單管三極管放大電路設(shè)計(jì)(二)

Word單管三極管放大電路設(shè)計(jì)(二)本篇文章將介紹一下如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有真正實(shí)用意義的單管三極管放大電路。電路上的每一個(gè)元件將會一一地進(jìn)行介紹具體是什么作用，爭取做到保姆級別的（教程）。主電路引用上一篇文章的圖片:

圖一

一.首先大題講一下電路當(dāng)中每一個(gè)元件的作用：（詳細(xì)會在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中講到）

1.電阻RB2和電阻RB1是確定三極管基極到發(fā)射極電壓的，也就是說是確定UBE這個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)的，這個(gè)比較好理解，就是單純的利用兩個(gè)電阻的分壓來確定。

2.電阻RC和電阻RE是確定此電路放大倍數(shù)的，同時(shí)RE上一篇文章也講過，起到穩(wěn)定整個(gè)電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。

3.兩個(gè)（電容）這里就不用多說了吧，上一篇文章也講得很清楚了，原理也非常簡單。就是利用電容通交隔直的原理。

4.圖片中還有一個(gè)電容CE，簡單說一下，是用來提高整個(gè)電路放大倍數(shù)的。這個(gè)電容在以下設(shè)計(jì)過程當(dāng)中會講解得更清楚。

二.設(shè)計(jì)所用到的公式：

所用到的公式，我在紙上手寫拍照上傳。字寫得不好，不要嘲笑哈

圖二

三.知識點(diǎn)補(bǔ)充：

圖三

A為集電極被放大后的（信號）

B為基極輸入信號

C為發(fā)射極測得的信號

這是我用（電腦）（仿真）的波形，可以看出，BC兩組信號是同相關(guān)系，跟A信號是反相關(guān)系。

1.集電極輸出的信號跟基極輸入的信號是反相關(guān)系。

2.基極跟發(fā)射極信號是同相關(guān)系。

3.集電極跟發(fā)射極信號是反相關(guān)系。

上述三點(diǎn)很重要，分析電路會用得到。上述三點(diǎn)會在下文確定（電源）電壓部分詳解。

集電極輸出的信號是基極輸入后被放大的信號，發(fā)射極測得的信號是跟基極一摸一樣的信號沒有進(jìn)行放大，所以放大只發(fā)生在集電極處。但是發(fā)射極信號C比基極信號B的電位看上去低那么一點(diǎn)，這是因?yàn)閁BE導(dǎo)通后=0.6V原因，發(fā)射極電位比基極電位低0.6V，所以圖中所看到低的那部分正是UBE的導(dǎo)通電壓。

四.設(shè)計(jì)過程：

1.首先選擇合適的三極管：

三極管有NPN和PNP兩種類型，這兩種到底選擇哪一種，就看個(gè)人的愛好了。PNP與NPN三極管區(qū)別就是在電路當(dāng)中電流方向相反，也就是說若果使用PNP三極管就需要把電源正負(fù)對調(diào)一下。

要確定所選三極管的最大額定值比如，C到E最大允許電壓，集電極最大允許（電流）等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求理論計(jì)算下是否在規(guī)格書范圍之內(nèi)。下圖是一張三極管8050的真實(shí)圖片和規(guī)格書，本文章選擇8050為放大管，與之類似的還有9014，5401等型號小功率三極管，都可以選用。

圖四

圖五

現(xiàn)在好多元器件規(guī)格介紹都是英文，這是一件讓人頭疼的一件事情。尤其是對于英語不好的人來說，比如我。。。。。。從規(guī)格書中可以看出此三極管集電極跟發(fā)射極間電壓為20V，完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。圖中有一個(gè)參數(shù)為Hfe字樣的代表此三極管的放大倍數(shù)，也就是我們所說公式中的β，可以看出有一個(gè)最小值跟最大值，是在不同條件下所測得的結(jié)果，也可以看出三極管在不同電流電壓工作環(huán)境下，他的最大放大倍數(shù)是受影響的?，F(xiàn)在這種小功率三極管的放大倍數(shù)一般都很高，幾百倍左右，對大部分設(shè)計(jì)來講是性能過剩的。此值表示這個(gè)三極管所能達(dá)到的最大放大倍數(shù)，在此范圍內(nèi)內(nèi)可以通過電阻組合任意設(shè)置想要的放大倍數(shù)。本文設(shè)計(jì)的電路只有5倍放大，與他的極限相比不值一提。

