晶體管電壓放大電路的設計與制作1

wxhqyfpy 2015-01-05

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1．三極管

半導體三極管是一種具有電流放大作用的半導體器件，它是由兩個PN結組成的三層半導體器件。三層半導體可以排列成兩種不同的組合，分別稱為發射區、基區和集電區，從各區引出的電極分別稱為發射極(e)、集電極(c)和基極(b)，發射區與基區之間的PN結稱為發射結，基區和集電區之間的PN結稱為集電結。三極管的種類很多，根據材料可分為鍺三極管和硅三極管；根據PN結類型分為PNP和NPN型三極管；根據頻率可分為高頻管和低頻管；根據功率可分為大功率、中功率和小功率管。見圖8。

    三極管的基本功能是電流放大作用，要使三極管具有放大作用，必須滿足兩個條件；一是發射結正向偏置(硅三極管發射結正向偏置電壓UBE≈0．5～07V，鍺三極管發射結正向偏置電壓UBE≈0．1～0．3V)；二是其集電結應處于反向偏置狀態。

    在三極管處于放大狀態時，三個電極電流有如下關系：
    (1)IE=IC+IB
    (2)Ic比IB大得多，Ic/IB=β，其值近似為常數，稱為三極管電流放大系數。

    三極管工作時可分為三種工作狀態是指三極管工作在截止區、放大區和飽和區三個區域的狀態，分別稱為：截止狀態、放大狀態和飽和狀態。三個工作狀態的特點及參數之間的關系如表2所示。


    三極管是分立元件放大電路的核心元件，三極管在放大電路中有三種接法，又稱為三種組態，圖9是三極管在放大電路中的三種接法示意圖。

    所謂共射接法是指由三極管組成的兩輸入輸出端口電路中，發射極是輸入輸出端口的公共極；共集接法是指集電極是輸入輸出端口的公共極；共基接法是指基極是輸入輸出端口的公共極。在由電阻、電容、三極管組成的實際電路中，共射、共集、共基是對交流信號而言的，因此要把實際電路中的電容和直流電源視為短路，找出輸入輸出端口的公共極。

    在我們即將安裝的電路中，三極管1V1構成的放大電路是共集接法的放大電路；而1V2、1V3組成的放大電路是共射接法的放大電路。由于共集接法的放大電路的輸入電阻大、輸出電阻小，因此能有效地接收信號源的輸入信號，又有利于把輸出信號傳送給負載；而共集接法的放大電路的電壓放大倍數小于1而近似等于1，輸入、輸出信號相位一致，因此共集接法的放大電路又稱為電壓跟隨器或稱射極跟隨器，一般應用于多級放大電路的輸入級。共射放大電路具有很大的放大倍數，一般用作多級電壓放大電路的中間級或后級，以使放大電路具有足夠的電壓增益(電壓放大倍數)。

    2．電壓跟隨器1V1

    如圖10所示的電壓跟隨器。三極管1V1是電路的核心元件。1V1的型號是S9013H，通過查閱手冊知S9013H的主要參數如表3所示。我們在分析三極管放大電路時，可以將直流電源和交流信號的作用單獨分析，分別叫做放大電路的靜態分析和動態分析。

    (1)靜態工作點的計算

    在實際應用電路中，往往靜態工作點是可以調節的，這是為了滿足三極管

參數的離散性而設計的，通過其靜態工作點的調節，以使放大電路獲得最佳的工作性能(最大不失真狀態)。我們在進行電路分析時，VCC為13．5V，假設1RP1接入電路的阻值為300kΩ(假設)，由于實際流入三極管基極的電流很小，忽略該電流對基極電位的影響，由此可以計算出：

三極管靜態計算：

    (2)動態分析

    電路中電容．1C2隔直通交，實現了信號的耦合而使直流電源不影響信號源的工作。在分析電路的動態時，由于流過三極管基極的電流和發射極電流不是同一電流[IE=(1+β)IB]，所以不能簡單按照分壓分流關系計算有關參數。

    動態計算：

    通過理論計算得出，電壓跟隨器具有電壓放大倍數小于1而約等于1，輸入電阻大，輸出電阻小的特點。

    3．共射極放大電路

    由1V2、1V3組成放大電路都屬于共射極放大電路，下面主要討論1V3三極管組成的放大電路，見圖11。而1V2組成的放大電路與1V3組成的放大電路原理基本相同，所不同的是1V2和1V1兩級放大電路之間采用直接耦合方式，所以1V2的靜態工作點受到1V1的靜態工作點的控制(1V1的發射極電壓即1V2的基極電壓)。

    (1)靜態分析

    將電路中電容視為開路，即可得到放大電路的直流通路。電路中采用分壓式偏置設置其基極靜態工作點，并且在發射極由1R10和1R11串聯構成電流串聯負反饋，能夠穩定其靜態工作點。與共集電路類似，設1RP2接入電路的阻值為40kΩ，我們可以計算出放大電路的靜態工作點：

    通過計算可以看出。UB只與電源電壓Vcc和基極分壓電阻有關；IcQ的大小只與固定電壓和發射極所連接的反饋電阻有關，而與三極管的電流放大系數β值無關，因此在更換三極管時，不會改變原先已調好的靜態工作點。

    (2)動態分析

    分壓式共射極放大電路的動態參數可由下面的公式計算：

    通過計算可以看出，共射極放大電路的電壓放大倍數較大(-160)，式中的負號表示輸出信號相位和輸入信號相反；但輸入電阻較共集電路小，而輸出電阻較共集電路大。


    4．負反饋

    為了改善放大器的性能，放大電路中通過一個網絡將輸出信號(電壓或電流)的一部分或全部反方向送回到放大器的輸入回路，并與輸入信號合成，構成反饋。電路中1C9、1R12和1R6等元件組成的支路即構成了電壓串聯交流負反饋。

    為了分析的方便，我們可以把該電路的反饋過程用圖12表示。

    由于反饋取自于輸出電壓，并與之成正比，所以該反饋類型從取樣方式來說屬于電壓反饋。從反饋信號和輸入信號的連接方式來分析，該電路屬于串聯反饋，另外，反饋信號的加入，會使放大器實際輸入的信號(凈輸入信號)減小，而且反饋電路由于電容1C9的串入。只會在交流信號時起到反饋作用。因此，這種反饋的全稱為“電壓串聯交流負反饋”。電路引入電壓串聯負反饋，能夠改善放大器的性能，關于這一點，我們將在后面的調試中予以討論。