雙極電晶體基本應用電路
實驗目的
了解不同的雙極電晶體(bipolar junction transistor， BJT)放大電路之特性。
實驗儀器
電晶體 2N3904 一枚；電阻 數枚；電容數枚；示波器、訊號產生器及直流電源供應器。
預習問題
1. 做實驗程序<一> 電路的 PSPICE 模擬。
2. 做實驗程序<三> 電路的 PSPICE 模擬。
※記得用偏壓點分析以決定是否位於順向活性區。
相關知識
1. 雙極電晶體之放大電路；
2. 電晶體之飽和區與截止區；
一個 npn 雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)BJT 偏壓調在順向活 性區(forward active)時，VBE 差不多維持在 0.7V 左右，變化不大，而且這時的 IC是 IB 的 β倍。我們還要注意，VCE 必須大於 0.2V。BJT 在順向活性區的簡單電路模型總結如下圖：
圖 7.1 簡易小訊號模型如下：分為 VCCS 和 CCCS 模型
圖 7.2 一、共射極放大器(Common-Emitter Amplifier)
下面我們利用這個簡單的 BJT 模型瞭解右圖電路的操作：
1. 靜態偏壓分析
這是一個標準的 four-resister bias circuit，R1
和 R2 將電晶體 Q1 偏壓在順向活化區，基極的靜態 偏壓約為 VB=VCC[R2/(R1+R2)]，這裡假設 IB 很小，不 影響 VB 之偏壓值。射極的偏壓 VE 約為 VB-0.7V，射 極的靜態電流 IE=VE/RE，集極電流 IC=IE[β/(β +1)]≈IE(通常β>>1)。C1 為阻隔電容(blocking capacitor)，使 Q1 基極偏壓不受輸入電壓 Vin 的直 流部份影響。
2. 功能分析
假如在 Vin 輸入交流訊號ΔV，而 C1 對ΔV 可視為短路，因此ΔVB=ΔV，又射極的電壓會隨 VB 變化，ΔVE=ΔVB=ΔV，若輸出訊號由射極接出，則此電路為一射極隨耦器(emitter follower)，類似的電路在上個實驗已經測量過。
假如輸出是由集極接出呢？ 這裡我們看一下ΔVC 多大。ΔIC≈ΔIE=ΔVE/RE=ΔV/RE，又 VC=VCC-ICRC，ΔVC=-RCΔIC，故
ΔVC=ΔV×(-RC/RE)…eq.7.1
因此這個電路可視做一個放大器( 稱做共射極放大器， common-emitter amplifier)，放大 率 AV=-RC/RE，負號代表輸出訊號的相位和輸入差了 180°。
二、射極接地放大器(Grounded-Emitter Amplifier) 假如上面放大器電路中 RE=0，AV=-∞？不太可能吧？問 題出在推導 eq.7.1 時，我們假設電晶體在 forward active 時 VBE固定在 0.7V，不受 IC(或 IE)影響，即有ΔIC 但無ΔVBE。 事實上，由 Ebers-Moll 模型可知
I
C
IS
eV
BE/ V
(在 forward active 時)，I
CV
BEV
IS
eVBEV IC
我們再定義 re≣ΔVBE/ΔIC，那麼 r
I
C
A
Ω …eq.7.2現在來處理 RE=0 的情形。由上電路圖可知ΔVBE=ΔVB=ΔV，ΔIC=ΔVBE/re，ΔVC=-RCΔIC=-RCΔ VBE/re=ΔV(-RC/re)，放大率 AV=ΔVC/ΔV=-RC/re。注意 re 是 IC 的函數，這樣會使得 AV 和輸出 訊號大小有關，導致非線性失真(nonlinear distortion)。
假如把 re 的效應考慮進去，前面共射極放大器的放大率 AV=-RC/(RE+re)，RE 可使 re 所造成的 非線性失真減小，但同時|AV|也減小。同理射極隨耦器的 AV 不再是 1，而是 RE/(RE+re)。
三、共基極放大器（Common-Base Amplifier）
我們可以利用前面提到的 four-resistor bias circuit 設計共基極（CB）放大器的直 圖7.3
圖7.4
流偏壓，但在基極必須有一夠大的電容接地，確保在 AC 訊號的頻率範圍基極是接地的。放 大器的輸入是射極，輸出是集極。
假如不考慮輸入的負載效應，此類放大器的增益為
R
CR
，不反相。這種放大器的高頻頻率響應遠較共射極放大器好。
BJT 電晶體的射極輸入阻抗為r
I
C
A
Ω，相當的小。假如訊號源的輸出阻抗稍微大一點 的話，負載效應就相當嚴重，訊號會變成 re/(Rsource+re)倍。四、電晶體的飽和與截止
電晶體除了作為線性放大之用外，亦可作為開關使用。如圖 7.5 電路為沒有偏壓的電晶 體放大電路。我們將 Vi逐漸調大以繪出電晶體的轉移曲線(Vi-Vo)，則可得如圖 7.6 之曲線。
由圖上可看出，當 Vi<電晶體的切入電壓(VCUTIN)時 Ib=0，此時集極亦無電流，因此 VO=VCE=VCC， 此工作區稱為截止區，電晶體視為開路。
