教你怎么使用三極管, 對(duì)信號(hào)進(jìn)行可控倍數(shù)的放大
前幾天在錄制三極管放大原理的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己在做三極管放大的時(shí)候，不能夠?qū)θ龢O管的放大倍數(shù)進(jìn)行控制。經(jīng)過了幾天的思考與學(xué)習(xí)，現(xiàn)在終于找到了解決的方案，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了三極管放大中的一些陷阱。以下為本人這幾天的學(xué)習(xí)總結(jié)。
總結(jié)的主要內(nèi)容是講解三極管的無偏置放大電路以及三極管的有偏置放大電路。其中無偏置電路主要是分析該電路的設(shè)計(jì)方法以及分析該電路的缺陷；而有偏置電路同樣是分析其放大設(shè)計(jì)方法，同時(shí)有偏置放大電路是可以實(shí)現(xiàn)可控性放大的，但是其設(shè)計(jì)過程會(huì)存在陷阱。本總結(jié)的第二部分即記錄了我在設(shè)計(jì)三極管偏置電路的過程中所犯下的錯(cuò)誤，以導(dǎo)致我不能夠?qū)崿F(xiàn)可控放大。而在第三部分主要是糾正的過程，最后實(shí)現(xiàn)了可控性放大。
1、三極管的放大-無偏置電壓
我們使用三極管進(jìn)行交流信號(hào)放大的時(shí)候，通常是先設(shè)置三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后確定剩下的限流電阻、分壓電阻、反饋電阻、耦合電容等參數(shù)，最后完成一個(gè)三極管放大電路的設(shè)計(jì)過程。
現(xiàn)在用8050（SOT-23）三極管作為例子：
以下三極管的電氣參數(shù)：
圖1.1 三極管電氣參數(shù)
以下為三極管的特性曲線：
圖1.2 特性曲線
從特性曲線中可以看到，我們給8050設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，將Ib設(shè)置在200uA-250uA間較合適，為便于計(jì)算，將Ib設(shè)為200uA。
現(xiàn)假設(shè)將電源電壓設(shè)為12V，根據(jù)電流Ib=200uA，則Rb需設(shè)為56K；假如此時(shí)Vce=6V；由圖2，可知Ic此時(shí)約為45mA；則Rc計(jì)算約為130R；電路圖如下所示：
圖1.3 電路原理圖1
此時(shí)只要在b極加上信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)放大。我在仿真中加入100mv/50Hz的交流信號(hào)，結(jié)果如下所示：
圖1.4 放大仿真圖
從圖4中可以看到，這樣的設(shè)計(jì)過程其實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)三極管的放大的。但是這個(gè)實(shí)際上存在電流Ib不穩(wěn)定的缺陷。
缺陷：工作中，電流Ib不穩(wěn)定
如下圖所示：
圖1.5 Ib電流圖
從圖1.5中可知，電路的Ib不僅取決于+12V電源，還由信號(hào)源提供。這表明該電路的放大倍數(shù)會(huì)隨著信號(hào)源的輸出能力而影響。
這涉及到電容的容抗特性。電容在工作過程中，其容抗?jié)M足以下公式：
Rc = 1/2πfc
由式可知，當(dāng)輸入信號(hào)頻率越大時(shí)，容抗值就越小。這說明，在放大電路中，當(dāng)耦合電容的值選定之后，該電路的Ib會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率的變化而變化。
即：當(dāng)信號(hào)頻率越高時(shí)，電容的容抗值越小，則輸入信號(hào)的回路中，其回路的阻抗會(huì)越低，則信號(hào)源的輸出電流就會(huì)相應(yīng)增大。
為驗(yàn)證以上猜測(cè)，我將100mV/50Hz信號(hào)改成100mV/50KHz，結(jié)果如下所示：
圖1.6 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖
由仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的幅值已明顯超過原仿真值，即驗(yàn)證以上猜測(cè)是真實(shí)存在的。同樣的道理，假如當(dāng)信號(hào)頻率過低時(shí)，該電路就不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行信號(hào)放大（這其實(shí)就是高通濾波的原理）。
2、三極管的放大-有偏置電壓，實(shí)現(xiàn)可控放大
