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說明一下三極管放大電路的基本原理。

圖片說明：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，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)示意圖見下圖。

圖片說明： 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)無效(因?yàn)闆]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。

下面說說三極管的飽和情況。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)開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(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)于開關(guān)斷開;當(dāng)基極電流很大，以至于三極管飽和時(shí)，相當(dāng)于開關(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，在開關(guān)電路中，飽和狀態(tài)若在深度飽和時(shí)會(huì)影響其開關(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)箭頭方向也反了過來--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，一般來說，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，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。在放大過程中，集電極交流信號(hào)是疊加在直流信號(hào)上的，經(jīng)過耦合電容，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)分開的辦法，可以分成直流通路和交流通路來分析。