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[经验]

最常见的放大器(NPN晶体管)和公共发射极放大器电路

2020-11-2 09:25:24  500 放大器 电源 电流
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所有类型的晶体管放大器都使用交流信号输入进行操作,交流信号输入在正值和负值之间交替,因此需要某种“预设”放大器电路以使其在这两个最大值或峰值之间工作的方式。这是使用称为“偏移”的过程来实现的。偏置在放大器设计中非常重要,因为它建立了准备好接收信号的晶体管放大器的正确工作点,从而减少了输出信号的任何失真。我们还看到,可以在这些输出特性曲线上绘制静态或直流负载线,以显示晶体管从完全“接通”到完全“断开”的所有可能工作点,以及静态工作点或Q点可以找到放大器的。

任何小型信号放大器的目的都是以对输出信号尽可能小的失真来放大所有输入信号,换句话说,输出信号必须是输入信号的精确再现,而只能是较大的(放大的)信号。
为了在用作放大器时获得低失真,需要正确选择工作静态点。实际上,这是放大器的DC工作点,其位置可以通过合适的偏置装置在沿着负载线的任何点建立。
此Q点的最佳可能位置尽可能合理地接近负载线的中心位置,从而产生A类放大器操作,即。Vce = 1 / 2Vcc。考虑如下所示的公共发射极放大器电路。
通用发射极放大电路
上面所示的单级共发射极放大器电路使用了通常所说的“分压器偏置”。这种类型的偏置装置使用两个电阻作为电源两端的分压器网络,它们的中心点向晶体管提供所需的基极偏置电压。分压器偏置通常用于双极晶体管放大器电路的设计中。
这种将晶体管偏置的方法通过将基极偏置保持在恒定的稳定电压电平,从而最大程度地降低了稳定性,从而大大降低了变化的Beta(β)的影响。静态基极电压(Vb)由两个电阻R1,R2和电源电压Vcc形成的分压网络确定,如图所示,电流流过两个电阻。
然后,如果电流为i = Vcc / R T,则总电阻R T将等于R1 + R2。在电阻器R1和R2的结点处产生的电压电平将基本电压(Vb)保持恒定在低于电源电压的值。
然后,在公共发射极放大器电路中使用的分压器网络将电源电压与电阻成比例地分配。可以使用以下简单的分压器公式轻松计算该偏置参考电压:
晶体管偏置电压
相同的电源电压(Vcc)还可确定晶体管完全“接通”(饱和)时的最大集电极电流Ic,即Vce = 0。晶体管的基极电流Ib可从晶体管的集电极电流Ic和直流电流增益Beta,β中找到。
Beta值
Beta有时称为h FE,它是公共发射极配置中晶体管的正向电流增益。Beta没有单位,因为它是两个电流Ic和Ib的固定比率,因此基极电流的小变化将导致集电极电流的大变化。
关于Beta的最后一点。相同类型和部件号的晶体管的Beta值会有很大的差异。例如,BC107 NPN双极型晶体管的直流电流增益Beta值介于110和450之间(数据表值)。因此,一个BC107的Beta值可能为110,而另一个BC107的Beta值可能为450,但它们都是BC107 npn晶体管。这是因为Beta是晶体管结构的特征,而不是其操作的特征。
由于基极/发射极结是正向偏置的,发射极电压Ve将是一个与基极电压不同的结电压降。如果知道发射极电阻两端的电压,则可以使用欧姆定律轻松计算发射极电流Ie。集电极电流Ic可以近似,因为它的值与发射极电流几乎相同。
通用发射极放大器示例No1普通的发射极放大器电路的负载电阻R L为1.2kΩ,电源电压为12v。假设Vce = 0,则在晶体管完全“接通”(饱和)时,计算流过负载电阻的最大集电极电流(Ic)。如果发射极电阻两端的电压降为1v,还可以找到发射极电阻R E的值。假设使用标准NPN硅晶体管,则计算所有其他电路电阻的值。
然后在特性曲线的集电极电流垂直轴上建立点“ A”,并在Vce = 0时出现。当晶体管完全“关断”时,由于没有电流流过它们,因此它们在电阻R E或R L上都没有压降。然后,晶体管两端的电压降Vce等于电源电压Vcc。这将在特性曲线的水平轴上建立点“ B”。
通常,放大器的静态Q点将零输入信号施加到基极,因此集电极沿负载线位于零伏和电源电压(Vcc / 2)之间约一半。因此,放大器Q点的集电极电流为:
该静态直流负载线产生一条直线方程,其斜率给出为:-1 /(R L + R E),并且它在等于Vcc /(R L + R E)的点处与垂直Ic轴交叉。直流负载线上Q点的实际位置由Ib的平均值确定。
如果我们假设晶体管的Beta(β)值为100,则晶体管的集电极电流Ic也等于晶体管的DC增益(Beta)乘以基极电流(β* Ib)。100是低功率信号晶体管的合理平均值)流入晶体管的基极电流Ib为:
代替使用单独的基准偏置电源,通常是通过降压电阻R1从主电源轨(Vcc)提供基准偏置电压。现在可以选择电阻R1和R2,以提供合适的静态基极电流45.8μA或46μA,四舍五入到最接近的整数。流过分压器电路的电流必须比实际的基本电流Ib大,以使分压器网络不会受到基本电流的负载。
一般的经验法则是流过电阻器R2的Ib至少为10倍。晶体管基极/发射极电压Vbe固定在0.7V(硅晶体管),则R2的值如下:
如果流过电阻器R2的电流是基本电流值的10倍,那么流过分压器网络中电阻器R1的电流必须是基本电流值的11倍。即:I R2  + Ib。
因此,电阻R1两端的电压等于Vcc – 1.7v(对于硅晶体管为V RE + 0.7),等于10.3V,因此R1可计算为:
发射电阻R E的值可以使用欧姆定律轻松计算。流经R E的电流是基极电流Ib和集电极电流Ic的组合,并表示为:
电阻R E连接在晶体管Emitter的端子和地之间,我们之前说过它两端有1伏的压降。因此,发射极电阻R E的值计算如下:
因此,对于上面的示例,为提供5%的容差(E24)而选择的电阻的首选值为:
然后,我们上面的原始公共发射极放大器电路可以重写为包括我们上面刚刚计算的组件的值。
完成公共发射极电路
放大器合电容/" target="_blank" class="relatedlink">耦合电容器公共发射极放大器电路中,电容器C1和C2用作耦合电容器,以将AC信号与DC偏置电压分开。这样可确保为电路正确运行设置的偏置条件不受任何其他放大器级的影响,因为电容器将仅传递交流信号并阻塞任何直流分量。然后,将输出的交流信号叠加到后续级的偏置上。发射极臂电路中还包括一个旁路电容C E。
该电容器实际上是直流偏置条件下的开路组件,这意味着偏置电流和电压不受保持良好Q点稳定性的电容器的影响。
但是,由于其电抗,该并联的旁路电容器在高频信号下实际上成为发射极电阻的短路。因此,当晶体管负载使电压增益增加到最大时,只有R L加上很小的内部电阻。通常,选择旁路电容器C E的值以在最低工作信号频率下提供最大为R E值的1/10的电抗。
输出特性曲线好的,到目前为止很好。现在,我们可以构建一系列曲线,以简单的公共发射极放大器电路为基础,用不同的基极电流Ib值显示集电极电流Ic与集电极/发射极电压Vce的关系。
这些曲线称为“输出特性曲线”,用于显示晶体管如何在其动态范围内工作。静态或直流负载线被绘制到的负载电阻的曲线RL的1.2KΩ来显示所有的晶体管可能的工作点。
当晶体管“ OFF”时,Vce等于电源电压Vcc,这就是线上的点“ B”。同样,当晶体管完全“导通”并饱和时,集电极电流由负载电阻R L确定,这是线路上的“ A”点。
我们从晶体管的直流增益算出,晶体管平均位置所需的基极电流为45.8μA,并在负载线上标记为Q点,代表放大器的静态点Q点。我们可以很轻松地使自己的生活变得轻松,并将此值精确地舍入为50μA,而对工作点没有任何影响。
输出特性曲线
负载线上的点Q为我们提供的基本电流Q点Ib =45.8μA或46μA。我们需要找到基极电流的最大和最小峰值摆幅,这将导致集电极电流Ic成比例变化,而输出信号不发生任何失真。
当负载线切穿直流特性曲线上不同的基本电流值时,我们可以发现基本电流的峰值摆幅沿负载线均匀分布。这些值在线路上标记为“ N”和“ M”点,分别给出最小和最大基极电流分别为20μA和80μA。
这些点“ N”和“ M”可以在我们选择的负载线上的任意位置,只要它们与Q的距离相等即可。然后,这为我们提供了到基础端子的理论最大输入信号,峰峰值为60μA ,(峰值为30μA),而不会对输出信号产生任何失真。
任何提供基极电流大于此值的输入信号,将驱动晶体管超过点“ N”并进入其“截止”区域或点“ M”并超过其饱和区域,从而导致输出信号失真以“剪辑”的形式。
以“ N”和“ M”为例,可以从负载线投影集电极电流的瞬时值和集电极-发射极电压的相应值。可以看出,集电极-发射极电压与集电极电流呈反相(–180 o)。
随着基极电流Ib从50μA变为80μA的正向变化,集电极-发射极电压即输出电压也从其5.8伏的稳态值减小到2.0伏。
然后,单级共发射极放大器也就是“反相放大器”,因为基极电压的升高会导致Vout降低,而基极电压的降低会导致Vout升高。换句话说,输出信号与输入信号异相180 o。
共发射极电压增益共射极放大器的电压增益等于输入电压的变化与放大器输出电压的变化之比。然后ΔV大号是Vout的和ΔV乙是Vin的。但是电压增益也等于集电极中的信号电阻与发射极中的信号电阻之比,并表示为:
前面我们提到,随着信号频率增加旁路电容器,C E由于其电抗而开始使发射极电阻短路。然后在高频R E  = 0时,增益无限大。