三極管的另外一種常用的放大電路是帶有偏置電壓的，其電路如圖2.1所示：
圖2.1 放大原理圖/偏置電壓
該電路中，我同樣將其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)為Ib=200uA、Vce=6V。根據(jù)偏置電壓的設(shè)計(jì)規(guī)則，在使用電阻分壓給做電壓偏置時(shí)，需要將偏置網(wǎng)絡(luò)的電流設(shè)置為靜態(tài)電流的10倍左右，這表明偏置網(wǎng)絡(luò)流過的電流約為2mA，由此可得偏置網(wǎng)絡(luò)的兩電阻值為3K，使其偏置電壓為6V。
該電路的輸出電壓滿足：
Vc = 12 - Ic·Rc (1)
其中： Ic=（Vb-0.7）/Re; (2)
Vb=Vin+6; (3)
則：Vc=12-（Vin+5.3）*Rc/Re; (4)
根據(jù)式（4），可知該電路的輸出電壓Vc由輸入信號(hào)Vin以及Rc與Re的比值決定。即電路的輸出Vc與輸入信號(hào)Vin成反比關(guān)系，同時(shí)Vc的變化量是Vin變化量的Rc/Re倍。利用該結(jié)論，說明圖2.1的原理圖是可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可控性放大的。
于是我在仿真中同樣給電路加入100mv/50Hz的交流信號(hào)，結(jié)果如下所示：
圖2.2 仿真結(jié)果1
圖2.2，可以看到輸出信號(hào)基本沒被放大。這是因?yàn)榇藭r(shí)Rc與Re的比值約為1，所以信號(hào)幾乎沒有被放大。于是我將Rc電阻設(shè)為300R，仿真結(jié)果如下：
圖2.3 仿真結(jié)果2
理論上，該電路會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行約為3倍放大，即信號(hào)幅值可達(dá)到300mA左右?？墒怯山Y(jié)果可知，該電路并沒有進(jìn)行理論性放大，同時(shí)還出現(xiàn)了底部失真現(xiàn)象，這使結(jié)論變成了謬論。
3、三極管的放大-有偏置電壓，實(shí)現(xiàn)可控放大（正確設(shè)計(jì)）
經(jīng)過了仔細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)在第二節(jié)中的結(jié)論其實(shí)是正確的。這也就意味著問題出現(xiàn)在仿真過程中。
經(jīng)過推敲，我發(fā)現(xiàn)在對(duì)電路2（圖2.1）的參數(shù)計(jì)算中，誤解了其中的一個(gè)參數(shù)——將Vce看成為Vc；
由于這個(gè)原因，我在設(shè)計(jì)偏置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，理所當(dāng)然地將偏置電壓設(shè)置在Vcc/2（即6V）上，如圖所示：
圖3.1 偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)為6V
這時(shí)三極管的e極即為5.3V。在第一節(jié)中已經(jīng)提到過，此時(shí)的流過三極管ce極的電流為45mA，于是我也很理所當(dāng)然地，利用R=U/I，求出Re=117R。最后在根據(jù)電阻分壓的原理，即Vc = Vcc -Rc*Ic = 6V，求得Rc的值為130R。
其實(shí)三極管工作在放大區(qū)的實(shí)質(zhì)，就是三極管的ce極電壓|Vce| > 0.3V；
根據(jù)上述，由于在圖3.1的參數(shù)設(shè)計(jì)中可以看到。由于我將Vce看成為Vc，此時(shí)設(shè)置的靜態(tài)工作點(diǎn)，其Vce實(shí)質(zhì)是等于0.7V，如圖3.2所示
圖3.2 實(shí)際電壓分布圖
由于此時(shí)三極管的Vce=0.7V，即此時(shí)三極管是處于飽和的臨界狀態(tài)。所以只要輸入信號(hào)大一些，或者Rc與Re的比值稍大，都會(huì)導(dǎo)致放大結(jié)果失真。
而對(duì)于圖2.2中，其放大結(jié)果沒有產(chǎn)生失真的原因，就是因?yàn)檩斎胄盘?hào)為100mA，而此時(shí)的放大倍數(shù)也約為1。又因?yàn)榇藭r(shí)三極管距離飽和區(qū)有0.7-0.3=0.4V的電壓放大范圍，所以可以輸出完整的波形。
根據(jù)上述的結(jié)果，我重新設(shè)計(jì)電路參數(shù)，電路圖如下所示：
根據(jù)輸出結(jié)果，驗(yàn)證了第二節(jié)中的結(jié)論。即三極管的放大滿足：
Vc=12-（Vin+5.3）*Rc/Re;
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