三極管放大電路設(shè)計(jì)有哪些技巧?

2020-9-15 10:17:00
  • 放大電路的核心元件是三極管,所以要對(duì)三極管要有一定的了解。用三極管構(gòu)成的放大電路的種類較多,我們用常用的幾種來解說一下(如圖 1)。圖 1 是一共射的基本放大電路,一般我們對(duì)放大電路要掌握些什么內(nèi)容?

放大電路的核心元件是三極管,所以要對(duì)三極管要有一定的了解。用三極管構(gòu)成的放大電路的種類較多,我們用常用的幾種來解說一下(如圖 1)。圖 1 是一共射的基本放大電路,一般我們對(duì)放大電路要掌握些什么內(nèi)容?

(1)分析電路中各元件的作用;


(2)解放大電路的放大原理;


(3)能分析計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn);


(4)理解靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置目的和方法。

以上四項(xiàng)中,最后一項(xiàng)較為重要。

共射的基本放大電路實(shí)例解析


圖 1 中,C1、C2 為耦合電容,耦合就是起信號(hào)的傳遞作用,電容器能將信號(hào)信號(hào)從前級(jí)耦合到后級(jí),是因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?。在輸入端輸入交流信?hào)后,因兩端的電壓不能突變,輸出端的電壓會(huì)跟隨輸入端輸入的交流信號(hào)一起變化,從而將信號(hào)從輸入端耦合到輸出端。但有一點(diǎn)要說明的是,電容兩端的電壓不能突變,但不是不能變。

R1、R2 為三極管 V1 的直流偏置電阻。什么叫直流偏置?簡(jiǎn)單來說,做工要吃飯。要求三極管工作,必先要提供一定的工作條件,電子元件一定是要求有電能供應(yīng)的了,否則就不叫電路了。

在電路的工作要求中,第一條件是要求要穩(wěn)定。所以,電源一定要是直流電源,所以叫直流偏置。為什么是通過電阻來供電?電阻就像是供水系統(tǒng)中的水龍頭,用調(diào)節(jié)電流大小的。所以,三極管的三種工作 狀態(tài):“載止、飽和、放大”就由直流偏置決定。在圖 1 中,也就是由 R1、R2 來決定了。

首先,我們要知道如何判別三極管的三種工作狀態(tài)。簡(jiǎn)單來說,判別工作于何種工作狀態(tài)可以根據(jù) Uce 的大小來判別,Uce 接近于電源電壓 VCC。則三極管就工作于載止?fàn)顟B(tài),載止?fàn)顟B(tài)就是說三極管基本上不工作,Ic 電流較小(大約為零),所以 R2 由于沒有電流流過,電壓接近 0V,所以 Uce 就接近于電源電壓 VCC。

若 Uce 接近于 0V,則三極管工作于飽和狀態(tài),何謂飽和狀態(tài)?就是說:Ic 電流達(dá)到了最大值,就算 Ib 增大,它也不能再增大了。

以上兩種狀態(tài)我們一般稱為開關(guān)狀態(tài)。除這兩種外,第三種狀態(tài)就是放大狀態(tài),一般測(cè) Uce 接近于電源電壓的一半。若測(cè) Uce 偏向 VCC,則三極管趨向于載止?fàn)顟B(tài),若測(cè) Uce 偏向 0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。

理解靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置目的和方法

放大電路:就是將輸入信號(hào)放大后輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個(gè)不在這討論內(nèi))。先說我們要放大的信號(hào),以正弦交流信號(hào)為例說。在分析過程中,可以只考慮到信號(hào)大小變化是有正有負(fù),其它不說。上面提到在圖 1 放大電路電路中,靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置為 Uce 接近于電源電壓的一半,為什么?

這是為了使信號(hào)正負(fù)能有對(duì)稱的變化空間,在沒有信號(hào)輸入的時(shí)候,即信號(hào)輸入為 0。假設(shè) Uce 為電源電壓的一半,我們當(dāng)它為一水平線,作為一個(gè)參考點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),則 Ib 增大,Ic 電流增大,則電阻 R2 的電壓 U2=Ic×R2 會(huì)隨之增大,Uce=VCC-U2 會(huì)變小。U2 最大理論上能達(dá)到等于 VCC,則 Uce 最小會(huì)達(dá)到 0V。這是說,在輸入信增加時(shí),Uce 最大變化是從 1/2 的 VCC 變化到 0V。

