如何设计三极管的直流工作点？

2023-2-9 15:01:14 975 三极管放大电路放大器偏置电压

0 在进行真正的设计之前，我们要对三极管有一个更深的认识，在第八贴里我们了解了三极管的一些参数，也知道了这些参数对于我们在设计中对三极管的选用具有的意义。但是这些知识只是一些大而化之的数据。为了能更好的设计电路，我们有必要深入的了解当把一个三极管接入电路中，它到底会有哪些表现，应当利用它的哪些特性，应当避开它的哪些缺点。我们知道，在放大电路中使用三极管是为了使用它的放大作用，而三极管的放大作用实际上是用基极电流控制集电极电流，基极电流发生变化，集电极电流会等比例的在更大电流的基础上变化。如果我们用一张图来表示的话就是这样的：在这张图里，我们可以看到，当基极电流在由20uA到40uA时，发生了20uA的变化，而集电极电流从1mA变成了2mA，发生了1mA的变化，以此类推，基极电流由20uA变到60uA时发生了40uA的变化，集电极电流相应的发生了2mA的变化。也就是说在这张图中，基极的电流变化会引起集电极电流的等比例变化。而在上一贴中，我们看到了9014的手册说明，在第二页有四张曲线图，其中第一张图将会对我们会有很大的帮助，现在我们来研究一下：与上一张理想三极管相比，是不是有了些变化？这张图是9014的静态特性曲线。横轴是Vce，注意，不是Vceo（集电极发射极反向击穿电压），这个Vce是三极管在电路中时的静态电压（无信号输入时的直流电压）。纵轴是Ic，注意：不是Icm（最大集电极电流）而是三极管在电路中时的静态集电极电流（无信号时的集电极电流）。与第一张图不同的是，在这个位置时，基极电流Ib的曲线拐了个弯，几乎都重合在了一起，大家可以仔细观察Ic的10mA，20mA，30mA的位置，体现的尤其明显。这一段的曲线说明了什么呢？以集电极电流10mA，Vce在很小大约低于1V的位置为例，当基极电流分别是40uA，60uA，80uA，100uA，120uA时，集电极电流在这个位置几乎没有变化都是10mA左右。我们回忆一下前面所讲的三极管的工作原理：三极管是用基极电流控制集电极电流来实现放大的。可是在这个位置时，当基极电流发生变化时，而集电极电流却没有相对应等比例的发生变化，也就是说当三极管的工作状态处于这个位置时，它失去了放大作用。这个区域我们称之为饱和区。顾名思义就是说在这个地方，三极管的集电极电流已经饱和了，不会再有什么变化了。在这个区域靠右一些的地方，曲线开始逐渐拉开距离。而且让人兴奋的是它们之间的距离看上去是一样的。这说明了什么呢？在这个区域里，三极管的集电极电流开始随着基极电流的变化做等比例的变化，也就是说集电极电流已经被基极电流控制住了。大家可以按图中的数据计算一下看看是不是这样。当然想要完全一致的变化肯定不可能，三极管并不是一个理想的线性器件。这个区域我们称其为线性区（放大区），要想做一个放大器，就是要让三极管工作在这个区域里就可以了。大家再注意一下160uA和没有标注数值的那两条线，从那里开始，线与线之间的距离又变得不是那么相等了，换句专业的话来说叫“线性度降低”，我们可以估测一下基极电流增大到160uA以上时的曲线变化趋势，是不是变的越来越直，直到重合？也就是说当基极电流大到一定程度上时，三极管将退出线性区逐渐进入饱和区，在这么大的基极电流下，三极管将没有线性可言。而且此时的Vce也变得很小，Ic会变的很大，就好象是一个开关。我们再看那个图的下方，当基极电流从20uA变的越来越小直到零时，会发生什么？基极电流变小，集电极电流也随着变小，但不可能无穷小下去，这个20ua我们可以看做是一个分界线，当基极电流小于20uA时，集电极电流消失了。我们把这个区域叫做截止区，表示三极管已经关断，不再通过电流。当然，实际上还是有极微弱的电流，我们叫它Iceo（穿透电流），对于硅管来说一般是几个到几十个nA，完全可以忽略不计。好了，现在我们已经对三极管的三个工作区域有所了解，分别是饱和区、放大区、截止区，而且我们也已经得出了结论：要想让三极管能够放大就要想办法让他工作在放大区内。那么只要把三极管焊在电路上，给基极接上信号，它就自动找到放大区到那里去工作了吗？在上面的图上我们把放大区标注一下，然后分析分析让三极管工作在放大区需要什么条件：相信大家都注意到了，放大区的位置是在整个曲线图的中部，首先Vce的取值范围在1V到40V之间，Ic的范围在1mA到80mA之间（下面Ic较小的地方因为该图的比例较大，不明显），当然还要有适当的Ib。三极管工作在这个范围内时，是有放大作用的。所以，如果单独一个三极管给它接上电，输入信号并不能保证它可以放大，必须要提前给它设计一个工作条件，让它一开始就处在放大区内，这个工作条件我们叫它“静态工作点”。在这里要说明一下的是，当放大电路没有信号输入时，我们称之为“静态”，当有信号输入时，电路中各点的电压和电流将会随信号的变化而变化，我们称之为“动态”。那么，一个放大器为什么要有动态和静态之分呢？就好象一辆汽车发动机也启动了，预热也做好了，停在路边上，人只要一上车马上就可以出发。对于放大电路来说，启动发动机做好预热就相当于设计一个好的静态工作点。静态准备的越充分考虑的越周到，那么就能在更大范围内适应动态工作的要求。