放大电路的 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,一般我们对放大电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, 一项较为重要。
共射的基本放大电路实例解析
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,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, 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?电阻就像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 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。
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×R2 会随之增大,Uce=VCC-U2 会变小。U2 理论上能达到等于 VCC,则 Uce 会达到 0V。这是说,在输入信增加时,Uce 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×R2 会随之减小,Uce=VCC-U2,会变大。在输入信减小时,Uce 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?这就是看我们的手段了。
这里要先知道几个东西, 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×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×(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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