晶体三极管放大的简单原理Word文件下载.docx
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Ic不是由三极管产生的,是由电源VCC在Ib的控制下提供的,所以说三极管起着能量转换作用。
图1
对三极管放大作用的理解,切记一点:
能量不会无缘无故的产生,所以,三极管一定不会产生能量。
但三极管厉害的地方在于:
它可以通过小电流去控制大电流。
放大的原理就在于:
通过小的交流输入,控制大的静态直流。
假设三极管是个大坝,这个大坝奇怪的地方是,有两个阀门,一个大阀门,一个小阀门。
小阀门可以用人力打开,大阀门很重,人力是打不开的,只能通过小阀门的水力打开。
所以,平常的工作流程便是,每当放水的时候,人们就打开小阀门,很小的水流涓涓流出,这涓涓细流冲击大阀门的开关,大阀门随之打开,汹涌的江水滔滔流下。
如果不停地改变小阀门开启的大小,那么大阀门也相应地不停改变,假若能严格地按比例改变,那么,完美的控制就完成了。
在这里,Ube就是小水流,Uce就是大水流,人就是输入信号。
当然,如果把水流比为电流的话,会更确切,因为三极管毕竟是一个电流控制元件。
如果某一天,天气很旱,江水没有了,也就是大的水流那边是空的。
管理员这时候打开了小阀门,尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门,并使之开启,但因为没有水流的存在,所以,并没有水流出来。
这就是三极管中的截止区。
饱和区是一样的,因为此时江水达到了很大很大的程度,管理员开的阀门大小已经没用了。
如果不开阀门江水就自己冲开了,这就是二极管的击穿。
在模拟电路中,一般阀门是半开的,通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。
没有信号的时候,水流也会流,所以,不工作的时候,也会有功耗。
而在数字电路中,阀门则处于开或是关两个状态。
当不工作的时候,阀门是完全关闭的,没有功耗。
单纯从“放大”的角度来看,我们希望β值越大越好。
可是,三极管接成共发射极放大电路(图2)时,从管子的集电极c到发射极e总会产生一有害的漏电流,称为穿透电流Iceo,它的大小与β值近似成正比,β值越大,Iceo就越大。
Iceo这种寄生电流不受Ib控制,却成为集电极电流Ic的一部分,Ic=βIb+Iceo。
值得注意的是,Iceo跟温度有密切的关系,温度升高,Iceo急剧变大,破坏了放大电路工作的稳定性。
所以,选择三极管时,并不是β越大越好,一般取硅管β为40~150,锗管取40~80。
图2
在常温下,锗管的穿透电流比较大,一般由几十微安到几百微安,硅管的穿透电流就比较小,一般只有零点几微安到几微安。
Iceo虽然不大,却与温度有着密切的关系,它们遵循着所谓的“加倍规则”,这就是温度每升高10℃,Iceo约增大一倍。
例如,某锗管在常温20℃时,Iceo为20μA,在使用中管芯温度上升到50℃,Iceo就增大到160μA左右。
测量Iceo的电路很简单(图3),三极管的基极开路,在集电极与发射极之间接入电源VCC(6V),串联在电路中的电流表(可用万用表中的0.1mA挡)所指示的电流值就是Iceo。
图3
如图4,假设三极管的β=100,RP=200K,此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βIb=2mA
当RP=0时,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βIb=2mA。
以上两种状态都符合Ic=βIb,我们说,三极管处于"
放大区"
。
假设RP=0,Rb=1k,此时,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βIb计算,Ic应等于600mA,而实际上,由于图中300欧姆限流电阻(Rc)的存在,实际上Ic=(6v/300)≈20mA,此时,Ic≠βIb,而且,Ic不再受Ib控制,即处于"
饱和区"
,当RP和Rb大到一定程度,使Ube<
死区电压(硅管约0.5V,锗管约0.3)此时be结处于不导通状态,Ib=0,则Ic=0,处于"
截止区"
图4
掌握三极管放大电路计算的一些技巧
放大电路的核心元件是三极管,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,最后一项较为重要。
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因,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,第一条件是要求要稳定,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?
电阻就象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电流达到了最大值,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。
理解静态工作点的设置目的和方法
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最大理论上能达到等于VCC,则Uce最小会达到0V,这是说,在输入信增加时,Uce最大变化是从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最大变化是从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?
这就是的手段了。
这里要先知道几个东西,第一个是我们常说的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=20μA,则R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20μA=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=20μA,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IR1=200μA。
则R1=11.1V/200μA≈56KΩ,R2=0.9V(/200-20)μA=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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