放大器电路中的自举效应

电器工程 晶体管 放大器 bjt 引导程序 偏向
2022-01-24 12:20:17

我试图理解这个“自举偏置”放大器电路。下图改编自 GJ Ritchie 的《晶体管技术》一书:

自举偏置电路原理图。

该电路是“分压器偏置”的变体,增加了“自举组件” \$R_3\$\$C\$作者解释说,使用\$R_3\$\$C\$是为了实现更高的输入电阻。作者对此解释如下:

添加自举组件(\$R_3\$\$C\$)并假设\$C\$在信号频率下具有可忽略的电抗,发射极电阻的 AC 值由下式给出:

\$R_E' = R_E || R_1 || R_2\$

在实践中,这代表了\$R_E\$的小幅减少。

现在,发射极电阻为 \$R_E'\$的射极跟随器的电压增益 \$A=\dfrac{R_E'}{r_e+R_E'}\$,非常接近于 1。因此,将输入信号\$v_{in}\$应用于基极,将出现在发射器(\$Av_{in}\$ )的信号应用于 \$R_3 \ $的下端因此,出现在 \$R_3\$上的信号电压为\$(1-A)v_{in}\$,远低于完整的输入信号,并且\$R_3\$现在似乎具有有效值(对于交流信号):\$R_3'=\dfrac{R_3}{1-A}\gg R_3\$

为了理解这一点,我制作了电路的交流模型。这是交流模型:

自举偏置电路的交流模型。

从交流模型,我可以验证作者声称发射极电阻是\$R_E || R_1 || R_2\$并且标记为 V 的节点中的电压略低于输入电压。我还可以看到\$R_3\$上的电压降(由\$V_{in} - V\$给出)将非常小,这意味着\$R_3\$将从输入中汲取非常少的电流。

但是,从该解释中我仍然不太了解两件事:

  1. 为什么我们可以在这里简单地应用发射极跟随器电压增益的公式\$A=\dfrac{R_E'}{r_e+R_E'}\$,而忽略 \$R_3\$ 的影响

  2. \$R_3\$对于交流信号似乎具有不同的“有效值”是什么意思?我不明白为什么\$R_3\$会改变价值。

请注意,为了进一步了解该电路的行为,我尝试通过两种方式找到其交流输入电阻来分析它。我已经发布了这两次尝试作为这个问题的答案,以供参考。

4个回答

你提出了一些很好的问题,我为此提高了你的水平。

为了解决 (1) 和 (2),让我避免使用小信号线性化模型,而是让您正视电路本身。我稍微重绘了原理图。不是那么多,因为我认为它会让事情比你自己的示意图更清楚。但是因为也许绘制它略有不同可能会引发不同的想法:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

现在,您可以很容易地看到 AC 信号直接放置在 \$Q_1\$ 的底部。因此,发射器将跟随该信号,在您非常熟悉的通常的发射器跟随器行为中,在发射器处提供增益略小于 1 的低阻抗、同相 AC 信号副本。这么多真的很容易看到。

现在,\$C_{BOOT}\$ 将该信号(假设您说对于感兴趣的 AC 信号而言该值也是低阻抗)从能够很好地驱动该电容器的发射极传输到基极分压器其中,由于 \$R_1\$ 和 \$R_2\$ 偏置对的戴维南阻抗相对较高,该节点现在也获得了 AC 信号的副本。(偏置对阻抗很高,因此有效的 \$C_{BOOT}\$ 和 \$R_{TH}\$ 分压器本身不会对信号衰减太多。)

因此,在 BJT 底部提供的 AC 信号被复制到 \$R_3\$ 的左侧,同相且沿途只有一些轻微的损失。但是 \$R_3\$ 的右侧是由原来的 AC 信号通过 \$C_1\$ 驱动的!因此,\$R_3\$ 的两侧都有相同的交流信号。

思考。如果出现在电阻器一侧的电压变化与出现在该电阻器另一侧的相同电压变化完全匹配,那么会发生多少电流变化?零,对吧?它根本没有效果。

这就是这个引导程序的魔力!

现在,实际情况是交流信号稍微减弱了一点,所以是的,\$R_3\$ 中存在一些实际的电流变化。但是 \$R_3\$ 做了一个独立的工作来隔离 \$Q_1\$ 基础,因为当前的变化远比其面值预期的要少得多。(实际上,它在 AC的基极和偏置对之间提供了一个接近“无限”的阻抗,同时允许偏置对(以及 \$R_3\$ 上的直流压降)为 \$R_3\$ 提供适当的直流偏置$Q_1\$。

这真是个好东西。如果没有这样的自举,我永远不会考虑使用这种电压放大器。(虽然我可能会在发射器处包括一个交流增益支路。)这么少的努力就太好了。

由于这种自举电路用于需要放大器具有高输入阻抗的地方(正如 LvW 指出的那样),因此通常在电压源也具有相对较高的源阻抗时使用。所以“Vin”往往伴随着等效的戴维南电阻的意义。
在这种情况下,您可以进行“低音提升”,其中通过电容器的正反馈共同修改低频端的频率响应,您预计自举效应会下降。您的“交流模型”没有考虑到这种影响,因为它消除了电容器。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图 在此处输入图像描述

1) R3 可以忽略,因为 - 由自举效应引起 - 它代表一个非常大的电阻器 R3',与其他三个并联电阻器并联。

2) 正确。R3 不会改变它的值 - 但是,从输入中可以看出 - 它看起来是动态放大的(仅适用于要应用的信号,不适用于 DC)。这可以在 R3´=R3/(1-A) 的表达式中看到,其中 A 非常接近“1”。