同理,當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí),則 Ib 減小,Ic 電流減小。則電阻 R2 的電壓 U2=Ic×R2 會(huì)隨之減小,Uce=VCC-U2,會(huì)變大。在輸入信減小時(shí),Uce 最大變化是從 1/2 的 VCC 變化到 VCC。這樣,在輸入信號(hào)一定范圍內(nèi)發(fā)生正負(fù)變化時(shí),Uce 以 1/2VCC 為準(zhǔn)的話就有一個(gè)對(duì)稱的正負(fù)變化范圍,所以一般圖 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置為 Uce 接近于電源電壓的一半。

要把 Uce 設(shè)計(jì)成接近于電源電壓的一半,這是我們的目的,但如何才能把 Uce 設(shè)計(jì)成接近于電源電壓的一半?這就是看我們的手段了。

這里要先知道幾個(gè)東西,第一個(gè)是我們常說的 Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個(gè)關(guān)系是 Ic=β×Ib。但我們初學(xué)的時(shí)候,老師很明顯的沒有告訴我們,Ic、Ib 是多大才合適?這個(gè)問題比較難答,因?yàn)闋可娴臇|西比較的多。但一般來說,對(duì)于小功率管,一般設(shè) Ic 在零點(diǎn)幾毫安到幾毫安中功率管則在幾毫安到幾十毫安,大功率管則在幾十毫安到幾安。

在圖 1 中,設(shè) Ic 為 2mA,則電阻 R2 的阻值就可以由 R=U/I 來計(jì)算。VCC 為 12V,則 1/2VCC 為 6V,R2 的阻值為 6V/2mA,為 3KΩ。Ic 設(shè)定為 2 毫安,則 Ib 可由 Ib=Ic/β推出,關(guān)健是β的取值了。β一般理論取值 100,則 Ib=2mA/100=20#A,則 R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20#A=56.5KΩ。但實(shí)際上,小功率管的β值遠(yuǎn)不止 100,在 150 到 400 之間,或者更高。所以若按上面計(jì)算來做,電路是有可能處于飽和狀態(tài)的。

所以有時(shí)我們不明白,計(jì)算沒錯(cuò),但實(shí)際不能用。這是因?yàn)檫€少了一點(diǎn)實(shí)際的指導(dǎo),指出理論與實(shí)際的差別。這種電路受β值的影響大,每個(gè)人計(jì)算一樣時(shí),但做出來的結(jié)果不一定相同。也就是說,這種電路的穩(wěn)定性差,實(shí)際應(yīng)用較少。但如果改為圖 2 的分壓式偏置電路,電路的分析計(jì)算和實(shí)際電路測(cè)量較為接近。

在圖 2 的分壓式偏置電路中,同樣的我們假設(shè) Ic 為 2mA,Uce 設(shè)計(jì)成 1/2VCC 為 6V。則 R1、R2、R3、R4 該如何取值呢。計(jì)算公式如下:因?yàn)?Uce 設(shè)計(jì)成 1/2VCC 為 6V,則 Ic×(R3+R4)=6V;Ic≈Ie??梢运愠?R3+R4=3KΩ,這樣,R3、R4 各是多少?

一般 R4 取 100Ω,R3 為 2.9KΩ,實(shí)際上 R3 我們一般直取 2.7KΩ,因?yàn)?E24 系列電阻中沒有 2.9KΩ,取值 2.7KΩ與 2.9KΩ沒什么大的區(qū)別。因?yàn)?R2 兩端的電壓等于 Ube+UR4,即 0.7V+100Ω×2mA=0.9V。


我們?cè)O(shè) Ic 為 2mA,β一般理論取值 100,則 Ib=2mA/100=20#A,這里有一個(gè)電流要估算的,就是流過 R1 的電流了,一般取值為 Ib 的 10 倍左右,取 IR1200#A。


則 R1=11.1V/200#A≈56KΩR2=0.9V(/200-20)#A=5KΩ


考慮到實(shí)際上的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。

在上面的分析計(jì)算中,多次提出假設(shè)什么的,這在實(shí)際應(yīng)用中是必要的,很多時(shí)候需要一個(gè)參考值來給我們計(jì)算。但往往卻沒有,這里面一是我們對(duì)各種器件不熟悉,二是忘記了一件事,我們自己才是用電路的人,一些數(shù)據(jù)可以自己設(shè)定,這樣可以少走彎路。