單管三極管放大電路設(shè)計(jì)(一)

上一篇文章講了三極管的基礎(chǔ)知識(shí)，這篇講解真正具有實(shí)用意義的單管三極管放大電路完整版，所以本文較長(zhǎng)，請(qǐng)耐心看完。

三極管放大電路的應(yīng)用很廣泛，舉一個(gè)生活中最常見(jiàn)，而且好多人都在使用的東西—功放機(jī)。它就是把微小的帶有聲音性質(zhì)的電信號(hào)進(jìn)一步放大，最后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。與之類似的還有擴(kuò)音器，說(shuō)通俗點(diǎn)就是那種在小攤喊通通只要九塊九的那種喇叭。

一.放大的概念

放大電路放大的本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換和控制，電子電路放大的基本特征是功率放大，這就是“功放”這個(gè)名詞的由來(lái)。放大的前提是不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義。

二.放大電路的性能指標(biāo)

1.放大倍數(shù)

放大倍數(shù)是直接衡量放大電路能力的指標(biāo)。如一個(gè)放大電路倍數(shù)是10倍，它就可以把0.1V的信號(hào)放大為1V，前提是供電電壓超過(guò)1V。

電壓放大倍數(shù)：

輸出電壓U0與輸入電壓Ui比值。

電流放大倍數(shù)：

輸出電流與輸入電流比值。

2.輸入電阻：

放大電路要想工作肯定得有電信號(hào)的輸入，電信號(hào)雖然微小，但也肯定有一定的電壓跟電流，只不過(guò)很小罷了。當(dāng)輸入信號(hào)接入放大電路，放大電路就成為了電信號(hào)的負(fù)載。這很好理解，信號(hào)源就理解為一個(gè)電池，放大電路就理解為一個(gè)燈泡負(fù)載。既然放大電路作為負(fù)載，那么就必然會(huì)從電信號(hào)中獲取電流，電流的大小表明放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度。這個(gè)輸入電阻Ri是電信號(hào)輸入電壓有效值Ui與輸入電流有效值Ii之比，Ri＝Ui／Ii。

3.輸出電阻：

有了輸入電阻的解釋，輸出電阻就顯得更加好理解了。任何放大電路的輸出都可以看成是一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源。這也很好理解，換個(gè)角度，這里把放大電路看成一節(jié)電池，現(xiàn)實(shí)生活中的電池都是具有內(nèi)阻的，現(xiàn)在科技還做不出沒(méi)有內(nèi)阻的電池，電池內(nèi)阻大小一般為毫歐級(jí)別，因?yàn)楹苄?，所以在電路?jì)算中可以忽略。但是放大電路的內(nèi)阻就是輸出電阻忽不忽略就得看情況了而定了。輸出電阻我們稱為R0，空載輸出電壓的有效值稱為U1，帶負(fù)載后輸出電壓的有效值為U0，負(fù)載電阻為RL，他們的關(guān)系為：

U0＝RL/（R0+RL）×U1

上述公式變換一下

R0＝（U1/U0-1）×RL

從公式可以看出R0越小，負(fù)載電阻RL在變化時(shí)，U0的變化越小，放大電路帶動(dòng)負(fù)載的能力就越強(qiáng)。當(dāng)然在一些電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸出電阻并不是越小越好，這得需要根據(jù)情況具體來(lái)設(shè)定。

三.基本共射放大電路的工作原理

圖1

借用上一篇文章的圖片。

當(dāng)Ui＝0時(shí)，此時(shí)放大電路工作在靜態(tài)狀態(tài)。在輸入回路中，基極電源VBB使三極管b,e之間大于開(kāi)啟電壓，并且與基極電阻共同決定流入基極的電流。在輸出回路中，集電極電源VCC應(yīng)該足夠高，使三極管集電極處于反偏狀態(tài)，VCC要足夠高還有一個(gè)原因，假設(shè)輸入信號(hào)為0.5V，電路要放大20倍，那么放大后的電壓就為10V，所以集電極的供電電壓必須為10V以上，不然電路就會(huì)發(fā)生失真。集電極電流IC＝ β×IB，集電極電阻RC上的電流就等于IC，因而其電壓為IC×RC，從而確定了集電極到發(fā)射極的電壓也就是C到E之間的電壓為UCE＝VCC-IC×RC。圖片當(dāng)中可以看到有兩個(gè)電源標(biāo)志性字母代表，VBB和VCC，是不是說(shuō)就得需要兩個(gè)電源來(lái)工作？其實(shí)不需要，在實(shí)際電路中只需要用電阻進(jìn)行分壓就可以，具體文章下面會(huì)講到。

