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  • 解析三极管放大电路设计技巧
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    2018-05-24 14:47:15



      放大电路的核心元件是三极管,所以要对三极管要有一定的了解。用三极管构成的放大电路的种类较多,我们用常用的几种来解说一下(如图1)。图1是一共射的基本放大电路,一般我们对放大路要掌握些什么内容?

      (1)分析电路中各元件的作用;

      (2)解放大电路的放大原理;

      (3)能分析计算电路的静态工作点;

      (4)理解静态工作点的设置目的和方法。

      以上四项中,最后一项较为重要。

      

      图1中,C1,C2为耦合电容,耦合就是起信号的传递作用,电容器能将信号信号从前级耦合到后级,是因为电容两端的电压不能突变,在输入端输入交流信号后,因两端的电压不能突变因,输出端的电压会跟随输入端输入的交流信号一起变化,从而将信号从输入端耦合到输出端。但有一点要说明的是,电容两端的电压不能突变,但不是不能变。

      R1、R2为三极管V1的直流偏置电阻,什么叫直流偏置?简单来说,做工要吃饭。要求三极管工作,必先要提供一定的工作条件,电子元件一定是要求有电能供应的了,否则就不叫电路了。

      在电路的工作要求中,第一条件是要求要稳定,所以,电源一定要是直流电源,所以叫直流偏置。为什么是通过电阻来供电?电阻就象是供水系统中的水龙头,用调节电流大小的。所以,三极管的三种工作 状态“:载止、饱和、放大”就由直流偏置决定,在图1中,也就是由R1、R2来决定了。

      首先,我们要知道如何判别三极管的三种工作状态,简单来说,判别工作于何种工作状态可以根据Uce的大小来判别,Uce接近于电源电压VCC,则三极管就工作于载止状态,载止状态就是说三极管基本上不工作,Ic电流较小(大约为零),所以R2由于没有电流流过,电压接近0V,所以Uce就接近于电源电压VCC。

      若Uce接近于0V,则三极管工作于饱和状态,何谓饱和状态?就是说,Ic电流达到了最大值,就算Ib增大,它也不能再增大了。

      以上两种状态我们一般称为开关状态,除这两种外,第三种状态就是放大状态,一般测Uce接近于电源电压的一半。若测Uce偏向VCC,则三极管趋向于载止状态,若测Uce偏向0V,则三极管趋向于饱和状态。

      理解静态工作点的设置目的和方法

      放大电路,就是将输入信号放大后输出,(一般有电压放大,电流放大和功率放大几种,这个不在这讨论内)。先说我们要放大的信号,以正弦交流信号为例说。在分析过程中,可以只考虑到信号大小变化是有正有负,其它不说。上面提到在图1放大电路电路中,静态工作点的设置为Uce接近于电源电压的一半,为什么?

      这是为了使信号正负能有对称的变化空间,在没有信号输入的时候,即信号输入为0,假设Uce为电源电压的一半,我们当它为一水平线,作为一个参考点。当输入信号增大时,则Ib增大,Ic电流增大,则电阻R2的电压U2=Ic&TImes;R2会随之增大,Uce=VCC-U2,会变小。U2最大理论上能达到等于VCC,则Uce最小会达到0V,这是说,在输入信增加时,Uce最大变化是从1/2的VCC变化到0V.

      同理,当输入信号减小时,则Ib减小,Ic电流减小,则电阻R2的电压U2=Ic&TImes;R2会随之减小,Uce=VCC-U2,会变大。在输入信减小时,Uce最大变化是从1/2的VCC变化到VCC。这样,在输入信号一定范围内发生正负变化时,Uce以1/2VCC为准的话就有一个对称的正负变化范围,所以一般图1静态工作点的设置为Uce接近于电源电压的一半。

