偏置详解

晶体三极管常用的共射放大电路。

三极管中，饱和状态：集电结和发射结都是正偏

截止状态：集电极和发射极都是反偏

放大状态：发射结正偏，集电结反偏

以常用的共射放大电路为例，当是PNP型晶体三极管时，主电流是Ic，偏置电流就是Ib。相对与主电路而言，为基极提供电流的电路就是所谓的偏置电路。偏置电路为发射极（e 极）与基极（b极）之间（即发射结）提供正向偏置电压；为基极（b极）与集电极（c极）之间（即集电结）提供反向偏置电压，偏置电路为晶体管基极（b极）提供的电流Ib称为偏置电流。

偏置电路往往有若干元件，其中有一重要电阻，往往要调整阻值，以便集电极电流Ic 在设计规范内，保证晶体管正常工作，这要调整的电阻就是偏置电阻Re阻值大小。

偏置电压是指晶体管放大电路中使晶体管处于放大状态时，基极-射极之间，集电极-基极之间应该设置的电压。

因此，设置晶体管基射结正偏，集基结反偏，使晶体管工作在放大状态的电路，简称为偏置电路。

使晶体管工作在放大状态的关键是其基极电压，因此，基极电压又称为偏置电压。又由于使晶体管工作在放大状态的电压设置是由其没有信号(指交流)时直流电源提供的。

因此，晶体管的直流偏置电压可以这么定义：晶体管未加信号(指交流)时，其基极与发射极之间所加的直流电压称为晶体管的直流偏置电压。

(差分)运放的偏置电压，偏置电流运放是集成在一个芯片上的晶体管放大器, 偏置电流bias current 就是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流. 这个电流保证放大器工作在线性范围, 为放大器提供直流工作点. 因为运算放大器要求尽可能宽的共模输入电压范围, 而且都是直接耦合的, 不可能在芯片上集成提供偏置电流的电流源. 所以都设计成基极开路的, 由外电路提供电流. 因为第一级偏置电流的数值都很小, uA 到nA 数量级, 所以一般运算电路的输入电阻和反馈电阻就可以提供这个电流了. 而运放的偏置电流值也限制了输入电阻和反馈电阻数值不可以过大, 使其在电阻上的压降与运算电压可比而影响了运算精度. 或者不能提供足够的偏置电流, 使放大器不能稳定的工作在线性范围. 如果设计要求一定要用大数值的反馈电阻和输入电阻, 可以考虑用J-FET 输入的运放. 因为J-FET 是电压控制器件, 其输入偏置电流参数是指输入PN 结的反向漏电流, 数值应在pA 数量级. 同样是电压控制的还有MOSFET 器件, 可以提供更小的输入漏电流.

另外一个有关的运放参数是输入失调电流offset current, 是指两个差分输入端偏置电流的误差, 在设计电路中也应考虑.

2偏置电路的工作原理

偏置电路原理图

稳定静态工作点原理：

由于流过发射极偏置电阻（Re）的电流IR远大于基极的电流Ib（Ie>>Ib），因此，可以认为基极电位Vb只取决于分压电阻Re（RC和RE串联分压）的阻值大小，即忽略Ib 对电Vb的影响，与三极管参数无关，不受温度影响。

静态工作点的稳定是由Vb和Re共同作用实现，稳定过程如下：

设温度升高→Ic↑→Ie↑→VRe↑→Vbe↓→Ib↓→Ic↓

其中：Ic↑→Ie↑是由并联电路电流方程Ie = Ib+Ic得出，Ie↑→Vbe↓是由串联电路电压方程Vbe= Vb－Ie×Re得出，（极基电位Vb为固定值），Ib↓→Ic↓是由晶体三极管电流放大原理Ic =β×Ib （β表示三极管的放大倍数）得出。

由上述分析不难得出，Re越大稳定性越好。但事物总是具有两面性，Re太大其功率损耗也大，同时Ve也会增加很多，使Vce减小导致三极管工作范围变窄，降低交流放大倍数。因此Re不宜取得太大。在小电流工作状态下，Re值为几百欧到几千欧；大电流工作时，Re为几欧到几十欧。

三极管放大电路中，不加偏置电路的话，信号只有一个半周在基极中产生电流，而且这个半周的一部分会小于三极管的阀值电压，因此三极管只能放大这个信号的不足一个半周。要想

放大整个信号周期，需要增加偏置电路。

基本的偏置电路由上偏置电阻和下偏置电阻组成。在共发射极电路中，上偏置电路接在三极管基极与直流电源之间，下偏置电阻接在基极与地之间，上偏置电阻的作用是提高三极管的工作点，下偏置电阻的作用是使三极管的工作点更加稳定。下偏置电阻两端有并联小电容的情况，但这个电容与偏置无关，起滤除杂波的作用，是旁路电容。

三极管的偏置有三种形式，加有上偏置电阻的叫正偏，不加偏置电路的称为零偏，不加偏置电路并且加上发射极电阻的，称为反偏。音频信号放大需要正偏以降低失真度，高频信号放大常采用零偏或反偏以提高工作效率。

射极偏置电路

下面介绍集中常用的偏置电路。

如图所示的电路是广泛采用的一种电流负反馈式偏置电路。下面来分析一下该电路。

(1)电路组成

Rb1、Rb2和Re组成放大电路的偏置电路，其中Rb1为上偏置电阻，提供基极偏流IBQ，Rb2为下偏置电阻，对流经Rb1的电流起分流作用，Re为发射极电阻，起电流负反馈作用，Ce为发射极交流旁路电容。

2)稳定静态工作点原理

当温度上升时，由于三极管参数(ICBO、β)的影响，使ICQ增大，发射极电位VEQ=IEQRe亦随之增大，又因为极基电位VBQ为固定值，必然导致加到发射结的正偏电压VBEQ减小，IBQ随之减小，促使ICQ

减小。这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种自动调节过程为直流电流负反馈。Re越大，直流负反馈的作用就越强，ICQ温度稳定性也就越好。

集电极-基极偏置电路

下图为集电极-基极偏置电路，它是利用电压负反馈作用来稳定静态工作点的，称为电压负反馈偏置电路。

稳定静态工作点原理

当温度上升时，由于三极管参数的影响，使ICQ增大，集电极负载电阻Rc上的电压降随之增大，导致VCEQ减小，IBQ减小，促使ICQ减小，这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种调节过程称为直流电压负反馈。集电极-基极偏置电路不适合Rc值很小的放大电路。

温度补偿偏置电路

温度补偿偏置电路是利用热敏元件(如热敏电阻、半导体二极管等)的温度特性来补偿放大器件的温度特性，以减小放大电路静态工作点的温度漂移，达到稳定静态工作点的目的。包括热敏电阻补偿电路和二极管补偿电路等。这里就简单介绍一下热敏电阻补偿电路。