2.首先確定我們要做的這個(gè)電路放大多少倍：

具體放大多少倍是要根據(jù)電路的設(shè)計(jì)情況具體而定的，比如（電子工程師）們在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，需要對某個(gè)信號放大多少倍，這個(gè)時(shí)候就有了一種特定的需求了，簡單來說就是有了設(shè)計(jì)的方向了。顯然我們沒有一些其他的要求，所以說我們就先規(guī)定這個(gè)電路按放大5倍來設(shè)計(jì)。當(dāng)然10倍也好，20倍也好這都無所謂，自己在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候也都可以嘗試一下。在此先按5倍來算。放大倍數(shù)AV按照此公式來計(jì)算：

AV＝RC/RE

此公式就是共射放大電路的放大倍數(shù)計(jì)算公式，只要電路結(jié)構(gòu)是圖1的結(jié)構(gòu)，就可以用這個(gè)公式來進(jìn)行計(jì)算。

這個(gè)公式是在一些書籍（資料）當(dāng)中們反復(fù)推理計(jì)算的最終結(jié)果。所以我們直接拿來用就好，推理過程我們就不去講了。這里的放大倍數(shù)指的是交流放大倍數(shù)。為什么叫交流放大倍數(shù)呢？因?yàn)槲覀円糯蟮男盘?，也就是說輸入信號是以交流形式存在的。

3.接下來我們確定電源電壓是多少：

比如我們要放大一個(gè)峰值為0.5V的正弦波信號，此電路因?yàn)槭前凑辗糯?倍來設(shè)計(jì)的，所以輸出電壓簡單計(jì)算一下為2.5V。但是我們做好的放大電路不一定是用來放大這樣很標(biāo)準(zhǔn)很完美的信號的，而是用來處理一些很復(fù)雜的信號的。比如（手機(jī)）里的音樂是帶有聲音的電信號，那么他的波形就不是很有規(guī)律了，簡單來說就是波形一會大一會小，一會又大了，一會又小了，反反復(fù)復(fù)，存在非常多的不確定性。所以我們按照手機(jī)耳機(jī)孔輸出的音頻信號電壓來計(jì)算。我大概去查了一下手機(jī)音頻口輸出的信號電壓大概在0.3V到1V左右，手機(jī)音量的高低不同，輸出的電壓也將會不一樣。當(dāng)信號存在不確定性的時(shí)候，通常我們按照信號的最高峰值來計(jì)算，也就是說此電路按照1V來計(jì)算，也就是說手機(jī)音量調(diào)到最大的時(shí)候電路不會發(fā)生失真現(xiàn)象。首先先得明白一個(gè)點(diǎn)，如圖一電路，輸出在集電極電阻下面，也就是輸出靠的是C跟E間電壓的變動完成信號的放大輸出，電路工作在靜態(tài)時(shí)，也就是接輸出電容的地方，他的電壓就等于電源電壓VCC減去RC上的電壓，如果接入負(fù)載，電容上就會瞬間充電，充電路徑是電源VCC，到集電極電阻RC，到電容，到負(fù)載，到地。也就是說通電瞬間，電容充電期間是不隔直流的，當(dāng)充完電之后就可以隔開直流電壓了，當(dāng)然這個(gè)充電時(shí)間一般很短，不會影響整個(gè)電路，也不影響用電容的通交流隔直流來分析電路。

先來看一張圖片：

圖六

輸出電壓是從UC取出的，也就是說在靜態(tài)工作下，集電極電位不為0，也是有靜態(tài)工作電位的，在通俗一點(diǎn)將，輸出電壓以UC的靜態(tài)電壓為中心上下浮動。如圖A電路，輸入信號的變化會導(dǎo)致集電極電流IC變化，變化的電流記作IC1，顯然這個(gè)IC1肯定是上下浮動的，信號一會大一會小，進(jìn)一步記作±IC1，那么RC上的電壓URC就為：URC=+IC1*RC和URC=-IC1*RC。（-號代表電壓減?。?/p>

因?yàn)閁C=VCC-URC，URC變化，那么點(diǎn)UC出電壓就變化，這就是輸出的電壓信號了。圖A負(fù)載R6的電壓UR6就是UC靜態(tài)電位為中心，UR6=UC±（IC1*RC），通過集電極電阻電壓的變化，在UC出取出了放大后的信號。在此舉個(gè)簡單的例子說明剛才解釋的一切：

假如UC點(diǎn)電壓靜態(tài)為7V，由于此電路是將1V信號放大5V，所以當(dāng)信號正半周過來時(shí)，迫使基極電位抬高，電路導(dǎo)通加深，IC電流增大，URC就增大，迫使原來URC的電壓增加5V，那么根據(jù)公式UC=VCC-URC，UC電壓就減小5V，所以UC=7V-5V=2V。同理信號負(fù)半軸電壓進(jìn)入電路時(shí)，迫使基極電位減小，電路導(dǎo)通程度變小，IC就變小，造成URC電壓減小5V，根據(jù)UC=VCC-URC，UC電壓就增大5V，所以UC=7V+5V=12V。從這里分析可以看出來，集電極跟基極波形為什么是反向關(guān)系了吧。放大后的波形以7V為中心上下5V變動。圖A電路上電即使不工作就有7V的直流電壓，會影響后面的電路，或者負(fù)載工作。這顯然是不行的，所以改為圖B電路。加了電容隔開直流電壓之后，用（示波器）測量輸出電容之后的波形就是以0V為中心上下5V變動了。

