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6. 二極體的動作

  原文在這一部分提到二極體的整流線路,其他二極體的用途前面已經提過了,這裡除了刊出一般的全波、半波整流電路外,倍壓式整流也一併刊出,以作為讀者使用上的參考。

  如圖二十三(A)為半波整流電路,輸出電壓為變壓器的次級峯值電壓,二極體的耐壓必須在2Eo以上才行;(B)為橋式整流電路,輸出電壓為Eo,二極體的耐壓Eo就夠了;(C)為全波整流電路輸出為Eo,二極體耐壓Eo;(D)、(E)、(E)是兩種倍壓整流電路,耐壓和輸出皆為2Eo圖二十四為一直流高壓產生器的線路,運用倍壓整流,可在輸出得到2nEo的電壓!

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7. 電晶體基本組態

  現在來談一談三極電晶體的結構及動作原理,圖廿五繪出了電晶體的結構圖和符號。要說明的是這種結構是最初發展出電晶體時,是將三塊導體像三明治一樣的夾起來而作出電晶體,這種電晶體稱為接面型電晶體。而現今發展的電晶體除接面型外,還有生長型、擴散型、合金接合型、單石等等.....;像目前流行的RET,就是運用IC技術而作出來。

  至於符號,Audio Amateur上都把集極和射極連在一起,事實上集極和射極是分開的,所以正確畫法應該要分開,像刊頭左上角那顆大電晶體符號一樣。由於引用的圖多半出自原書,符號的問題讀者知道就好。

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  在圖廿六中顯示了電晶體接上電池後,電洞與電子移動的情形。一較高的電壓加在集極和射極之間,而在基極與射極之間加一小電壓,在PNP晶體中,基極(N)接負,射極(P)接正,是順向偏壓;故在基、射接面是順偏,有電流流動,而在集、基接面上,因集、射極的電池電壓較高,而形成反偏。由於電池負電壓接在集極上,所以電洞就離開接面往電池端走,因此在基、集接面就因缺乏電洞而成負電性,也就是在此接面上聚集了大量的電子。我們刻意地將基極作得很薄,當基、射接面因順偏而產生電流時,電子移向基、射接面,而將電洞留於基、集接面,此電洞將吸引集極的電子透過接面走向基極。由於基極很薄又受到集、射間很大電場加速,所以電子很容易透過基極而到射極去;因此在射極中的電子來源有兩處:一是來自基極,一是來自集極。所以電晶體中,射極電流是基極電流的總和道理在此。

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圖廿七,標示了PNP電晶體的電流方向,注意底下的三個重要的關係式:Ie=Ic+Ib,α=Ic/Ie,β=Ic/Ib

  其中β就是電晶體h參數中的HFE,而αβ間互相換算的式子為:β=α/(1-α);現在就讓我們來看看具有這種物理特性的電晶體如何執行放大作用。

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  圖廿八這樣的放大器是很容易想像得出來的,Ib變動,在RL上的電流變動就有βxIb這麼多;如果在基極迴路中,由基極看進去的等效內阻是Rin(回憶一下第一篇的黑盒子觀念),那麼輸入電壓就是IbxRin,輸出電壓是βxIbxRL,,電壓放大率是Av=(βIb.RL)/(Ib.Rin)=β.(RL/Rin),與前面黑盒子時的Av=hfe x(RL/Rin)一樣。

  而在圖廿八中那個0.15V的偏壓電池,在實際使用時,通常是經由電阻分壓自3V的電池取得。

  圖廿九畫出一個CE(Common Emitter,共射)的正常接法,注意RE的介入使得輸入阻抗Rin提高了βxRE這麼多,為什麼呢?

  考慮B極電壓VB,可知Rin=VB/Ib(歐姆定律)

  Rin=[hie.Ib+(1+β)Ib=hie+(1+β)RE

  Rin由hie→hie+(1+β)RE,增加了(1+β)RE這麼多,如果β>1,且RE在某個程度以上,往往βRE>hie,此時我們大致可以用βRE來代表Rin

  那麼CE放大器的電壓增益變成了Av=β.(RL/Rin)=β.(RL/RE)=RL/RE

  電壓放大率是C極負載電阻除以RE,很重要很重要的式子;在SF-106N中,後來加上那兩支20K的電阻,是接在Q5、Q6的C極對地,很明顯的,Q5、Q6的Av會降到20K/220Ω以下,如果沒有這兩支電阻,那麼Q5、Q6的Av會隨喇叭阻抗和Q7~Q10的hfe而變,不容易估算得很準,自然回授量也就不容易掌握。

  再回到圖廿九,我們看看Ib該如何求出來:圖廿九戴維寧等效網路被畫成圖三十,其中;

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  VB'R1/(R1+R2)xVcc, RBR1/R2=(R1xR2)/(R1+R2); 所以 VB'=IbxRB+VBE+IcxRE=IbxRB+VBE+(1+β)IbxRE