圖 7.5 圖 7.6
當 Vi>VCUTIN則 Ib逐漸加，IC亦比例增加，此工作區稱為作用區，電晶體作為放大器主要工作於 此區域。VO隨著 Vi增加而減少。當 Vi再增加則電晶體 IC不再因 Ib增加而變化，而 VO亦維持固 定在~0.2Ｖ左右，此時稱為電晶體進入了飽和區。
為了使電晶體進入飽和區，需要有足夠的基極電流，以圖 7.5 為例，飽和的集極電流為 I
C,SAT
VCC
VCE,SAT
R
C
因此，使電晶體飽和的最小基極電流為 I
B,SAT,MIN
IC,SAT
β
為了避免因電晶體老化而使β值降低，因此實際的基極電流會比I
B,SAT,MIN
來的大，以確 保在其它因素影響下，仍可使電晶體飽和，一般我們設計電路會使 IB比IB,SAT,MIN
大上 2-10 倍。另外由於電晶體的空乏區電荷效應，因此要電晶體能快速進入飽和區則需要有較大的基 極驅動電流。同樣的電晶體由飽和進入截止。由於電晶體空乏區的儲存電荷效應，因此限制 電晶體關閉時間，故電晶體高速開關動作，則需能快速將此積蓄的電荷移走。一般的電路通 常會在 RB再並聯一個電容解決上述的問題。V
CE
CUT
ACT SAT
V
CC
OFF
V
CE ,SAT
V
CUTIN
Vi
+V
CC
I
C
R
C
V
i
Vo IB
RB
- +
實驗步驟
<一> 射極接地放大器(Grounded-Emitter Amplifier)
1. 線路圖如圖 7.7，接好後先檢查電晶體 E、B、C 三極之直流靜態偏壓的電壓值，推算 出電晶體各接腳的直流電流，確定電晶體是在 forward active。
2. Vin 用一個頻率為 10kHz 之三角波輸入，振幅調到使 Vout 之波形剛好不被削截，這時的 輸出波形式不是有些像“穀倉頂＂或“拱窗＂，如下圖。請把你所得到的圖記錄下來。
圖 7.7 圖 7.8
※注意！Vin 的振幅可能會需要很小，假如你訊號產生器上的 AMPL 鈕轉到 MIN 還不夠小到讓 Vout 不產生削截的話，記得先將輸出衰減 20dB。
3. 現在將電路中的 C2(22μF)移去，將 Vin 之振幅增大(這時 AV小很多)，觀察 Vout 之波形，
失真是不是小很多？記錄 Vin 和 Vout 振幅，計算增益大小(注意相位)。
4. 將 C2 接回去，將 Vin 之振幅調到最小(記得衰減 20dB)，由 Vout 和 Vin 之振幅比求得 AV， 和你預測的值(-RC/re)一樣嗎？
<二>共射極放大器的輸入及輸出阻抗
1. 實驗程序<一> 的電路若沒有 C2，請你設計出一套方法測出此放大器的輸入(Zin)及輸出 阻抗(Zout)。
提示：
※圖 7.9，圖左為放大器的等效電路。圖中顯示在輸入端先串接一個大小適當的 RS，觀察 RS 所造成 Vout的衰減(V
A Z
VV
SR Z
S)即可得出 Zin。圖右顯示在輸出接一適當之電阻 RL(中 間必須串接一阻隔電容以免影響放大器之偏壓)，觀察 RL 所造成 Vout 的衰減(V
A
VV
SR
LZ R
L)即可得出 Zout。2. C2 加上去，測量在 10kHz 的輸入和輸出阻抗。
<三>共基極放大器(Common-Base Amplifier)
1. 這裡我們要測試一個單電源的共基極放大器，電路圖如圖 7.10 所示。電容找到接近的 值即可，注意極性。注意觀察一下，他偏壓的
方式就是典型的 four-resistor bias circuit。
檢查各極的直流偏壓，電晶體是不是在 forward active? IC是多大？
2. 為了避免輸入的負載效應，訊號在進入放大 器前，先加一個利用運算放大器 uA741 接成 的 buffer。訊號頻率用 100kHz，振幅調小到 輸出沒有明顯的失真(可以用三角波試試)。求 出放大率。
3. 利用程序<二>的方法，量出此放大器的輸入 和輸出阻抗。記得測輸入阻抗時，要利用 buffer。
<四>開關電路
1.測試電路如圖 7.5 所示，其中 VCC=5V,RB=47kΩ,RC=1kΩ。
2.令 Vi=0.5V 的直流電壓後測量 VO、之後 Vi每增加 0.5V 再量一次 VO直至 4.5V。畫出 Vi-VO
圖並標示出飽和區、作用區及截止區。
3. 將改為 Vi=2.5V,f=250Hz,DC offset=2.5V 的三角波，使用示波器分別使用雙訊號模式 及 X-Y 模式觀察 ViVo訊號及其轉移曲線。
4. 將 RB分別改為 4.7kΩ及 1kΩ，重複步驟 2(畫在同一張 Vi-VO圖)及步驟 3。
數據分析與思考問題
1. 在實驗<一>電路中：(a)計算 BJT 的靜態操作點，和你的實驗值比較。(b)解釋在步驟 2 所得之輸出波形。(c)為什麼將 C2 移去會使得失真減小？(d)計算有 C2 及沒有 C2 時之 AV，和實驗值比較。
2. 仔細說明你在實驗程序<二>測量輸入輸出阻抗的方法，還有結果。
3. 分析實驗程序<三> 的放大器，和你測量的結果是否一致？
圖7.10