      要把Uce设计成接近于电源电压的一半,这是我们的目的,但如何才能把Uce设计成接近于电源电压的一半?这就是的手段了。

      这里要先知道几个东西,第一个是我们常说的Ic、Ib,它们是三极管的集电极电流和基极电流,它们有一个关系是Ic=β&TImes;Ib,但我们初学的时候,老师很明显的没有告诉我们,Ic、Ib是多大才合适?这个问题比较难答,因为牵涉的东西比较的多,但一般来说,对于小功率管,一般设Ic在零点几毫安到几毫安,中功率管则在几毫安到几十毫安,大功率管则在几十毫安到几安。

      在图1中,设Ic为2mA,则电阻R2的阻值就可以由R=U/I来计算,VCC为12V,则1/2VCC为6V,R2的阻值为6V/2mA,为3KΩ。Ic设定为2毫安,则Ib可由Ib=Ic/β推出,关健是β的取值了,β一般理论取值100,则Ib=2mA/100=20#A,则R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20#A=56.5KΩ,但实际上,小功率管的β值远不止100,在150到400之间,或者更高,所以若按上面计算来做,电路是有可能处于饱和状态的,所以有时我们不明白,计算没错,但实际不能用,这是因为还少了一点实际的指导,指出理论与实际的差别。这种电路受β值的影响大,每个人计算一样时,但做出来的结果不一定相同。也就是说,这种电路的稳定性差,实际应用较少。但如果改为图2的分压式偏置电路,电路的分析计算和实际电路测量较为接近。

      

      在图2的分压式偏置电路中,同样的我们假设Ic为2mA,Uce设计成1/2VCC为6V。则R1、R2、R3、R4该如何取值呢。计算公式如下:因为Uce设计成1/2VCC为6V,则Ic&TImes;(R3+R4)=6V;Ic≈Ie。可以算出R3+R4=3KΩ,这样,R3、R4各是多少?

      一般R4取100Ω,R3为2.9KΩ,实际上R3我们一般直取2.7KΩ,因为E24系列电阻中没有2.9KΩ,取值2.7KΩ与2.9KΩ没什么大的区别。因为R2两端的电压等于Ube+UR4,即0.7V+100Ω×2mA=0.9V,我们设Ic为2mA,β一般理论取值100,则Ib=2mA/100=20#A,这里有一个电流要估算的,就是流过R1的电流了,一般取值为Ib的10倍左右,取IR1200#A。则R1=11.1V/200#A≈56KΩR2=0.9V(/200-20)#A=5KΩ;考虑到实际上的β值可能远大于100,所以R2的实际取值为4.7KΩ。这样,R1、R2、R3、R4的取值分别为56KΩ,4.7KΩ,2.7KΩ,100Ω,Uce为6.4V。

      在上面的分析计算中,多次提出假设什么的,这在实际应用中是必要的,很多时候需要一个参考值来给我们计算,但往往却没有,这里面一是我们对各种器件不熟悉,二是忘记了一件事,我们自己才是用电路的人,一些数据可以自己设定,这样可以少走弯路。

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    在设计三极管共射放大电路的时候,外围电阻参数并没有规定怎样选取,调试步骤如下:
    (1)先不加输入信号,用万用表测量b\e\c三点的电压情况,要使其满足工作在放大区的条件:Ube>Uon且Uce>Ube。
    (2)一般C点电压为1/2VCC,否则会发生饱和和截止失真,即那种波形上半周和下半周都会削顶。
    (3)可以在C极串联一个滑动变阻器方便调C点电压,可以在B极的分压电阻上或下边串联一个滑动变阻器,方便调节B极电压。
    (4)另外信号源输出线上串联一个滑动变阻器对失真的改善也有影响。
    (5)电压放大倍数和集电极电阻和负载有关。
    最后可以参考以下帖子:
    https://www.cnblogs.com/raymon-tec/p/5293687.html

