設計三極體放大電路時應該注意哪些技巧?(通俗易懂)

2020-11-24 電子工程專輯

放大電路的核心元件是三極體，所以要對三極體要有一定的了解。用三極體構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，一般我們對放大路要掌握些什麼內容？

（1）分析電路中各元件的作用；

（2）解放大電路的放大原理；

（3）能分析計算電路的靜態工作點；

（4）理解靜態工作點的設置目的和方法；

以上四項中，最後一項較為重要。

　　


圖1中，C1，C2為耦合電容，耦合就是起信號的傳遞作用，電容器能將信號信號從前級耦合到後級，是因為電容兩端的電壓不能突變，在輸入端輸入交流信號後，因兩端的電壓不能突變因，輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化，從而將信號從輸入端耦合到輸出端。但有一點要說明的是，電容兩端的電壓不能突變，但不是不能變。


R1、R2為三極體V1的直流偏置電阻，什麼叫直流偏置？簡單來說，做工要吃飯。要求三極體工作，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定，所以，電源一定要是直流電源，所以叫直流偏置。為什麼是通過電阻來供電？電阻就象是供水系統中的水龍頭，用調節電流大小的。所以，三極體的三種工作 狀態「：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體的三種工作狀態，簡單來說，判別工作於何種工作狀態可以根據Uce的大小來判別，Uce接近於電源電壓VCC，則三極體就工作於載止狀態，載止狀態就是說三極體基本上不工作，Ic電流較小（大約為零），所以R2由於沒有電流流過，電壓接近0V，所以Uce就接近於電源電壓VCC。


若Uce接近於0V，則三極體工作於飽和狀態，何謂飽和狀態？就是說，Ic電流達到了最大值，就算Ib增大，它也不能再增大了。


以上兩種狀態我們一般稱為開關狀態，除這兩種外，第三種狀態就是放大狀態，一般測Uce接近於電源電壓的一半。若測Uce偏向VCC，則三極體趨向於載止狀態，若測Uce偏向0V，則三極體趨向於飽和狀態。

放大電路，就是將輸入信號放大後輸出，（一般有電壓放大，電流放大和功率放大幾種，這個不在這討論內）。先說我們要放大的信號，以正弦交流信號為例說。在分析過程中，可以只考慮到信號大小變化是有正有負，其它不說。上面提到在圖1放大電路電路中，靜態工作點的設置為Uce接近於電源電壓的一半，為什麼？


這是為了使信號正負能有對稱的變化空間，在沒有信號輸入的時候，即信號輸入為0，假設Uce為電源電壓的一半，我們當它為一水平線，作為一個參考點。當輸入信號增大時，則Ib增大，Ic電流增大，則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之增大，Uce=VCC-U2，會變小。U2最大理論上能達到等於VCC，則Uce最小會達到0V，這是說，在輸入信增加時，Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V。


同理，當輸入信號減小時，則Ib減小，Ic電流減小，則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之減小，Uce=VCC-U2，會變大。在輸入信減小時，Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣，在輸入信號一定範圍內發生正負變化時，Uce以1/2VCC為準的話就有一個對稱的正負變化範圍，所以一般圖1靜態工作點的設置為Uce接近於電源電壓的一半。


要把Uce設計成接近於電源電壓的一半，這是我們的目的，但如何才能把Uce設計成接近於電源電壓的一半？這就是手段了。


這裡要先知道幾個東西，第一個是我們常說的Ic、Ib，它們是三極體的集電極電流和基極電流，它們有一個關係是Ic=β×Ib，但我們初學的時候，老師很明顯的沒有告訴我們，Ic、Ib是多大才合適？這個問題比較難答，因為牽涉的東西比較的多，但一般來說，對於小功率管，一般設Ic在零點幾毫安到幾毫安，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 Ic 為 2mA，則電阻 R2 的阻值就可以由 R=U/I 來計算，VCC 為 12V，則 1/2VCC為 6V，R2 的阻值為 6V/2mA，為 3KΩ。Ic 設定為 2 毫安，則 Ib 可由 Ib=Ic/β推出，關健是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， 但實際上，小功率管的β值遠不止 100，在 150 到 400 之間，或者更高，所以若按上面計算來做，電路是有可能處於飽和狀態的，所以有時我們不明白，計算沒錯，但實際不能用，這是因為還少了一點實際的指導，指出理論與實際的差別。這種電路受β值的影響大，每個人計算一樣時，但做出來的結果不一定相同。也就是說，這種電路的穩定性差，實際應用較少。但如果改為圖 2 的分壓式偏置電路，電路的分析計算和實際電路測量較為接近。



在圖 2 的分壓式偏置電路中，同樣的我們假設 Ic 為 2mA， Uce 設計成 1/2VCC 為 6V。則 R1、R2、 R3、 R4 該如何取值呢。計算公式如下：因為 Uce 設計成 1/2VCC 為 6V，則 Ic×（R3+R4）=6V;Ic≈Ie。可以算出 R3+R4=3KΩ，這樣，R3、R4 各是多少？一般 R4 取 100Ω，R3 為 2.9KΩ，實際上 R3 我們一般直取 2.7KΩ，因為 E24 系列電阻中沒有 2.9KΩ，取值 2.7KΩ與 2.9KΩ沒什麼大的區別。因為 R2 兩端的電壓等於 Ube+UR4。


0.7V+100Ω×2mA=0.9V，我們設 Ic 為 2mA，β一般理論取值 100，則 Ib=2mA/100=20#A，這裡有一個電流要估算的，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;考慮到實際上的β值可能遠大於 100，所以 R2 的實際取值為 4.7KΩ。這樣，R1、R2、R3、R4 的取值分別為 56KΩ，4.7KΩ，2.7KΩ，100Ω，Uce 為 6.4V。


在上面的分析計算中，多次提出假設什麼的，這在實際應用中是必要的，很多時候需要一個參考值來給我們計算，但往往卻沒有，這裡面一是我們對各種器件不熟悉，二是忘記了一件事，我們自己才是用電路的人，一些數據可以自己設定，這樣可以少走彎路。


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