但是,双极型晶体管在其发射极区域(称为R e)中内置有较小的内部电阻。晶体管半导体材料为通过它的电流提供内部电阻,并且通常由主晶体管符号内显示的小电阻器符号表示。
晶体管数据手册告诉我们,对于小信号双极晶体管,此内部电阻是25mV÷Ie(25mV是发射极结层上的内部电压降)的乘积,那么对于我们的常见发射极放大器电路而言,高于此电阻值将等于至:
该内部发射极支路电阻将与外部发射极电阻R E串联,然后将修改晶体管实际增益的公式以包括该内部电阻,因此将为:
在低频信号下,发射极分支中的总电阻等于R E  + R e。在高频下,旁路电容器会使发射极电阻短路,从而仅在发射极分支中留下内部电阻R e,从而获得高增益。然后,对于上面的普通发射极放大器电路,在低信号频率和高信号频率下的电路增益为:
低频增益
高频增益
最后一点,电压增益是仅依赖于集电极电阻,值[RL和发射极电阻,(r E  + R e)它不受由电流增益贝塔,β(h FE晶体管) 。
因此,对于上面的简单示例,我们现在可以总结一下为公共发射极放大器电路计算出的所有值,它们是:
最低要求意思最大
基本电流20微安50微安80微安
集电极电流2.0毫安4.8毫安7.7毫安
输出电压摆幅2.0伏5.8伏9.3伏
放大器增益-5.32 -218
通用发射极放大器摘要然后总结一下。在共发射极放大器电路具有其集电极电路中的电阻。流过该电阻的电流产生放大器的电压输出。选择该电阻的值,以便在放大器的静态工作点Q点,该输出电压位于晶体管负载线的一半。
公共发射极放大器中使用的晶体管的基极使用两个电阻作为分压器网络偏置。这种偏置装置通常用于双极晶体管放大器电路的设计中,并且通过将基极偏置保持在恒定的稳定电压下,大大减小了变化的Beta(β)的影响。这种偏压产生最大的稳定性。
电阻器可以被包括在发射器腿在这种情况下的电压增益变为-RL/ R e。如果没有外部发射极电阻,则放大器的电压增益不会无限大,因为在发射极引脚中的内部电阻R e非常小。此内部电阻的值等于25mV的/ I e

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王栋春 2020-11-2 22:13:06
模电基础知识 复习一下
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龙南山 2020-11-20 09:22:39
资料不错  非常有借鉴价值,感谢分享
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