單管三極管放大電路設計(一)

上一篇文章講了三極管的基礎知識，這篇講解真正具有實用意義的單管三極管放大電路完整版，所以本文較長，請耐心看完。

三極管放大電路的應用很廣泛，舉一個生活中最常見，而且好多人都在使用的東西—功放機。它就是把微小的帶有聲音性質的電信號進一步放大，最后推動揚聲器發(fā)聲。與之類似的還有擴音器，說通俗點就是那種在小攤喊通通只要九塊九的那種喇叭。

一.放大的概念

放大電路放大的本質是能量的轉換和控制，電子電路放大的基本特征是功率放大，這就是“功放”這個名詞的由來。放大的前提是不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義。

二.放大電路的性能指標

1.放大倍數(shù)

放大倍數(shù)是直接衡量放大電路能力的指標。如一個放大電路倍數(shù)是10倍，它就可以把0.1V的信號放大為1V，前提是供電電壓超過1V。

電壓放大倍數(shù)：

輸出電壓U0與輸入電壓Ui比值。

電流放大倍數(shù)：

輸出電流與輸入電流比值。

2.輸入電阻：

放大電路要想工作肯定得有電信號的輸入，電信號雖然微小，但也肯定有一定的電壓跟電流，只不過很小罷了。當輸入信號接入放大電路，放大電路就成為了電信號的負載。這很好理解，信號源就理解為一個電池，放大電路就理解為一個燈泡負載。既然放大電路作為負載，那么就必然會從電信號中獲取電流，電流的大小表明放大電路對信號源的影響程度。這個輸入電阻Ri是電信號輸入電壓有效值Ui與輸入電流有效值Ii之比，Ri＝Ui／Ii。

3.輸出電阻：

有了輸入電阻的解釋，輸出電阻就顯得更加好理解了。任何放大電路的輸出都可以看成是一個有內阻的電壓源。這也很好理解，換個角度，這里把放大電路看成一節(jié)電池，現(xiàn)實生活中的電池都是具有內阻的，現(xiàn)在科技還做不出沒有內阻的電池，電池內阻大小一般為毫歐級別，因為很小，所以在電路計算中可以忽略。但是放大電路的內阻就是輸出電阻忽不忽略就得看情況了而定了。輸出電阻我們稱為R0，空載輸出電壓的有效值稱為U1，帶負載后輸出電壓的有效值為U0，負載電阻為RL，他們的關系為：

U0＝RL/（R0+RL）×U1

上述公式變換一下

R0＝（U1/U0-1）×RL

從公式可以看出R0越小，負載電阻RL在變化時，U0的變化越小，放大電路帶動負載的能力就越強。當然在一些電路設計當中，輸出電阻并不是越小越好，這得需要根據(jù)情況具體來設定。

三.基本共射放大電路的工作原理

圖1

借用上一篇文章的圖片。

當Ui＝0時，此時放大電路工作在靜態(tài)狀態(tài)。在輸入回路中，基極電源VBB使三極管b,e之間大于開啟電壓，并且與基極電阻共同決定流入基極的電流。在輸出回路中，集電極電源VCC應該足夠高，使三極管集電極處于反偏狀態(tài)，VCC要足夠高還有一個原因，假設輸入信號為0.5V，電路要放大20倍，那么放大后的電壓就為10V，所以集電極的供電電壓必須為10V以上，不然電路就會發(fā)生失真。集電極電流IC＝ β×IB，集電極電阻RC上的電流就等于IC，因而其電壓為IC×RC，從而確定了集電極到發(fā)射極的電壓也就是C到E之間的電壓為UCE＝VCC-IC×RC。圖片當中可以看到有兩個電源標志性字母代表，VBB和VCC，是不是說就得需要兩個電源來工作？其實不需要，在實際電路中只需要用電阻進行分壓就可以，具體文章下面會講到。

好了，接下來重點來了，三極管放大電路的工作過程。當有不斷變化的Ui輸入時，在輸入回路中，必然會在靜態(tài)值的基礎上產生一個動態(tài)的基極電流Ib。同時在輸出回路就得到動態(tài)電流Ic，相對應的會在集電極電阻產生動態(tài)電壓，根據(jù)公式UCE＝VCC-IC×RC可以看出，只要Ic變化，三極管C跟E之間電壓就變化，稱為管壓降UCE，管壓降的變化量就是輸出動態(tài)電壓U0，從而實現(xiàn)了電壓放大。

四.放大電路靜態(tài)工作點設定的必要性

上面提到過放大電路在沒有信號輸入的時候工作在靜態(tài)。那么在靜態(tài)的時候，三極管是需要一定的工作電流的。換一個思路講，也就是說三極管即使沒有在工作，，需要一定的能量維持在放大狀態(tài)。一旦有信號輸入就立馬進行信號的放大輸出。定義幾個物理量來說明一下該怎樣計算電路靜態(tài)工作點?；鶚O電流Ibq,集電極電流Icq,c到e壓降Uceq也就是管壓降，b到e間電壓Ubeq,以上字母代表三極管靜態(tài)工作點。其中Ubeq前面說過約等于0.5V到0.7V，是一個已知量，真正計算的時候可以取等于0.6V。所以三極管靜態(tài)工作點根據(jù)圖一所示電路?？梢杂梢韵路匠踢M行計算：（q的意思是代表這個物理量就是靜態(tài)工作點）