說了這么多就正式開始確定電源電壓，信號正半周要放大至5V，負(fù)半軸也要放大至5V，為了滿足最大輸出時(shí)不失真，所以取5V*2=10V，但是還有一個(gè)發(fā)射極電阻也是需要占據(jù)一定電壓的，取URE=1.2V（文章下面會具體講到這部分），綜合電路各種無法避免的損耗，最終取電源電源電壓為15V。

4.確定發(fā)射極的靜態(tài)工作點(diǎn)：

也可以說是確定集電極跟發(fā)射極的靜態(tài)電流。（忽略基極電流，看作IC=IE）具體怎么確定呢，還是離不開廠家的規(guī)格書：

圖七

此圖是8050三極管集電極電流IC跟放大倍數(shù)Hfe的關(guān)系圖，從圖中可以看出（以25℃那條線為準(zhǔn)），集電極電流在100mA左右為分界線，向左看線條基本是平的，但是大于100mA時(shí)，放大倍數(shù)開始下降了。所以根據(jù)這個(gè)圖，應(yīng)該確定IC在100mA以內(nèi)比較合適。但是還不能這么潦草確定了，繼續(xù)看規(guī)格書：

圖八

這是集電極電流IC與頻率的關(guān)系圖，通俗講就是集電極電流在多大情況下，可以正常的放大多少頻率的信號。比如上圖當(dāng)集電極電流IC在30mA時(shí)，大約可以正常放大220MHZ以下的信號。本文設(shè)計(jì)的電路以處理音頻信號為主，頻率在20KHZ以下，看圖中關(guān)系曲線，集電極電流IC在2mA時(shí)，可以放大的范圍為70MHZ左右。跟本文要處理的20KHZ比較簡直戳戳有余，簡簡單單。所以本文選擇2mA以下的電流作為集電極電流IC，取1mA。相對應(yīng)的發(fā)射極電流IE也隨之確定也等于1mA。在實(shí)際做成之后，用（萬用表）測量肯定會有誤差，但是基本在1mA附近。為什么說不選擇100mA呢？在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，取最小的結(jié)果是最好的，因?yàn)榭梢詼p少整個(gè)電路的功耗損失。并不是說電流選取越小越好，具體情況是要根據(jù)所處理的電路來決定的。如果匆匆的確定了IC為100mA，電路不僅要承受很大的無用功率，還要面臨三極管及有可能在短時(shí)間內(nèi)就會過熱的問題，圖三可以看出這種三極管的身板并不是很壯實(shí)，很嬌小，規(guī)格書上雖然說電流可以達(dá)到幾百mA，但是真正流過幾百mA的時(shí)候發(fā)熱問題也會隨之而來，三極管對溫度是很敏感的，過熱之后容易發(fā)生不穩(wěn)定的因素工作不正常，即使使用了本文所講的這種結(jié)構(gòu)，但是過分的過熱還是會導(dǎo)致電路極不正常。這種規(guī)格三極管就不是用來處理大電流的，電流到達(dá)百mA級別會有專門類型的三極管來處理，可以暫且稱為功率三極管，那種三極管一般都是可以安裝小型散熱器的。

5.確定發(fā)射極電阻RE與集電極電阻RC：

這個(gè)RE電阻的電壓很關(guān)鍵，取大了會影響電路正常的放大功能，取小了不能起到穩(wěn)定電路的作用。那一般取多少合適呢？我在看日本（工程師）鈴木雅臣編寫的《（晶體管）（電路設(shè)計(jì)）》一書當(dāng)中，是這么解釋的：為了吸收基極——發(fā)射極間的電壓VBE隨溫度的變化，RE的直流電壓必須在1V以上，這是因?yàn)閂BE只有0.6V左右的值，然而它具有-2.5mV/℃溫度特性，VBE隨溫度變化，相對應(yīng)的集電極電流IC也會變動，發(fā)射極電位就變動了的緣故。通俗點(diǎn)說就是取值過小起不到穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，所以本文電路取1.2V。（取2V左右是比較好的，但是本文選擇的電源為15V，要放大1V的最大輸入信號至5倍輸出，如果此值取得很大將會發(fā)生失真，條件允許可以增大電源電壓來解決，這里暫且按照15V來計(jì)算。其實(shí)很多情況下三極管用來放大的信號很少有1V情況，大部分在零點(diǎn)幾V的范圍，那就對應(yīng)的電源電壓選擇時(shí)就可以小很多。）

