三极管不共地时如何确定偏置电压？

Question

在三极管放大电路设计中，当发射极不与信号源共地时，如何准确确定基极偏置电压成为一个关键问题。此时，传统的分压式偏置计算方法需进行相应调整，需考虑发射极电阻对偏置点的影响。常见的问题是：在发射极接有电阻且不接地的情况下，如何计算基极电阻分压网络的参数，以确保三极管工作在放大区？该问题涉及基极电流、发射极电压、以及温度稳定性等因素的综合分析，是模拟电子电路中较为典型的技术难点之一。

Answer 1

一、三极管偏置设计中的关键问题：发射极不接地时的基极偏置电压计算

在三极管放大电路设计中，偏置点的设置决定了电路是否能稳定工作在放大区。当发射极不与信号源共地时，传统的分压式偏置设计方法需要进行调整，否则可能导致工作点漂移、失真甚至截止或饱和。

1.1 基本概念回顾

• 三极管工作在放大区时，发射结正偏、集电结反偏。
• 基极偏置电压的设定直接影响基极电流 I_B，从而影响集电极电流 I_C。
• 发射极电阻 R_E 的存在会引入负反馈，提高温度稳定性。

1.2 发射极不接地时的影响

当发射极通过一个电阻 R_E 接地，但不与信号源直接共地（如在共射放大器中加入旁路电容或采用多级耦合），此时发射极电压 V_E ≠ 0，必须重新考虑基极分压网络的设计。

此时的基极电压 V_B 应满足：

VB = VBE + IE × RE

其中，I_E ≈ I_C，I_C = β × I_B，β为三极管的电流增益。

1.3 分压式偏置网络设计调整

传统分压式偏置中，R1（上拉电阻）和 R2（下拉电阻）构成基极偏置电压。当发射极电阻 R_E 存在且不接地时，应考虑以下因素：

• 基极电流 I_B 对分压网络的影响不能忽略。
• 分压网络中的电流应远大于 I_B（通常取为 10 × I_B），以减小对偏置电压的影响。
• 需重新计算 R1 和 R2 的阻值，使得 V_B 满足偏置要求。

1.4 典型计算步骤

1. 确定所需的工作点 I_CQ 和 V_CEQ。
2. 选择 R_C 和 R_E，满足电压增益和稳定性要求。
3. 计算 I_E ≈ I_CQ，并求出 V_E = I_E × R_E。
4. 确定 V_B = V_BE + V_E（通常 V_BE ≈ 0.7V）。
5. 设定分压网络电流 I_divider = 10 × I_B（I_B = I_CQ/β）。
6. 计算 R2 = V_B / I_divider。
7. 计算 R1 = (V_CC - V_B) / I_divider。

1.5 温度稳定性的考虑

由于三极管参数随温度变化，发射极电阻 R_E 的引入有助于提高温度稳定性。此外，可采用以下措施：

• 在 R_E 旁并联旁路电容 C_E，保留直流负反馈，削弱交流负反馈。
• 采用恒流源替代 R_E，提高稳定性。
• 引入温度补偿电路，如使用二极管或热敏电阻进行补偿。

1.6 实例分析

参数	值
VCC	12V
ICQ	2mA
β	100
RE	1kΩ
VBE	0.7V
IB	20μA
Idivider	200μA
VE	2V
VB	2.7V
R2	13.5kΩ
R1	46.5kΩ

1.7 电路稳定性与偏置设计流程图

graph TD
    A[确定工作点I_CQ, V_CEQ] --> B[选择R_C和R_E]
    B --> C[计算I_E ≈ I_CQ]
    C --> D[计算V_E = I_E × R_E]
    D --> E[确定V_B = V_BE + V_E]
    E --> F[设定I_divider = 10 × I_B]
    F --> G[计算R2 = V_B / I_divider]
    G --> H[计算R1 = (V_CC - V_B) / I_divider]
    H --> I[验证温度稳定性]
    I --> J[加入旁路电容或恒流源]