晶体管电路设计上12共射极放大电路 学习笔记.docx
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晶体管电路设计上12共射极放大电路学习笔记
输入信号不是直接被放大的
晶体管吸收输入信号的振幅信息,由电源重新产生输出信号。
晶体管电路的常数仅由Vbe=0.6v和欧姆定律就能全部求得。
双极晶体管是由基极流动的电流来控制集电极的电流
FET是由加在栅极上的电压来控制漏极–源极之间电流
共射极放大电路
基极输入
集电极输出
发射极公共地
电位相反:
Vi增加ic增加Rc压降增加Vc=VCC-Rc压降Vc减小.
求上电路图的直流电位
求交流电压放大倍数
交流电压放大倍数与晶体管的直流电流放大系数hFE无关(认为基极电流为0,所以与hFE无关,严格来说有关)
电路设计
1.确定电源电压
最大输出电压是重点.为了输出5v,要用5v以上的电源.
2.选择晶体管
考虑晶体管的最大额定值,因为电源电压15v,所以VcboVceo的最大额定值在15v以上
3.确定发射极电流的工作点
因为该设计没有详细的规定,Ie为最大额定电流以下(150ma),都可以.
这里取1ma
4.确定RcReRC:
RE=5:
1
Vbe约等于0.6v,然而它具有-2.5ma/C的温度特性,Vbe的变化导致Ve的变化,导致Ie变化。
为了使工作点(Ic)稳定,Re的直流压降必须在1v以上。
这里取Re的压降为2v
Re=Ve/Ie
=2v/1ma
=2k
Rc=5Re=10K
VCE=VC-VE=VCC-IC*RC-IE*RE
=15-10-2=3V
晶体管的集电极损耗PC(在集电极和发射极之间的损耗,变为热量):
Pc=VCE*IC=3mW
在规定值之下。
5.基极偏置电路设计
VE=2V
VBE=0.6V
VB=2.6V
基极电位是由R1,R2对电源分压到的,所以如果R2的压降是2.6v,那么r1的压降就四12.4v
在晶体管的基极流动电流为集电极电流的1/Hfe,假设Hfe=200,
那么基极电流为0.005ma
有必要在R1,r2上流过比基极电流大的多的电流,使基极电流能够忽略.
在这里取0.1ma(10倍以上就可以)
R1=12.4/0.1=124k
R2=26k
由于r1r2的值在E24系统数列的电阻中没有,那么取r1=100k,R2=22K注意比值不变.
6.确定耦合电容C1C2
C1C2将基极,集电极的直流电压截去,仅让交流成分进行输入输出.
C1与输入阻抗,C2与连接在输出端的负载电阻分别形成高通滤波器.
电路的交流输入阻抗,如果晶体管的输入阻抗无限大,则电源的阻抗在交流上与GND是相同的阻抗(0欧).?
?
?
所以输入阻抗为r1r2的并联.
C1形成的高通滤波器截至频率
C2形成的高通滤波器会因为不同的电阻负载发生变化.
7.确定去耦电容C3C4
去耦电容:
降低电源对GND的交流阻抗用的电容(旁路电容)
当没有这个电容时,严重时,电路发生震荡.
去耦电容的解释:
旁路电容不是理论概念,而是一个经常使用的实用方法,电子管或者晶体管是需要偏置的,就是决定工作点的直流供电条件。
例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压,为了在一个直流电源下工作,就在阴极对地串接一个电阻,利用板流形成阴极的对地正电位,而栅极直流接地,这种偏置技术叫做“自偏”,但是对(交流)信号而言,这同时又是一个负反馈,为了消除这个影响,就在这个电阻上并联一个足够大的点容,这就叫旁路电容。
去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:
一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。
数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。
这个电容的分布电感的典型值是5μH。
0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些。
每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右。
最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。
要使用钽电容或聚碳酸酯电容。
去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。
一般来说,容量为uf级的电容,象电解电容或钽电容,他的电感较大,谐振频率较小,对低频信号通过较好,而对高频信号,表现出较强的电感性,阻抗较大,同时,大电容还可以起到局部电荷池的作用,可以减少局部的干扰通过电源耦合出去;容量为0.001~0.1uf的电容,一般为陶瓷电容或云母电容,电感小,谐振频率高,对高频信号的阻抗较小,可以为高频干扰信号提供一条旁路,减少外界对该局部的耦合干扰
旁路是把前级或电源携带的高频杂波或信号滤除;去藕是为保正输出端的稳定输出(主要是针对器件的工作)而设的“小水塘”,在其他大电流工作时保证电源的波动范围不会影响该电路的工作;补充一点就是所谓的藕合:
是在前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的元件
有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。
去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。
从电路来说,总是存在驱动的源和被驱动的负载。
如果负载电容比较大,驱动电路要把电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作。
这就是耦合。
去耦电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。
旁路电容实际也是去耦合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。
高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10u或者更大,依据电路中分布参数,以及驱动电流的变化大小来确定。
如上图,可以在很宽的范围降低电源对GND的阻抗.