Ibq=（VBB-Ubeq）/Rb

Icq＝β×Ibq

Uceq＝ VCC-Icq×Rc

四.放大電路組成的原則

1.必須根據(jù)所用放大管的類型提供直流電源，以便設置合適的靜態(tài)工作點。

2.電阻取值得當與電源配合，促使放大管有合適的靜態(tài)工作電流。

3.輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。對于晶體管輸入信號必須能夠改變基極與發(fā)射極的電壓，也就是說輸入信號能夠促使基極與發(fā)射極電壓在工作點附近上下變化。

五.兩種實用的共射放大電路。

圖二

在實際的放大電路中，為了防止干擾，常要求輸入信號，直流電源，輸出信號均有一端接在公共地，稱為共地。如圖2所示就是基極電源與集電極電源合二為一了。用電阻分壓來獲得合適的靜態(tài)工作點。圖2電路的連接方式我們稱為直接耦合，耦合的意思就是連接。下面會講到阻容耦合，就是在輸入端串接一個電容，輸出也串接一個電容。區(qū)分是直接耦合還是阻容耦合的方式，就看輸入、輸出有沒有電容就可以了。下面介紹公式來求這個電路的靜態(tài)工作點：

圖三

我相信大家在看到這組公式的時候，肯定有一些疑惑，下面就來重點分析一下。所謂靜態(tài)那就是沒有輸入的時候，那就直接把圖二輸入端給短路如下圖：

圖四

首先確定的是Rb1是必不可少的，如果沒有Rb1，由于輸入是直接短路的，那么三極管因為沒有b到e的開啟電壓就會截止不工作。電流從電源VCC出來經(jīng)過Rb2,此時出現(xiàn)分流，一部分進入三極管基極到發(fā)射極到地，一部分到Rb1到地，這樣求出總電流，減去流過Rb1的電流就是三極管的基極電流，這就是圖三第一個公式的解釋，后面兩個就不用說了前面都講過了。

但是這種放大電路有一個缺點，當輸入信號開始流入電路時要先經(jīng)過Rb1，才能到達三極管進行放大。這就造成了輸入信號在此電阻上的損耗，因此就減小了三極管基極跟發(fā)射極之間的信號電壓。前面說過信號加載到此會引起Ube在0.6V上下變化，信號有損耗了，變化也就小了，放大效果就不明顯了。其實從這里也可以看出來，三極管的放大作用就是小范圍的改變Ube間的電壓來達到效果的，有點四兩撥千斤的感覺。此電路還有一個缺點，在輸出端接入負載之后，負載上不僅有被放大的信號電壓，還會有從電源直接過來的直流電壓，這就導致了負載上會存在我們不需要的直流電流。通常這一個直流電流成分我們是需要去除的。所以有了以下改進電路，就是前面提到過的阻容耦合電路。就是把Rb1換成電容，在輸出端跟負載之間也接入一個電容。為什么要接入一個電容呢？因為電容有一個作用就是通交流隔直流，輸入端的信號可以通過電容進入放大電路，一般輸入信號是以交流形式存在的，輸出端被放大后的信號通過電容到達負載，從電源出來的支流成分就被電容阻擋在外。具體電路如下圖：

圖五

此電路靜態(tài)工作點的計算如下圖：

圖六

六.放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

在實際應用中，上述電路因為電源電壓的波動，元器件的老化以及外界溫度的影響，它的靜態(tài)工作點是會發(fā)生變化的，這就需要一種更為穩(wěn)定的電路結構形式。即使因為外界條件發(fā)生變化，靜態(tài)工作點也不會發(fā)生變化，保持穩(wěn)定。在上述因素當中，溫度因素尤為敏感，因為三極管為半導體，對溫度非常敏感，也就是說溫度的上升下降會影響他的靜態(tài)工作點。下圖就是典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路。

圖七

首先來解釋一下這個電路是怎樣工作的。

流過B點的電流計算公式：

I2＝I1+IBQ

為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，通常滿足以下條件。

I1＞＞IBQ（遠大于）

因此，可以近似的看成I2＝I1。

所以B點電壓如下公式計算：

UBQ＝Rb1/(Rb1+Rb2)×VCC

上述公式可以看出基極電位幾乎決定于Rb1和Rb2對電源的分壓，而與外界因素如溫度沒有關系了。

下面具體講一下穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理。

當溫度升高時，集電極電流Ic增大，發(fā)射極電流Ie肯定相對應的增大，所以發(fā)射極電阻Re上的電壓UE就增大。因為UBQ基本不變，根據(jù)公式UBQ=UB-UE，所以Ube肯定減小，這就導致基極電流Ib減小，相對應的集電極電流Ic也會減小。從而得到相對穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。

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