實驗三 簡易電晶體放大器
目的
瞭解不同放大器的特性。
相關知識
1. 共射極放大器 2. 共源極放大器 3. 射極與源極隨耦器 4. 推挽式放大器
一、雙載子接面電晶體（bipolar junction transistor，BJT）回顧
好久沒碰 BJT了，複習一下BJT的特性。一個npn 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：
二、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
R1和 R2將電晶體 Q1偏壓在順向活化區，基 極的靜態偏壓 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基級
隨耦器（emitter follower），類似的電路在上學期已經測量過。
假如輸出是由集極接出呢？這裡我們看一下∆VC多大。
∆I
C≈∆I
E=∆VE/RE =∆V/RE， 又 VC=VCC-ICRC，∆VC=-RC∆I
C，故∆V
C=∆V×(-RC/RE)。 （式 3-1）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°。
三、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？
問題出在推導式 3-1 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∆IC但無∆VBE。事實上，由 Ebers-Moll 模型可知
IC
=
I eS VBE/ 25mV（在 forward active 時），∆I
C/∆VBE=(1/25mV) I eS VBE/ 25mV=(1/25mV)IC， 我們再定義 re
≡∆V
BE/∆IC，那麼( )
r 25 I in mA
e C
= Ω
。 （式 3-2）
現在來處理 RE=0 的情形。由上電路圖可知∆VBE=∆VB=∆V，∆IC=∆VBE/re，∆VC=- RC
∆I
C=-RC∆V
BE/re=∆V(-RC/re)，放大率 AV=∆VC/∆V=-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)。
四、推挽式放大器（push-pull amplifier）
把一個 npn 和一個 pnp 電晶體串接如右圖，當 Vin>0.7V時，Q1 ON，Q2 OFF，Vout=Vin-0.7V；
當 Vin<-0.7V 時 ， Q1 OFF ， Q2 ON ， Vout=Vin+0.7V；當 |Vin|<0.7V， Q1和 Q2均 是 OFF，此時 Vout=0。在 Vin 很小時，兩個電晶 體都不導通，由此所造成的非線性失真稱為交 越失真（cross-over distortion）。
五、共源極放大器（Common-Source Amplifier）
交越 失真
共源極放大器的原理可參閱實驗一的補充教材，這 裡僅簡單介紹一下。電路如右圖，FET 的靜態偏壓 應設計在飽和（或恆流）區，其傳輸特性為
ID=IDSS=k(VGS-Vt)2/2。 （式 3-3）
互導 gm定義為∆ID/∆VGS，故
gm=k(VGS-Vt) （式 3-4）
為 VGS的函數。此放大器的放大率 AV=-gmRD，由 RD控制。
六、源極隨耦器（Source Follower）
源極隨耦器在實驗一中已經量測過，電路如右圖，
輸 出 訊 號 由 源 極 接 出 。
∆I
D=∆IS=gm∆V
GS=gm(∆VG-∆V
S)，又∆IS=∆VS/RS，兩式合併可得A V
V
g R g R R
R g
V
S G
m S m S S
S m
= =
+
= +
∆
∆
11/
（式 3-5）
預習問題
1. 計算程序 1 電路中 BJT 的靜態操作點，並利用 PSpice 模擬程序 1 之電路，Vin
分別用頻率為 10kHz 之三角波及正弦波輸入，看看輸出波形為何？
2. 請參考程序 2 的提示，設計出一套方法量測放大器的輸入輸出阻抗，並推導 出計算公式。
3. 何謂交越失真？推挽式放大器為何會有交越失真？
程序
＜1＞射極接地放大器（Grounded-Emitter Amplifier）
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。
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“PULL”此鈕，輸出會衰減 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 PULL-20dB），由 Vout和 Vin之振 幅比求得 AV，和你預測的值（-RC/re）一樣嗎？
＜2＞共射極放大器的輸入及輸出阻抗
程序 1 的電路若沒有 C2就是我們所稱的共射極放大器，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(a)為放大器的等效電路。圖(b)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 V Z Z R
out
V S in
in S
= +
）即可得出 Zin。圖(c)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 V R Z R
out
V S L
out L
= +
）即可得出 Zout。 timeVout Vcc
PULL
MIN MAX AMPL -20dB
＜3＞共源極放大器（Common-Source Amplifier）
1. 電路圖如右，RD=4.7kΩ。先將輸入接地（即 Vin=0），測量 FET 的靜態偏壓點，包括 VG、 VS和 VD，ID可由 VS/RS求得。
2. Vin用 1kHz 的正弦波輸入，振幅調得不使 Vout波形失真。記錄 Vin和 Vout的振幅及相位，
計算 AV。
注意！請一定要用探針的 x10 檔。
3. RD分別用 10kΩ和 15kΩ代替，重複步驟 1 和 2。
4. 利用和程序 2 相同的方法測量此放大器的輸入及輸出阻抗。
＜4＞推挽式放大器（Push-Pull Amplifier）
1. 電路如右圖，Vin用 1kHz，振幅為 3V 的弦 波輸入，DC offset 調為 0，觀察 Vout之波形，
請 注 意 所 謂 的 “ 交 越 失 真 ” （ cross-over distortion），記錄下來。
2. 改變 Vin之 DC offset（即直流成分），Vout
有何變化？當 DC offset 為 2V 及 4V 時，記錄 下來 Vout的波形。
問題與討論
1. (a)由你在預習問題 1 中，計算的 BJT 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. 在程序 2 中，你所測量輸入輸出阻抗的結果，請比較所有放大器的阻抗。
3. 由程序 3 的實驗結果求 FET 的 gm。 4. 解釋程序 4 中步驟 2 之 Vout波形。