好了，接下來(lái)重點(diǎn)來(lái)了，三極管放大電路的工作過(guò)程。當(dāng)有不斷變化的Ui輸入時(shí)，在輸入回路中，必然會(huì)在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的基極電流Ib。同時(shí)在輸出回路就得到動(dòng)態(tài)電流Ic，相對(duì)應(yīng)的會(huì)在集電極電阻產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電壓，根據(jù)公式UCE＝VCC-IC×RC可以看出，只要Ic變化，三極管C跟E之間電壓就變化，稱為管壓降UCE，管壓降的變化量就是輸出動(dòng)態(tài)電壓U0，從而實(shí)現(xiàn)了電壓放大。

四.放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定的必要性

上面提到過(guò)放大電路在沒(méi)有信號(hào)輸入的時(shí)候工作在靜態(tài)。那么在靜態(tài)的時(shí)候，三極管是需要一定的工作電流的。換一個(gè)思路講，也就是說(shuō)三極管即使沒(méi)有在工作，，需要一定的能量維持在放大狀態(tài)。一旦有信號(hào)輸入就立馬進(jìn)行信號(hào)的放大輸出。定義幾個(gè)物理量來(lái)說(shuō)明一下該怎樣計(jì)算電路靜態(tài)工作點(diǎn)?；鶚O電流Ibq,集電極電流Icq,c到e壓降Uceq也就是管壓降，b到e間電壓Ubeq,以上字母代表三極管靜態(tài)工作點(diǎn)。其中Ubeq前面說(shuō)過(guò)約等于0.5V到0.7V，是一個(gè)已知量，真正計(jì)算的時(shí)候可以取等于0.6V。所以三極管靜態(tài)工作點(diǎn)根據(jù)圖一所示電路?？梢杂梢韵路匠踢M(jìn)行計(jì)算：（q的意思是代表這個(gè)物理量就是靜態(tài)工作點(diǎn)）

Ibq=（VBB-Ubeq）/Rb

Icq＝β×Ibq

Uceq＝ VCC-Icq×Rc

四.放大電路組成的原則

1.必須根據(jù)所用放大管的類型提供直流電源，以便設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

2.電阻取值得當(dāng)與電源配合，促使放大管有合適的靜態(tài)工作電流。

3.輸入信號(hào)必須能夠作用于放大管的輸入回路。對(duì)于晶體管輸入信號(hào)必須能夠改變基極與發(fā)射極的電壓，也就是說(shuō)輸入信號(hào)能夠促使基極與發(fā)射極電壓在工作點(diǎn)附近上下變化。

五.兩種實(shí)用的共射放大電路。

圖二

在實(shí)際的放大電路中，為了防止干擾，常要求輸入信號(hào)，直流電源，輸出信號(hào)均有一端接在公共地，稱為共地。如圖2所示就是基極電源與集電極電源合二為一了。用電阻分壓來(lái)獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2電路的連接方式我們稱為直接耦合，耦合的意思就是連接。下面會(huì)講到阻容耦合，就是在輸入端串接一個(gè)電容，輸出也串接一個(gè)電容。區(qū)分是直接耦合還是阻容耦合的方式，就看輸入、輸出有沒(méi)有電容就可以了。下面介紹公式來(lái)求這個(gè)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：

圖三

我相信大家在看到這組公式的時(shí)候，肯定有一些疑惑，下面就來(lái)重點(diǎn)分析一下。所謂靜態(tài)那就是沒(méi)有輸入的時(shí)候，那就直接把圖二輸入端給短路如下圖：

