現在就讓我們來試試看!

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  圖五是基本偏壓電路演變成實用電路的過程。(a)圖的VBB和VCC為6V及12V,將VBB改為12V後就成為(b)圖。由於此時VBB和VCC同值,故可共用一電源,即為(c)圖,把橫著畫的 RB 直起來成為(d)圖就更像樣了。

圖四和圖五(d)的RB並不等值

  在圖五的演變過程中,因為變動了VBB值6V為12V,所以 RB 必須重新計算,才能得到原來的 IB 值。

  已知 IB 為100uA

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顯然要得到原來的 IB 值,必須增加 RB 值。因為VBB電「壓」增高了,電「阻」也要大起來,才算公平。

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三元件的功率消耗及電源的供應電流

  電晶體固然處在備戰狀態了,但這種狀態持續多久呢?也許因為電阻的負載過重就燒掉了,也許能源(電源)供應不足,電池一下子就沒電了(如果你是用乾電池當電源的話就明顯了)。先求 RB 上的功率消耗:

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求 RC 上的功率消耗:

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求電晶體上的功率消耗:

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求電源的供應功率:

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求電源電流:由兩方面來求出,答案應該是一致的。

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由以上所得的數據,可知使用一般的電阻(1/4W)極電晶體均不會有燒毀的危險。

什麼是電晶體的偏壓?

  偏壓一詞實在難解,常有人說偏壓太大、偏壓不足,究竟什麼是偏壓呢?上面所說的,讓電晶體的三根腳接上適當的電阻和電壓,使它處在工作狀態,而電晶體基極與射極端之電壓取得之形式,就是一種偏壓形式,電晶體各腳間之電壓就是偏壓。上面我們所討論的使電晶體工作起來的方法是電晶體架構中最簡單也是最基本的一種偏壓方法。我們將繼續探討它的交流動作狀態和其他形式偏壓電路的比較。

基本偏壓方式的交流動作原理

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  圖七,Ci式輸入電容,也是交流耦合電容,也是隔直流電容,它把交流輸入訊號送到電晶體的基極,卻使基極端的直流電壓和輸入訊號相隔離。Co 是輸出電容,它的功用和 Ci 沒有兩樣。Vi 訊號送到基極時, Vi 轉變成VB-E,而VBE又轉變成IB,IB經晶體放大後就變成IC,IC和Rc相乘就變成V(Rc),V(Rc)經Co後就變成Vo訊號了。

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集極回輸的偏壓方式

  圖八和圖七沒有很特殊的差別,只是原來接在 RB 而現在接在電晶體Vcc的集極,RB 除了做電晶體的基極偏壓電阻外,尚是此電路的回輸電阻。先別看回輸對電路的影響,輸入訊號由基極送入電晶體,輸出訊號則由集極取出,但因為 RB 接在基極和集極之間,所以 RB 從集極端偷取一點交流訊號送回基極來,由於這偷來的訊號和原先的輸入訊號是反相,故有抵減的功用,所以電路的增益就減小了,但相對的得到了穩定的效果。集極回輸除了增加工作點的穩定性之外,對於交流放大特性之失真及頻率響應亦有改善的功效。

射極回輸電路

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  在單晶體的基本偏壓電路中加一枚電組在射極上,就成了射極回輸(亦稱電流回輸)電路了,圖九即是。從圖上看不出明顯的回輸迴路,這就是它奇妙的地方。當輸入訊號送到基極時,電晶體射極上的交流訊號的大小應該和基極訊號相去不遠,理由很簡單,因為 RE 之值比電晶體的B-E間之等效電阻(hre)大很多。所以V(RE)Vi,但流經電晶體集極和射極支電流是接近等值的,所以V(RE)轉變成I(RE)後饋入I(RC)而在Rc上產生V(RC)的電壓,經Co後就是Vo了。此電路的直流穩定性是被 RE 改善的,而且其增益相當明顯是近似於RC/RE之值。

集極和射極訊號一起回輸

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  圖十的穩定性比圖八和圖九均較優越,因為它有雙重回輸,這樣的電路不但直流穩定性良好,增益穩定,且失真小。以往的多級AC耦合電路最常見的電路就是這一種。本電路架構對電晶體的 hfe 值的要求並沒有圖八那麼嚴格,因為它的雙重回輸使電晶體的工作點不會受 hfe 值影響太大。

射極回輸電路的另一形態

  圖十一, RB1 和RB2之阻值均比以前各圖要小很多,因為這種電路是藉這兩枚電阻將基極端的電壓設定在一適當值,所以他的工作點很穩定,對電晶體hfe值的要求亦相當寬裕。

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非反相放大器──射極隨耦器

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  見十二圖,這個電路和前面所有的電路不同之處就是沒有集極電阻,而且由射極取出訊號輸出。這電路的增益是小於1的,也就是輸出訊號的幅度比輸入訊號小,但電路的電流放大率幾乎是電晶體的 hfe 值,所以相當於降低了訊號的阻抗。本電路的工作點易受電晶體 hfe 值的影響。

  圖十三比圖十二多了一枚RB2,這就足以改善電路工作點的穩定,不受電晶體 hfe 值的影響,但因 RB1 和RB2 並聯的等效 RB 值比圖十二要小很多,所以輸入阻抗較遜於圖十二電路。

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多級電路是單級電路的衍生

  不論放大器電路有多複雜,它們的偏壓供應方式應該離不開以上所說的幾種接法,若在直流耦合電路中, 它們電晶體各級間也許共用了許多電阻,也就是前一級的 Rc 實際上是後一級的 RB,或前一級的 RE 是後一級的 RB。總之,偏壓的供應技巧相當繁多,其目的是使電晶體工作起來,而且又處於最佳的工作點,並對電晶體特性的要求和電源供應的範圍有更大更寬的容許度。

轉載音響技術第77期MAY. 1982 把電晶體發動!/洪飛

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