这里我们有正反馈(反馈因子 <1),它主要改变输入阻抗。整体增益变化不大。

我是 OP,下面是我自己分析这个电路的尝试(通过找到它的输入电阻)。

在我得到这个问题的书中,作者给出了输入电阻的两个表达式(\$r_{in}\$,或 AC 中的 \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}\$模型)这个自举偏置电路。两个表达式如下:

  1. \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )) \$

  2. \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi (R_3 + R_E')}{R_3+r_\pi}\$

表达式 2 是通过对电路的 AC 模型(我在问题中提出的)的彻底分析获得的。表达式 1 使用了更简化的假设,但它对电路的行为提供了更多的直觉(参见下面的解决方案 1)。

作为参考,下面是我尝试找到输入电阻的两个表达式。

解决方案 1

在这个解决方案中,我试图找到 \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2\平行R_1\平行R_E))\$。

由于电路作为射极跟随器的行为(如 jonk 的回答中所解释),节点 V 的电压约为 \$AV_{in}\$,其中 A 是射极跟随器的增益(因此 A 非常接近1)。

因此,通过 \$R_3\$ 分支的电流约为 \$\dfrac{v_{in} - Av_{in}}{R_3} = \dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3}\美元。由于 A 非常接近 1,\$\dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3}\$ 非常接近 0。

现在,让我们用 \$i_b\$ 表示 \$v_{in}\$(通过 \$r_\pi\$ 分支的电流)。由于通过 \$R_3\$ 的电流与通过 \$ R_2 \parallel R_1 \parallel R_E \$ 的电流相比非常小,因此我将忽略 \$R_3\$ 分支进行以下计算,并假设所有发射极电流 (\$(\beta+1)i_b\$) 通过 \$ R_2 \parallel R_1 \parallel R_E \$ 组合。因此,\$v_{in}\$ 可以计算为 \$r_\pi\$ 两端的电压(即 \$i_br_\pi\$)加上 \$ R_2 \parallel R_1 \parallel R_E \$ 两​​端的电压(即 \$(\beta+1)i_b( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )\$):

\$v_{in} = i_br_\pi + (\beta+1)i_b( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )\$

所以,通过\$r_\pi\$的电流可以表示为:

\$i_b = \dfrac{v_{in}}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}\$

现在,让我们计算 \$i_{in}\$。它可以计算为通过 \$R_3\$ 和 \$r_\pi\$ 的电流之和:

\$ i_{in} = \dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3} + \dfrac{v_{in}}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E)} \$

现在,让我们计算 \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}\$:

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{v_{in}}{\dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3} + \dfrac{v_{in} }{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}}\$

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{1}{\dfrac{(1-A)}{R_3} + \dfrac{1}{ r_\pi + (\beta+ 1)(R_2\平行R_1\平行R_E)}}\$

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{1}{\dfrac{1}{\dfrac{R_3}{1-A}} + \dfrac{1}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}}\$

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )) \$

在这个近似表达式中,我们可以清楚地确定其中一个平行分量,\$\dfrac{R_3}{1-A}\$,是作者提到的明显非常大的“有效阻力”。

解决方案 2

在这个解决方案中,我试图找到 \$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi ( R_3 + R_E')}{ R_3+r_\pi}\$。

在标记为 V 的节点上应用 KCL(从晶体管发射极进入该节点的电流为 \$(\beta+1)i_b\$):

\$(\beta+1)i_b = \dfrac{V}{R_1}+\dfrac{V}{R_2}+\dfrac{V}{R_E} + \dfrac{V-v_{in}}{R_3} \$

\$(\beta+1)i_b = V\left ( \dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_E} \right ) + \dfrac{V-v_ {in}}{R_3}\$

使 \$\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_E} = R_E'\$:

\$(\beta+1)i_b = \dfrac{V}{R_E'} + \dfrac{V-v_{in}}{R_3}\$

现在,用 \$v_{in}\$ 和 \$i_b\$ 表示 \$V\$:

\$V=v_{in}-i_br_\pi\$

使 \$V=v_{in}-i_br_\pi\$ 在节点方程中:

\$(\beta+1)i_b = \dfrac{v_{in}-i_br_\pi}{R_E'} + \dfrac{v_{in}-i_br_\pi-v_{in}}{R_3}\$

\$v_{in} = i_b\left [(\beta+1) R_E' + r_\pi + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \right ]\$

将此 \$v_{in}\$ 表达式重新代入公式 \$V=v_{in}-i_br_\pi\$:

\$V = v_{in} - i_br_\pi = i_b\left [(\beta+1) R_E' + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \right ]\$

现在,将 \$i_{in}\$ 表示为通过 \$r_\pi\$ 和 \$R_3\$ 的电流之和:

\$i_{in} = i_b+\dfrac{v_{in}-V}{R_3}\$

用 \$i_b\$ 代入 \$V\$ 和 \$v_{in}\$ 的表达式:

\$i_{in} = i_b+\dfrac{i_br_\pi}{R_3}=i_b\left ( \dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right )\$

\$i_{in} = i_b+\dfrac{i_br_\pi}{R_3}=i_b\left ( \dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right )\$

最后,计算输入电阻(\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}\$):

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{i_b\left [(\beta+1) R_E' + r_\pi + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \右]}{i_b\left (\dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right)}\$

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \left (\dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi R_3 + r_\pi R_E'}{R_3} \right ) \left (\dfrac{R_3}{R_3+r_\pi} \right )\$

\$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi (R_3 + R_E')}{R_3+r_\pi}\$