    或下图:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    最后,常用的基极分压式共射放大电路如下图:
    在这里插入图片描述
    注意:在选取三极管时,需要注意需要了解三极管的几个参数,一个是Vceo,饱和Ic,饱和Vce,集电极极限电流Icm,极限功率Pcm,三极管放大倍数hFE,注意在选取三极管时,集电极输出电流不能超过集电极极限电流Icm,否则会烧坏三极管。
    所以在选取三极管时,集电极输出的最大电流要大于输出所需要的电流,三极管放大倍数选取要合适。

    经验公式:
    在这里插入图片描述

    展开全文
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    三极管的基本知识

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    据基尔霍夫定律:Ie = Ic + Ib

    由于不同的组合方式,形成了一种是NPN型的三极管,另一种是PNP型的三极管。

    在这里插入图片描述

    三极管的输出特性曲线

    基极电流Ib一定时,三极管输出电压Uec与输出电流Ic之间的关系曲线
    在这里插入图片描述

    放大状态

    发射结正向偏置,而集电结反向偏置。
    当Ib变化时,Ic即按比例变化,在放大电路中,必须使用三极管工作在放大区。
    B= Ic / Ie

    饱和状态

    发射结和集电结正偏
    Uec的数值小,Ic随Uec的增加而很快的增大。管子相当于一个开关的接通状态,短路。

    截止状态

    发射结和集电结都反偏
    当Ib=0时,Ic=Iceo(称为穿透电流),相当于管子相当于一个开关的开路状态。

    过损耗区

    三极管耗散功率太大,易发热损坏

    1、三个极限参数

    • 反向击穿电压Uceo:Uce < Uceo
    • 集电极最大允许电流Icm
    • 最大耗散功率Pcm

    放大电路

    • 构成放大电路的条件
    1. 具有放大元件
    2. 同时满足 直流条件 和 交流条件

    放大元件是三极管,要求工作在放大区,并能够对信号进行不失真放大。

    直流通路:电容开路,电感短路
    交流通路:电容短路,电感开路

    三极管构成的放大电路

    共射电路共基电路共集电路
    输出与输入电压反相同相同相
    电压放大倍数低(小于1)
    输入电阻适中(小)
    输出电阻

    共同点:功率P放大
    共集电路:带功率好一些,称为射级输出器 / 射级跟随器

    性能指标

    • 电压放大倍数: Au=Uo / Ui = B•(ro / rbe)
    • 功率放大倍数: Ap=Po / Pi
    • 输入电阻:ri=Ui / Ii (越大越好)
    • 输出电阻:ro (越小越好)
    • 通频带:0.707倍,FBW = FH-FL

    静态工作点

    • 放大器 无输入信号的时叫静态,就是放大去的直流工作状态
    • 为什么要设置静态工作点?

    为了保证输入交流信号能够不失真的放大

    1、固定偏置放大电路

    在这里插入图片描述

    Ec = IBQ•Rb + UBEQ 
    IBQ = Ec-UBEQ / Rb
    ICQ = IBQ•放大倍数B
    UCEQ = Ec-ICQ•RC
    rbe = 300+(1+B)(26mv/IEQ)
    ri = Rb//rbe = (Rb•rbe) / (Rb+rbe)
    

    固定偏置直流通路
    在这里插入图片描述
    固定偏置交流通路
    在这里插入图片描述

    2、分压式偏置放大电路

    在这里插入图片描述

    VB = Rb1/(Rb1 + Rb2) • EC
    ICQ = (VB-UBEQ) / Re
    IEQ ≈ ICQ
    IBQ = ICQ / B
    UCEQ = Ec-ICQ(Rc+Re) 
    

    分压式偏置直流通路
    在这里插入图片描述

    多级耦合方式

    放大器间耦合都有零飘,放大器级数越多,总通频带就越窄

    1. 阻容耦合

    优点:电路简单
    缺点:只能在本级,耦合交流信号,频率低,不便于集成

    1. 变压器耦合

    优点:独立
    缺点:笨重,成本高,不能集成.只能在本级

    1. 直接耦合

    优点:可以放大缓慢的交流,直流信号
    缺单:传递零点漂移

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