电子技术——BJT放大器的DC偏置

之前我们学习过MOSFET放大器的DC偏置，同样的BJT放大器也需要DC偏置。DC偏置决定了BJT放大器性能和稳定性。

在MOSFET章节我们就已经学习过，对于BJT也同理，通过固定 VBEV_{BE}VBE​ 来固定 IEI_EIE​ 或者通过固定 IBI_BIB​ 来固定 IEI_EIE​ 通常并不是什么好注意，更何况BJT的有限 β\betaβ 的影响。

经典分立电路偏置方案

下图几乎是所有分立电路使用的分压偏置方案。在基极端使用 R1R_1R1​ 和 R2R_2R2​ 两个分压电阻获得想要的基极电压，并且在发射极引入 RER_ERE​ 电阻。

下图展示了等效的戴维南电路：

在这里：

VBB=VCCR2R1+R2V_{BB} = V_{CC} \frac{R_2}{R_1 + R_2} VBB​=VCC​R1​+R2​R2​​

RB=R1∣∣R2R_B = R_1 || R_2 RB​=R1​∣∣R2​

在图中的基尔霍夫环 LLL 中，我们可以得到发射极电流：

IE=VBB−VBERE+RB/(β+1)I_E = \frac{V_{BB}-V_{BE}}{R_E + R_B / (\beta + 1)} IE​=RE​+RB​/(β+1)VBB​−VBE​​

为了让 IEI_EIE​ 减小对温度和 β\betaβ 的依赖性，一个良好的分压设计必须满足：

VBB≫VBE,RE≫RBβ+1V_{BB} \gg V_{BE}, R_E \gg \frac{R_B}{\beta + 1} VBB​≫VBE​,RE​≫β+1RB​​

我们首先来看第一个条件， VBB≫VBEV_{BB} \gg V_{BE}VBB​≫VBE​ 这沼化了对 VBE≃0.7VV_{BE} \simeq 0.7VVBE​≃0.7V 的影响，但是在给定的 VCCV_{CC}VCC​ 下如果将 VBBV_{BB}VBB​ 设计的太高，电压增益和较高的最大允许信号幅值就无法得到保证。因此，设计师做出的权衡一般为，让 VBBV_{BB}VBB​ 是 13VCC\frac{1}{3} V_{CC}31​VCC​ ，让 VCBV_{CB}VCB​ （或 VCEV_{CE}VCE​）是 13VCC\frac{1}{3} V_{CC}31​VCC​ ，让 ICRCI_CR_CIC​RC​ 是 13VCC\frac{1}{3} V_{CC}31​VCC​ 。

第二个条件， RE≫RBβ+1R_E \gg \frac{R_B}{\beta + 1}RE​≫β+1RB​​ 则是沼化了对 β\betaβ 的影响，这可以通过降低 RBR_BRB​ 的阻值做到，但是这会增大分压支路上的电流，增大功率的消耗。而且还会降低放大器的输入阻抗，这也是同样需要设计师做出权衡的。另外，因为基极电流的原因，分压值会受到 β\betaβ 的影响，若想降低 β\betaβ 的影响，可以使得分压支路上的电流保持一个理想的值，一般为 IEI_EIE​ 或 0.1IE0.1I_E0.1IE​ 左右。

而且，这个设计的 RER_ERE​ 电阻引入了负反馈调节，假设 IEI_EIE​ 增大，那么 VEV_EVE​ 就会增大，这会减小 VBEV_{BE}VBE​ 的值，最终降低 IEI_EIE​ 的值。

经典双电源分立电路偏置方案

如果条件允许，可以使用双电源的话，使用下面更简单的双电源分立电路偏置方案：

此时发射极电流为：

IE=VEE−VBERE+RB/(β+1)I_E = \frac{V_{EE}-V_{BE}}{R_E + R_B / (\beta + 1)} IE​=RE​+RB​/(β+1)VEE​−VBE​​

沼化条件和单电源相同。需要注意的一点是若基极同样的AC地（例如CB放大器），那么 RBR_BRB​ 电阻可以省略，否则在基极耦合的情况下 RBR_BRB​ 是必须的。

使用集电极-基极反馈电阻偏置

下图展示了一种适用于CE放大器简单有效的偏置方法：

我们在集电极和基极之间引入了负反馈电阻 RBR_BRB​ 。通过对电路的分析：

VCC=IERC+IBRB+VBE=IERC+IEβ+1RB+VBEV_{CC} = I_ER_C+I_BR_B + V_{BE} = I_ER_C + \frac{I_E}{\beta + 1}R_B + V_{BE} VCC​=IE​RC​+IB​RB​+VBE​=IE​RC​+β+1IE​​RB​+VBE​

则发射极电流为：

IE=VCC−VBERC+RB/(β+1)I_E = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_C + R_B / (\beta + 1)} IE​=RC​+RB​/(β+1)VCC​−VBE​​

沼化条件和分压偏置相同，但是 VCBV_{CB}VCB​ 收到 RBR_BRB​ 的限制：

VCB=IBRB=IERBβ+1V_{CB} = I_BR_B = I_E \frac{R_B}{\beta+1} VCB​=IB​RB​=IE​β+1RB​​

使用恒流源偏置

几乎最稳定也是最广泛的偏置方案就是恒流源，如下图：

此时发射极电流 IE=II_E = IIE​=I 。电阻 RBR_BRB​ 建立了DC地。

和MOSFET相同，BJT也有电流镜：

具体的电流镜设计将在下一章学习。