圖四

首先確定的是Rb1是必不可少的，如果沒(méi)有Rb1，由于輸入是直接短路的，那么三極管因?yàn)闆](méi)有b到e的開(kāi)啟電壓就會(huì)截止不工作。電流從電源VCC出來(lái)經(jīng)過(guò)Rb2,此時(shí)出現(xiàn)分流，一部分進(jìn)入三極管基極到發(fā)射極到地，一部分到Rb1到地，這樣求出總電流，減去流過(guò)Rb1的電流就是三極管的基極電流，這就是圖三第一個(gè)公式的解釋，后面兩個(gè)就不用說(shuō)了前面都講過(guò)了。

但是這種放大電路有一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)開(kāi)始流入電路時(shí)要先經(jīng)過(guò)Rb1，才能到達(dá)三極管進(jìn)行放大。這就造成了輸入信號(hào)在此電阻上的損耗，因此就減小了三極管基極跟發(fā)射極之間的信號(hào)電壓。前面說(shuō)過(guò)信號(hào)加載到此會(huì)引起Ube在0.6V上下變化，信號(hào)有損耗了，變化也就小了，放大效果就不明顯了。其實(shí)從這里也可以看出來(lái)，三極管的放大作用就是小范圍的改變Ube間的電壓來(lái)達(dá)到效果的，有點(diǎn)四兩撥千斤的感覺(jué)。此電路還有一個(gè)缺點(diǎn)，在輸出端接入負(fù)載之后，負(fù)載上不僅有被放大的信號(hào)電壓，還會(huì)有從電源直接過(guò)來(lái)的直流電壓，這就導(dǎo)致了負(fù)載上會(huì)存在我們不需要的直流電流。通常這一個(gè)直流電流成分我們是需要去除的。所以有了以下改進(jìn)電路，就是前面提到過(guò)的阻容耦合電路。就是把Rb1換成電容，在輸出端跟負(fù)載之間也接入一個(gè)電容。為什么要接入一個(gè)電容呢？因?yàn)殡娙萦幸粋€(gè)作用就是通交流隔直流，輸入端的信號(hào)可以通過(guò)電容進(jìn)入放大電路，一般輸入信號(hào)是以交流形式存在的，輸出端被放大后的信號(hào)通過(guò)電容到達(dá)負(fù)載，從電源出來(lái)的支流成分就被電容阻擋在外。具體電路如下圖：

圖五

此電路靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算如下圖：

圖六

六.放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

在實(shí)際應(yīng)用中，上述電路因?yàn)殡娫措妷旱牟▌?dòng)，元器件的老化以及外界溫度的影響，它的靜態(tài)工作點(diǎn)是會(huì)發(fā)生變化的，這就需要一種更為穩(wěn)定的電路結(jié)構(gòu)形式。即使因?yàn)橥饨鐥l件發(fā)生變化，靜態(tài)工作點(diǎn)也不會(huì)發(fā)生變化，保持穩(wěn)定。在上述因素當(dāng)中，溫度因素尤為敏感，因?yàn)槿龢O管為半導(dǎo)體，對(duì)溫度非常敏感，也就是說(shuō)溫度的上升下降會(huì)影響他的靜態(tài)工作點(diǎn)。下圖就是典型的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路。

圖七

首先來(lái)解釋一下這個(gè)電路是怎樣工作的。

流過(guò)B點(diǎn)的電流計(jì)算公式：

I2＝I1+IBQ

為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，通常滿足以下條件。

I1＞＞IBQ（遠(yuǎn)大于）

因此，可以近似的看成I2＝I1。

所以B點(diǎn)電壓如下公式計(jì)算：

UBQ＝Rb1/(Rb1+Rb2)×VCC

上述公式可以看出基極電位幾乎決定于Rb1和Rb2對(duì)電源的分壓，而與外界因素如溫度沒(méi)有關(guān)系了。

下面具體講一下穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理。

當(dāng)溫度升高時(shí)，集電極電流Ic增大，發(fā)射極電流Ie肯定相對(duì)應(yīng)的增大，所以發(fā)射極電阻Re上的電壓UE就增大。因?yàn)閁BQ基本不變，根據(jù)公式UBQ=UB-UE，所以Ube肯定減小，這就導(dǎo)致基極電流Ib減小，相對(duì)應(yīng)的集電極電流Ic也會(huì)減小。從而得到相對(duì)穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。

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