下面，我们就来看一看如何给放大电路设计静态工作点。在这里有一个很重要的参数须要大家记住：三极管在工作在线性放大状态时，它的基极-发射极电压Vbe约等于0.6V。喜欢问为什么的朋友可以去看三极管的基本原理，这里不多说了，只要大家记住就可以，但千万不要忘了前提条件：线性放大状态，这个定义只在这里适用。以后，我们使用这个固定的Vbe设计电路，可以省去大段的微分计算，只用欧姆定律就可以解决大部分的问题了。当然，准确性是差一些，但放大区的面积很大，稍稍的偏一些对简单设计来说也并不是一个很严重的问题。下面又是图了。这是一张裸图，所有的元件都没有标记参数，我们要做的是把参数算好，然后标注上。不要问我为什么图是这样的，我只能告诉大家，对于单级共射极放大器来说，所有的可能无非是那几种“固定偏置、分压偏置、带电压负反馈的偏置、带电流负反馈的偏置”。至于具体的接法，请大家自己去网上找或者看电路图总结，也算是一个加深印象的办法。这也是大家必须要熟悉并应用的东西。我们选的这个电路是带电流负反馈的分压偏置电路，大家以后一看到“负反馈”三个字，应该建立起一个条件反射，反射对象就是“稳定”，看到“电流负反馈”就要条件反射到“稳定电流”，其它同理。让我们继续，这个电路图已经确定了，现在已知条件是Vbe约等于0.6V，电源电压15V，小信号放大，要求输出5Vp-p，还有我们前几贴所学的好多知识，然后…….就没有然后了。第一步做什么呢？看似无从着手，其实非常简单，我们回忆一下三极管是一种什么样的器件？“流控流型”不是吗？既然是基极电流控制集电极电流，那我们就从电流入手。基极电流还是集电极电流呢？我们知道一般基极电流都很小在零点零几毫安到零点几毫安之间，看到这么多零就烦透了，还是从集电极电流开始吧！我们又知道集电极电流加上基极电流等于发射极电流，而且当ß值很大时，基极电流可以忽略，而我们现在所常的小功率三极管恰好ß值很大，所以我们把基极电流忽略，认为Ic=Ie。现在需要我们给Ic指定一个值，没错，就是指定一个，范围从1mA到80mA，如果你认真看了前面的内容就知道为什么指定这个数值范围了。下面要用到经验了，对于小信号小电流的放大器，它们的直流工作点一般取在1-10mA之间，太小了，有可能出线性区，太大了又怪费电还有可能超出三极管的功耗而损坏。这里我们指定为2mA（与书上不同哦），当然，如果你不嫌计算麻烦也可以取类似于1.3，2.7这样的数字。好了集电极电流2mA确定。下面要确定Vc，也就是集电极电压，这个电压我们在设计时一般取电源的中点，也就是15V的一半，以保证在有信号时集电极的电压有充足的动态空间，我们这里取Vc取7V。VC确定了，Ic确定了，这时Rc也就能确定了。（Vcc-Vc）/Ic=（15-7）/2=4KΩ。因为是一个5倍的放大器，Rc与Re有Rc=5Re的关系，所以Re=4K/5=0.8K。验算一下，Ve等于0.8K乘以2mA得1.6V，Vce=Vc-Ve=8V-1.6V=6.3V，在Vce取值范围1-40V内，在线性放大区内找到Vce是6.3V的位置垂直画条线看看，嗯，不错，线性度很好。再看下功耗，VceXIc=6.3VX2mA=12.6mW，远小于最大功耗，完全可以。因为Vbe等于0.6V，所以基极电压Vb=Ve+Vbe=1.6+0.6=2.2V。这个2.2V需要由R1，R2分压得来。现在继续，现在假设我们的三极管ß值是200，则根据Ic=ßIb可得，Ib=2mA/200=0.01mA。现在开始又是经验了，我们一般要使R1R2上流过的电流远大于基极电流Ib，大的越多，基极电流就越稳定，至于原因么，当由于温度变化时Ib也会发生变化，这时当Ib远远小于R1R2上流过的电流与基本等于甚至大于R1R2上的电流时，Ub会发生什么变化。在这里我们一般将R1和R2上流过的电流取10到20倍于Ib，这里我们取20倍，0.01mAX20=0.2mA。那么R1=（Vcc-Vb）/0.2mA=（15-2.2）/0.2=64K，（这里我们又把Ib忽略了）。同理R2=Vb/0.2=2.26/0.2=11.3K，这个数太零碎了，干脆取11K，当然12K也可以。好了，这个图我们就填完了，最后的计算结果就是： R1：64K R2：11K Rc：4K Re：0.8K。只有四个电阻，我们讲了这么多，希望大家能明白。至于余下那几个电容，就凭经验值好了，C1、C2：10uF，退耦：一般100uF和104（100nF）。原作者：征途中的人硬件三人行 0
2023-2-9 15:01:14　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 怎么提高三极管直流工作点的稳定性？ 3427 • 三极管的静态工作点分析 3819 • 静态工作点对三极管输出波形的影响 8304 • 三极管_4.4静态工作点的稳定问题 10 • 三极管静态工作点的计算 24 • 三极管的工作原理是什么 3517 • 三极管是什么？它是如何工作的？ 986 • 三极管的工作原理三极管的放大作用 1012 • 三极管的工作原理及作用三极管放大电路原理详解 18908 • 真空三极管如何工作的？浅谈真空三极管的由来 3121