小容量的电容器是在高频情况下降低阻抗用的,如果不配置在电路临近,则电容器的引线增加,由于引线本身的阻抗,电源的阻抗不能降低.
放大电路的性能
1,输入阻抗
输入阻抗变低?
阻抗是一个比电阻大的概念.阻抗包括感抗\容抗\电阻,感抗是电感(线圈)对交流电的阻碍能力,容抗是电容对交流电的阻碍能力,电阻是导体对稳恒电流的阻碍能力,不同阻抗的材料组合起来可以控制电路的电流\相位\波形,从而实现控制.
输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。
在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。
你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。
输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。
对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。
因此,我们可以这样认为:
如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:
只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题。
另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题。
)
输出阻抗
阻抗是电路或设备对交流电流的阻力,输出阻抗是在出口处测得的阻抗。
阻抗越小,驱动更大负载的能力就越高。
何为阻抗
阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是相同的,而另一个抗字呢?
简单地说,阻抗就是电阻加电抗,所以才叫阻抗;周延一点地说,阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。
在直流电的世界中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。
电阻小的物质称作良导体,电阻很大的物质称作非导体,而最近在高科技领域中称的超导体,则是一种电阻值几近于零的东西。
但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗,意即抵抗电流的作用。
电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗,简称容抗及感抗。
它们的计量单位与电阻一样是欧姆,而其值的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。
此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此才会说:
阻抗是电阻与电抗在向量上的和。
阻抗匹配
信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。
一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。
对电子设备互连来说,例如信号源连放大器,前级连后级,只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上,就可认为阻抗匹配良好;对于放大器连接音箱来说,电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱,而晶体管放大器则无此限制,可以接任何阻抗的音箱。
匹配条件
①负载阻抗等于信源内阻抗,即它们的模与辐角分别相等,这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。
②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值,即它们的模相等而辐角之和为零。
这时在负载阻抗上可以得到最大功率。
这种匹配条件称为共轭匹配。
如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性,则两种匹配条件是等同的。
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。
当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份绝对值相等而符号相反。
这种匹配条件称为共扼匹配。
阻抗匹配(Impedancematching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。
史密夫图表上。
电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值,在图表上的点会沿着代表实数电阻的圆圈走动。
如果把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度,然后才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。
重覆以上方法直至电阻值变成1,即可直接把阻抗力变为零完成匹配。
共轭匹配
在信号源给定的情况下,输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比K,当两者相等,即K=1时,输出功率最大。
阻抗匹配的概念可以推广到交流电路,当负载阻抗与信号源阻抗共轭时,能够实现功率的最大传输,如果负载阻抗不满足共轭匹配的条件,就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭,实现阻抗匹配
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。
由于实际的电压源,总是有内阻的(请参看输出阻抗一问),我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。
假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:
I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。
负载R上的电压为:
Uo=IR=U×[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。
再来计算一下电阻R消耗的功率为:
P=I2×R=(U/(R+r))2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)
=U2×R/((R-r)2+4×R×r)
=U2/(((R-r)2/R)+4×r)
对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。
注意式中((R-r)2/R),当R=r时,(R-r)2/R可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。
即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。
对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。
当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共厄匹配。
在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:
因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。
从以上分析我们可以得出结论:
如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。
有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。
在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。
当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。
如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配(相等)时,在负载端就会产生反射。
为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。
传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。
例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。
另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线。
因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配。
实际中是如何解决这个问题的呢?
不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有两个大拇指那么大的)。
它里面其实就是一个传输线变压器,将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。
这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量。
为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配。
如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?
如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备。
如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。
当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?
第一,可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样。
第二,可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。
第三,可以考虑使用串联/并联电阻的办法。
一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。
而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。
为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:
假设你在练习拳击——打沙包。
如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包,你打上去会感觉很舒服。
但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力。
相反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。
另一个例子,不知道大家有没有过这样的经历:
就是看不清楼梯时上/下楼梯,当你以为还有楼梯时,就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。
当然,也许这样的例子不太恰当,但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。
晶体管频率特性
晶体管的电流放大系数与工作频率有关。
若晶体管超过了其工作频率范围,则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。
晶体管的频率特性参数主要包括特征频率fT和最高振荡频率fM等。
1、特征频率fT晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时,其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。
特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管,将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管,将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。
2、最高振荡频率fM最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常,高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα,而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。
提高放大倍数的手段
为了不破环直流电位关系,而又提高交流增益:
低通滤波电路
在集电极负载电阻上并联电容,频率越高,集电极的负载电阻就越小,电路的电压增益就降低。
高频增强电路
电路的增益并不是可以无限的增大,达到晶体管所能达到的最大值处就到头了。
并联谐振电路:
在谐振频率f0处,由外部看阻抗无限大,而在其他频率,阻抗就变小。
关于Hfe
交流电压信号被放大是个什么概念?
在一般的放大电路中,使基极-发射极二极管导通,使基极-集电极间的二极管截至,来设置晶体管各端的电位。
使基极-集电极间的二极管截至,Ic怎么得来?
Ib和ie的关系?