基于三極管的基本放大電路設(shè)計(jì)的探究

基本放大電路是放大電路中最基本的結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成復(fù)雜放大電路的基本單元。它利用雙極型半導(dǎo)體三極管輸入電流控制輸出電流的特性，或場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管輸入電壓控制輸出電流的特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。三極管是電流放大器件，有三個(gè)極，分別叫做集電極C,基極B,發(fā)射極E.分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來(lái)說(shuō)明一下三極管放大電路的基本原理。

圖片說(shuō)明：三極管放大電路圖

下面的分析僅對(duì)于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic.這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來(lái)表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制(假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話)，并且基極電流很小的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)(β一般遠(yuǎn)大于1,例如幾十，幾百)。如果我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟發(fā)射極之間，這就會(huì)引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過(guò)一個(gè)電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來(lái)，就得到了放大后的電壓信號(hào)了。

基本放大電路一般是由一個(gè)三極管或場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。從電路的角度來(lái)看，可以將基本放大電路看成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)。放大的作用體現(xiàn)在如下方面：

1.放大電路主要利用三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號(hào)，輸出信號(hào)在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號(hào)的能量得到了加強(qiáng)。

2.輸出信號(hào)的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過(guò)三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號(hào)能量，提供給負(fù)載。放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖。

圖片說(shuō)明： 放大電路結(jié)構(gòu)示意圖

共射組態(tài)基本放大電路如上圖所示。在該電路中，輸入信號(hào)加在加在基極和發(fā)射極之間，耦合電容器C1和Ce視為對(duì)交流信號(hào)短路。輸出信號(hào)從集電極對(duì)地取出，經(jīng)耦合電容器C2隔除直流量，僅將交流信號(hào)加到負(fù)載電阻RL之上。放大電路的共射組態(tài)實(shí)際上是指放大電路中的三極管是共射組態(tài)。

圖片說(shuō)明：共射組態(tài)交流基本放大電路

三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)，還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性(相當(dāng)于一個(gè)二極管)，基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生(對(duì)于硅管，常取0.7V)。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是0.但實(shí)際中要放大的信號(hào)往往遠(yuǎn)比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號(hào)就不足以引起基極電流的改變(因?yàn)樾∮?.7V時(shí)，基極電流都是0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一個(gè)合適的電流(叫做偏置電流，上圖中那個(gè)電阻Rb就是用來(lái)提供這個(gè)電流的，所以它被叫做基極偏置電阻)，那么當(dāng)一個(gè)小信號(hào)跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會(huì)被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號(hào)范圍的要求，如果沒(méi)有加偏置，那么只有對(duì)那些增加的信號(hào)放大，而對(duì)減小的信號(hào)無(wú)效(因?yàn)闆](méi)有偏置時(shí)集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時(shí)，集電極電流就可以減小;當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí)，集電極電流就增大。這樣減小的信號(hào)和增大的信號(hào)都可以被放大了。

下面說(shuō)說(shuō)三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因?yàn)槭艿诫娮鑂c的限制(Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc,其中U為電源電壓)，集電極電流是不能無(wú)限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時(shí)，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*β〉Ic.進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來(lái)當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0時(shí)，三極管集電極電流為 0(這叫做三極管截止)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi);當(dāng)基極電流很大，以至于三極管飽和時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開(kāi)關(guān)管。

如果我們?cè)谏厦孢@個(gè)圖中，將電阻Rc換成一個(gè)燈泡，那么當(dāng)基極電流為0時(shí)，集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí)(大于流過(guò)燈泡的電流除以三極管的放大倍數(shù)β)，三極管就飽和，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點(diǎn)就行了，所以就可以用一個(gè)小電流來(lái)控制一個(gè)大電流的通斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會(huì)隨著增加(在三極管未飽和之前)。

但是在實(shí)際使用中要注意，在開(kāi)關(guān)電路中，飽和狀態(tài)若在深度飽和時(shí)會(huì)影響其開(kāi)關(guān)速度，飽和電路在基極電流乘放大倍數(shù)等于或稍大于集電極電流時(shí)是淺度飽和，遠(yuǎn)大于集電極電流時(shí)是深度飽和。因此我們只需要控制其工作在淺度飽和工作狀態(tài)就可以提高其轉(zhuǎn)換速度。

對(duì)于PNP型三極管,分析方法類(lèi)似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發(fā)射極上面那個(gè)箭頭方向也反了過(guò)來(lái)--變成朝里的了。 共射組態(tài)基本放大電路中各元件的作用

在輸入信號(hào)為零時(shí)，直流電源通過(guò)各偏置電阻為三極管提供直流的基極電流和直流集電極電流，并在三極管的三個(gè)極間形成一定的直流電壓。由于耦合電容的隔直流作用，直流電壓無(wú)法到達(dá)放大電路的輸入端和輸出端。

當(dāng)輸入交流信號(hào)通過(guò)耦合電容C1和Ce加在三極管的發(fā)射結(jié)上時(shí)，發(fā)射結(jié)上的電壓變成交、直流的疊加。放大電路中信號(hào)的情況比較復(fù)雜，各信號(hào)的符號(hào)規(guī)定如下：

由于三極管的電流放大作用，ic要比ib大幾十倍，一般來(lái)說(shuō)，只要電路參數(shù)設(shè)置合適，輸出電壓可以比輸入電壓高許多倍。uCE中的交流量有一部分經(jīng)過(guò)耦合電容到達(dá)負(fù)載電阻，形成輸出電壓。完成電路的放大作用。

由此可見(jiàn)，放大電路中三極管集電極的直流信號(hào)不隨輸入信號(hào)而改變，而交流信號(hào)隨輸入信號(hào)發(fā)生變化。在放大過(guò)程中，集電極交流信號(hào)是疊加在直流信號(hào)上的，經(jīng)過(guò)耦合電容，從輸出端提取的只是交流信號(hào)。因此，在分析放大電路時(shí)，可以采用將交、直流信號(hào)分開(kāi)的辦法，可以分成直流通路和交流通路來(lái)分析。