三極體的應用——放大電路設計

引言

很多人看完模電書上的三極體放大電路原理後，了解到三極體是怎麼「放大」電流的，但是讓他自己設計一款合適的放大電路，基本上是沒有思路，不知道從哪裡下手。今天，我就帶領大家來學習一下如何用三極體設計放大電路，本文以共設放大電路為例進行講解。

圖1 共發射極放大電路

直流分析

1. 如圖2所示電路中由於三極體的Ib很小可以忽略，所以基極電位就是R1與R3分壓得到的。

2. 由於VBE的電壓為0.6V左右，因此發射極電位是基極電位減去0.6V。

通過發射極上電位就可以求到發射極上流動的電流。

3. 由於IE=IB+IC,IB很小，可以忽略，則IE≈IC，所以可以通過IE求得Vc。

圖2 共發射極放大電路中各個部分的直流電位

交流分析

1. 由於基極與發射極之間可以看成一個二極體，而二極體在導通情況下，由於壓降一定，則二極體兩端的電壓變化是一致的，因此基極端的交流電位vi的變化與發射極端的交流電位ve的變化是一致的，因此Δve=vi來求得發射極變化的電流。

另外，集電極電流的交流部分為Δic，通過Δic就可以求得集電極交流電壓。

由於Δib很小，所以可以認為Δic=Δie，從而得到集電極交流電壓計算公式。

2. 因為C1將vc的直流成分去掉了，輸出信號vo就是Δvc。則放大倍數為RC與RE之比。

由上面公式可知，放大倍數與直流電流放大係數β（hFE）無關，是由RC和RE決定的。RE增大，放大倍數減小，由此可見RE引入了負反饋，有抑制因β的分散性和VBE的溫度變化而產生的發射極電流變化的作用。

圖3 求電壓增益

電路設計

表1 共射極放大電路設計規格

1. 確定電源電壓

因為要輸出5Vp-p的電壓，所以需要5V以上的電源電壓。因為有vb和vbe的存在，所以發射極電阻RE上最低加上1~2V的電壓，由於要滿足靜態工作點的要求，Vce一般取電源電壓的一半，所以電源電壓取15V。

2. 電晶體的選擇

因為電源電壓是15V，所以要選擇VCEO與VCBO要大於15V的電晶體，由於沒有其他的特殊要求，所以就選擇常用的NPN三極體9013。

圖4 S9013最大額定值（Ta=25℃）

圖5 S9013電特性（Ta=25℃）

3. 確定發射極電流的工作點

根據需求設置IE,但是本設計沒有要求，所以IE取值不要超過最大額定值就行了，這裡為了方便取值1mA。

4. 確定RC和RE

為了滿足靜態工作點在中間位置，保證不出現飽和失真和截止失真，所以取VCE為一半的電源電壓，即7.5V，因為IE為1mA，所以RE+RC為7.5KΩ。

因為AV=5，所以RC為6.25KΩ。

那麼RE為7.5KΩ-6.25KΩ=1.25KΩ。

但是E24系列電阻中沒有這兩個值，則取RC為6.2KΩ,RE為1.3KΩ。當前參數的放大倍數為4.7倍。

通過計算得到電晶體的靜態損耗PC為7.5mW。

5. 基極偏置電路設計

由於VE=1mA*1.3KΩ=1.3V，VBE為0.6V，所以基極電位VB必須是1.9V。假設β為100，那麼Ib就等於0.01mA。要想Ib有0.01mA，那麼流過偏置電阻的電流應該是Ib的數倍，這裡取10倍，所以流過偏置電阻的電流為0.1mA。那麼R1為131k，R3為19k。但是E24系列電阻中沒有這兩個值，所以需要重新取值，只要能讓VB為1.9V，且偏置電流不低於0.1mA就行，這裡取R1為110K，R2為16K。

6. 確定耦合電容C1和C2

C1和C2的目的就是隔直通交，僅讓交流成分通過。C1與C2和輸入輸出電阻分別構成高通濾波器，為了滿足隔直通交的目的，這裡取值為10uF。

總結

圖6 仿真波形圖

圖6可知，AV=8.981V/1.968V=4.56倍。由於我們忽略了Ib的存在，所以更理論值存在一定的偏差是正常的。

圖7靜態工作點

通過圖7可以發現，靜態工作點更理論值差不多，有一定的偏差是因為我們忽略了Ib的存在。

因此，我們這種設計的思路是可行的，也是有理論依據的，如果大家有更好的方法就在評論討論討論。