晶体三极管放大的简单原理.docx

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晶体三极管放大的简单原理

晶体三极管放大的简单原理

三极管自身并不能把小电流变成大电流，它仅仅起着一种控制作用，控制着电路里的电源，按确定的比例向三极管提供Ib、Ic和Ie这三个电流。

为了容易理解，我们还是用水流比喻电流（见图1）。

这是粗、细两根水管，粗的管子内装有闸门，这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。

如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭。

注入细管子中的水量越大，闸门就开得越大，相应地流过粗管子的水就越多，这就体现出“以小控制大，以弱控制强”的道理。

由图可见，细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。

三极管的基极b、集电极c和发射极e就对应着图4中的细管、粗管和粗细交汇的管子。

电路见图5，若给三极管外加一定的电压，就会产生电流Ib、Ic和Ie。

调节电位器RP改变基极电流Ib，Ic也随之变化。

由于Ic＝βIb，所以很小的Ib控制着比它大β倍的Ic。

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。