  只要R1、R2、Vccβ已知,Ib就可以求出。但這個式子太繁了,我們知道現今電晶體的β>1,所以在近似的計算中,可以將Ib忽略不計,若Ib=0,

  VB'=VB=VBE+IexRE(其中IbxRB=0)。

  所以Ie=(VB-VBE)/RE,這個式子是不是簡單多了?!而VBE的值,矽質電晶體約為0.6V,鍺質為0.2V,很重要的一個想法要求電晶體的電流,先找出B點的電壓。

  又Audio Amateur刊出了圖卅一的放大器,C2的介入使交流增益大增,因為C2容易通過交流,其呈現的電抗為Xc=1/2πfC2,在相當的頻率以上,Xc幾乎為零,但在接近直流的低頻時,Xc的電抗不能忽略,必須與R4並聯計算,這麼一來RE的值顯得非常複雜而且不線性。概略的說,在低於f=1/2πR4C2的頻率會受到衰減,因此這一類的電路在用於音響方面時,必須非常小心。

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  除了共射CE放大器外,尚有共基CB、共集CC放大器如圖卅二所示。CE放大器由B極輸入,C極輸出;CB放大器則由E極輸入,C極輸出;CC放大器則由B極輸入,E極輸出。怎麼分辨這三種放大器呢?很簡單,找出哪一極不負責輸入與輸出的,就是共哪一極的放大器。

  共射(CE)放大器前面已經談過了,現在看一看共基(CB)放大器。這種放大器輸入阻抗低、而輸出阻抗高,只用在某些特殊場合。如果您記性不壞的話,羅哲先生在「我的音響系統中」一文的MC Head Amp就是採用CB型放大器;它的好處是頻寬很寬、放大率也很線性,但因輸出阻抗高,所以在匹配時務必小心。由於在音響上用得不多,所以就不多做介紹。

  共集(CC)放大器又稱作射極隨耦器(Emitter Follower),顧名思義,它有一種追隨的作用,事實上它的輸出電壓是跟住輸入的,現在我們來證明它。

  假設VB變動有5V的電壓,那麼VE=5-VBE,如果VB變動1V,而降至4V,那麼VE'=4-VBE,可知VE也變動1V。這是很明顯的,因為VB和VE只差了一個固定的VBE值,所以VB一旦上升VE也跟著上升,VB下降VE也跟著下降。這有什麼用呢?雖然電壓振幅沒有放大,但是電流放大了,如果電晶體的β=100,那麼只要輸入1mA,就能在RL上得到100mA的電流。所以若有一需要大電流才能驅動的負載,CC放大器便很理想,CC放大器在此的作用稱為:「阻抗匹配」(Impedance matching),學過變壓器的人都曉得這個道理。

  一部功率擴大機,甚至考究一點的前級,其最後一級的晶體,往往是CC放大器。而功率大的擴大機,往往連續接上2~3級的CC組態,道理也在此。表一列出了三種放大器的比較,作為您使用上的參考。

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  回到圖廿九,我們看看CE放大器輸入和輸出的相位關係。在輸出端VC=VCC-ICxRC,若此時輸入一負信號而使VB下降、Ib減小,如此一來IC必跟著減小,VC卻上升了,所以輸出和輸入是反相的關係,若考慮相位而寫出的式子就成了AV=-RL/RE

  再看CC放大器,由於輸出是跟住了輸入,所以輸入和輸出相同(前面已經說過了)。

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  圖卅三畫出了在低頻下電晶體在電路學上的等效網路,用這個網路可以代入電晶體作一些電路上的實際運算。例如我們將圖二十九改成等效網路成了圖卅四那樣,RC和R1被畫到地去了,這是因為理論上電壓源的內阻是零,信號不論走到地或電源端都被「沒收」掉而沒有了,就像接地了一樣,所以VCC和GND在信號分析時是看成同一點的。

  由圖三十四可以看出:Vi=Ibxhie+(hfe+1)IbxRE,Vo=-hfe.Ib.RC。Vo之所以取負值,是因為定符號時,輸出端為正、地端為負,現在電流既然由下往上流,自然相差一個符號;如此一來電壓增益:

  AV=Vo/Vi=-hfe.IbxRc/(Ib.hie)+(1+hfe)IbxRE)

    =-hfexRC/(hie+(1+hfe)RE)

    如果hfe>1,且(hfe+1)RE>hie,那麼hie就可不計,而AV=-hfexRC/hfexRE=-RC/RE。和前面導出的完全一樣;負號的介入代表考慮了相位。講到這裡,如果您都弄懂的話,相信一定能設計出簡單的放大器了,下一期我們將討論精彩的差動放大原理及負載線的觀念。

轉載音響技術第92期AUG. 1983 學習使用電晶體──電晶體的三種基本組態/李孟育

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