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法律電晶體放大器 - 工作原理及應用
電晶體作為放大器
電晶體可以增強弱訊號的強度，因此它可以用作電路中的放大器。弱訊號施加在發射極-基極結之間，輸出則取自連線在集電極電路中的負載兩端。
為了獲得所需的放大效果，發射極-基極結必須保持正向偏置。為此，除了訊號之外，還在輸入電路中施加直流電壓 VBB。此直流電壓稱為偏置電壓，其幅度足以使發射極-基極結始終保持正向偏置，而與訊號的極性無關。
由於輸入電路具有低電阻（因為正向偏置），因此訊號電壓的微小變化會導致發射極電流發生巨大變化。由於電晶體的作用，集電極電流也會發生相同的變化。由於流過高負載電阻 RC 的集電極電流在其兩端產生較大的電壓降。這樣，施加到輸入電路的弱訊號在輸出電路中被放大，因此電晶體充當放大器。
電晶體放大器電路圖
電晶體放大器的工作原理
在輸入訊號的正半週期間，發射極-基極結上的正向偏置增加。因此，來自 N 型發射極的更多電子流過基極到達集電極。這增加了集電極電流。集電極電流的增加導致集電極負載電阻 (RC) 上產生較高的電壓降。
在輸入訊號的負半週期間，發射極-基極結上的正向偏置減小。因此，集電極電流減小。這導致輸出電壓在相反方向上降低。因此，在負載兩端獲得放大的輸出。
電晶體放大器的實際電路
電晶體放大器中各種電路元件的描述和功能 -
偏置和穩定電路 - 電阻 R1、R2 和 RE 構成放大器的偏置和穩定電路。偏置電路的功能是建立適當的工作點，否則輸入訊號負半周的一部分可能會在輸出端被切除。
輸入電容 (Cin) - 使用電解電容將訊號源耦合到電晶體基極。此電容僅允許交流訊號透過，並將訊號源與電阻 R2 隔離。如果不使用此電容，則訊號源電阻將與 R2 並聯，從而改變偏置。
發射極旁路電容 (CE) - 此電容與 RE 並聯使用，為放大的輸出交流訊號提供低阻抗路徑。如果不使用此電容，放大的交流訊號將流過 RE，並在其兩端產生電壓降，從而降低輸出電壓。
耦合電容 (Cc) - 耦合電容將一個放大級耦合到下一級。如果不使用此電容，則 RC 將與下一級的電阻 R1 並聯，並改變下一級的偏置網路。因此，耦合電容 Cc 將一個級的直流與下一級隔離，並且僅允許交流訊號透過。
電晶體放大器的效能
輸入電阻 - 輸入電阻定義為基極-發射極電壓變化 (ΔVBE) 與在集電極-發射極電壓恆定的情況下對應的基極電流變化 (ΔIB) 之比。
由於輸入電路始終處於正向偏置狀態，因此輸入電阻的值非常小。
$$\mathrm{輸入電阻(R_{i})=\frac{ΔV_{BE}}{ΔI_{B}}}$$
輸出電阻 - 放大器的輸出電阻定義為在基極電流恆定的情況下，集電極-發射極電壓變化 (ΔVGE) 與對應的集電極電流變化 (ΔIG) 之比。
電晶體放大器的輸出電阻非常大，因為集電極-基極結處於反向偏置狀態。
$$\mathrm{輸出電阻\:(R_{0})=\frac{ΔV_{GE}}{ΔI_{G}}}$$
有效集電極負載 - 有效集電極負載是交流集電極電流看到的總負載。
$$\mathrm{有效集電極負載 (R_{eff.load})=R_{G}\:||\:R_{0}=\frac{R_{G}×R_{0}}{R_{G}+R_{0}}=\frac{R_{G}×R_{0}}{R_{0}}=R_{G}}$$
$$\mathrm{∵\:R_{G}\:<<<\:R_{0}}$$
電流增益 - 電流增益定義為集電極電流變化 (ΔIG) 與基極電流變化 (ΔIB) 之比。
β 的值在 20 到 500 之間變化。
$$\mathrm{電流增益\:(β)=\frac{ΔI_{G}}{ΔI_{B}}}$$
電壓增益 - 它定義為輸出電壓變化 (ΔVGE) 與輸入電壓變化 (ΔVBE) 之比。
$$\mathrm{電壓增益\:(A_{
u})=\frac{ΔV_{GE}}{ΔV_{BE}}=\frac{ΔI_{G}×R_{eff.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}}$$
功率增益 - 它定義為輸出訊號功率與輸入訊號功率之比。
$$\mathrm{功率增益(A_{p})=\frac{(ΔI_{G})^2×R_{eff.load}}{(ΔI_{B})^2×R_{i}}=\frac{ΔI_{G}}{ΔI_{B}}×\frac{ΔI_{G}×R_{eff.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}}$$
$$\mathrm{A_{p}=電流增益 ×電壓增益}$$
數值示例
對於一個電晶體放大器，發射極電流 IE=9 mA，基極輸入電流 IB=250 μA，Rc=4.5 kΩ，RE=2.5 kΩ。確定 (i) 電流增益 (ii) 電壓增益 (iii) 功率增益。
解答
- 集電極電流
$$\mathrm{I_{C}=I_{E}-I_{B}=9 mA−250 μA=8.75 mA}$$
$$\mathrm{電流增益(β)=\frac{I_{C}}{I_{B}}=\frac{8.75 mA}{250 μA}=35}$$
- 電壓增益
$$\mathrm{A_{
u}=\frac{ΔI_{C}×R_{off.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}=\frac{R_{C}}{R_{E}}=\frac{4.5 kΩ}{2.5 kΩ}=1.8}$$
- 功率增益
$$\mathrm{A_{p}=A_{i}×A_{
u}=35×1.8=63}$$
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