在電子電路設(shè)計(jì)中，偏置電阻的計(jì)算是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，它對(duì)于確保電路中元件的正常工作和性能穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。本文將詳細(xì)介紹偏置電阻的相關(guān)概念、計(jì)算方法以及實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題。

偏置電阻的基本概念

在運(yùn)算放大器電路中，當(dāng)輸入為 0V 時(shí)，輸出可能不為 0V，而是存在幾十 μV 到幾 mV 的直流偏置。為了消除這種直流偏置，通常會(huì)在運(yùn)放的電源端和輸入端加一個(gè)幾 M 的電阻，或者利用運(yùn)放本身的調(diào)零端 Voffset 接上一個(gè)電阻來(lái)抵消直流偏置，這個(gè)電阻就是偏置電阻。

放大電路與偏置電阻

放大電路的元件是三極管，我們以圖 1 所示的共射基本放大電路為例進(jìn)行分析。

在圖 1 中，C1 和 C2 是耦合電容，其作用是傳遞信號(hào)。由于電容兩端的電壓不能突變，當(dāng)在輸入端輸入交流信號(hào)時(shí)，輸出端的電壓會(huì)跟隨輸入端的交流信號(hào)變化，從而將信號(hào)從前級(jí)耦合到后級(jí)。需要注意的是，電容兩端的電壓并非不能變化，只是變化過(guò)程相對(duì)緩慢。

R1 和 R2 是三極管 V1 的直流偏置電阻。所謂直流偏置，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像人工作需要吃飯一樣，三極管要正常工作，必須提供一定的工作條件，而電子元件需要電能供應(yīng)，因此電源通常采用直流電源，這就是直流偏置的由來(lái)。電阻在這里的作用類(lèi)似于供水系統(tǒng)中的水龍頭，可以調(diào)節(jié)電流大小。三極管有三種工作狀態(tài)：截止、飽和和放大，這三種狀態(tài)由直流偏置決定，在圖 1 中，也就是由 R1 和 R2 來(lái)控制。

我們可以根據(jù) Uce 的大小來(lái)判別三極管的工作狀態(tài)。當(dāng) Uce 接近于電源電壓 VCC 時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)三極管基本不工作，Ic 電流很?。ń茷榱悖?，R2 上幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，電壓接近 0V，所以 Uce 接近 VCC。當(dāng) Uce 接近于 0V 時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，即 Ic 電流達(dá)到值，即使 Ib 增大，Ic 也不會(huì)再增大。除了這兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)外，三極管還有放大狀態(tài)，一般情況下，測(cè)量 Uce 接近于電源電壓的一半。如果 Uce 偏向 VCC，則三極管趨向于截止?fàn)顟B(tài)；如果 Uce 偏向 0V，則三極管趨向于飽和狀態(tài)。

偏置電阻的計(jì)算

在圖 1 中，假設(shè) Ic 為 2mA，VCC 為 12V，我們來(lái)計(jì)算偏置電阻的值。首先，根據(jù) Uce 設(shè)計(jì)為 1/2VCC（即 6V），可以計(jì)算出電阻 R2 的阻值為 6V / 2mA = 3KΩ。然后，由 Ib = Ic / β（β 一般理論取值 100）可得 Ib = 2mA / 100 = 20μA，進(jìn)而計(jì)算出 R1 = (VCC - 0.7V) / Ib = 11.3V / 20μA = 56.5KΩ。然而，實(shí)際上小功率管的 β 值通常在 150 到 400 之間，甚至更高。如果按照上述計(jì)算結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)電路，電路有可能處于飽和狀態(tài)。這就說(shuō)明理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用存在差異，這種電路受 β 值的影響較大，穩(wěn)定性較差，實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。

為了提高電路的穩(wěn)定性，我們可以采用圖 2 所示的分壓式偏置電路。

在圖 2 的分壓式偏置電路中，同樣假設(shè) Ic 為 2mA，Uce 設(shè)計(jì)為 1/2VCC 為 6V。根據(jù)公式 Ic×(R3 + R4) = 6V（Ic ≈ Ie），可以算出 R3 + R4 = 3KΩ。一般情況下，R4 取 100Ω，R3 取 2.9KΩ，但由于 E24 系列電阻中沒(méi)有 2.9KΩ，所以通常取 2.7KΩ，因?yàn)?2.7KΩ 與 2.9KΩ 的差異不大。由于 R2 兩端的電壓等于 Ube + UR4，即 0.7V + 100Ω×2mA = 0.9V，設(shè) Ic 為 2mA，β 理論取值 100，則 Ib = 2mA / 100 = 20μA。通常，流過(guò) R1 的電流取值為 Ib 的 10 倍左右，即 200μA。由此可以計(jì)算出 R1 = 11.1V / 200μA ≈ 56KΩ，R2 = 0.9V / (200μA - 20μA) = 5KΩ。考慮到實(shí)際的 β 值可能遠(yuǎn)大于 100，所以 R2 的實(shí)際取值為 4.7KΩ。這樣，R1、R2、R3、R4 的取值分別為 56KΩ、4.7KΩ、2.7KΩ、100Ω，Uce 為 6.4V。

陰極偏置電阻和反饋電阻的計(jì)算

對(duì)于輸入級(jí)陰極處施加了大環(huán)路負(fù)反饋的功放來(lái)說(shuō)，陰極偏置電阻和反饋電阻的計(jì)算較為復(fù)雜。在計(jì)算時(shí)，我們需要同時(shí)考慮以下 4 個(gè)主要因素：

1. 正確設(shè)置陰極偏置電壓。通常這是歐姆定律的簡(jiǎn)單應(yīng)用，但由于偏置電流會(huì)同時(shí)流過(guò)陰極電阻和反饋電阻，所以情況稍復(fù)雜一些。
2. 輸入管本身在陰極電阻上產(chǎn)生電流反饋，同時(shí)陰極電阻還有來(lái)自放大器輸出端的電流流過(guò)。
3. 設(shè)定好陰極電阻與反饋電阻的阻值比例，以獲得所需的負(fù)反饋量。
4. 對(duì)于交流信號(hào)（AC）來(lái)說(shuō)，陰極電阻是與輸入管的某一部分并聯(lián)的。