有了發(fā)射極電流跟發(fā)射極電阻電壓URE，故發(fā)射極電阻就可以求出來了：

根據(jù)歐姆定律

RE=1.2V/1mA=1.2K

由于是放大5倍的電路，所以根據(jù)公式AV=RC/RE：

得到RC=1.2K*5=6K

在這里說明一點(diǎn)，有的時(shí)候計(jì)算出來的數(shù)值不一定有對應(yīng)的電阻大小，取與之相近的即可。

要計(jì)算下選取的電阻是否合適，在15V電壓下，兩個(gè)電阻如圖六所示為串聯(lián)關(guān)系，最大可以流過15/（1.2K+6K）約等于2mA電流大于設(shè)定的1mA電流，所以可行。

以上計(jì)算方法只要電源電壓夠大，滿足放大后的信號最大振幅要求是完全可以的，當(dāng)我我們在進(jìn)行設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，往往所能使用的電源電壓是有限的，在此在講一個(gè)更為穩(wěn)妥的計(jì)算方法。將圖六UC靜態(tài)電壓設(shè)為中點(diǎn)附近，具體哪個(gè)中點(diǎn)看下圖：

圖九

在15V電源下，也就是設(shè)定在8.1V即為中點(diǎn)。8.1V向上有6.9V，向下有6.9V，完全可以正常的輸出1V放大5倍的信號5V電壓。還留有1.9V的余量，這個(gè)余量一定要大于所放大信號的最大電壓，本文來講就是大于1V。也就是說UC在8.1V時(shí)可以取出最大的振幅，最大振幅電壓為6.9V。下面的1.2V是前面設(shè)定的發(fā)射極電阻電壓，為什么要設(shè)定在發(fā)射極電位跟電源電壓的中點(diǎn)呢？而不是直接電源總電壓中點(diǎn)呢？先看圖：

圖十

這是我在電腦仿真的波形，就是集電極與發(fā)射極的波形。看到圖中有一個(gè)電壓為2.18V左右（藍(lán)綠色波形），此電壓是發(fā)射極波形的最高電壓，也就是1V信號進(jìn)入發(fā)射極與發(fā)射極原有的1.2V電壓疊加形成的，上面講過發(fā)射極跟集電極信號相位相反，這是一會說明問題的關(guān)鍵。若果放大倍數(shù)稍微加大，比如放大了6倍甚至更大倍數(shù)，那么黃色波形也就是放大后的波形，因?yàn)榉糯蟊稊?shù)大了，以UC靜態(tài)電位為基礎(chǔ)，向下減小電壓的部分也就大了，肯定與下面發(fā)射極波形發(fā)生接觸相交。（UC電壓問題參考確定電源電壓部分）。最終相交的是黃色波形的最低電壓頂點(diǎn)與藍(lán)綠色波形最高電壓頂點(diǎn)，黃色波形想要繼續(xù)減小，然而對應(yīng)的是卻藍(lán)綠色波形電壓最高點(diǎn)，被信號正半周的1V電壓強(qiáng)制為2.18V，最終黃色波形無能為力，黃色波形的電壓低于2.18V左右的部分將被消掉。具體看下圖：

圖十一

根據(jù)圖九的方法還可以用來更快的確定電源電壓，比如我要放大0.5V的信號，放大5倍，該怎么確定電源電壓。首先確定發(fā)射極電阻電壓，這里暫且定為2V。放大5倍，最終輸出電壓為2.5V，那么中點(diǎn)電壓為2V加上2.5V的輸出電壓加上大于輸入電壓0.5V的余量，取1V。所以中點(diǎn)電壓為5.5V，此電壓到發(fā)射極電阻電壓為5.5V-2V=3.5V，那么到電源電壓也應(yīng)該為5.5V+3.5V=9V，所以取9V電源。

按照此方法重新計(jì)算下RC跟RE的取值：

首先確定的是UC=8.1V，那么留給RC的電壓URC=15V-8.1V=6.9V。

由于IC=1mA，所以RC=6.9V/1=6.9K。

URE還是取1.2V（因?yàn)?.1V是取的URE為1.2V到電源的中間值，在者由于15V電壓下處理1V的信號放大5倍輸出已經(jīng)很緊張了，所以不做改變），IE=1mA。

所以RE=1.2K。

計(jì)算下放大倍數(shù)AU=RC/RE=6.9/1.2=5.75，跟設(shè)計(jì)要求5倍差不多所以不做更改。不更改還有一個(gè)原因，按照上述公式計(jì)算的放大倍數(shù)與實(shí)際放大倍數(shù)是稍微偏小的，大家在計(jì)算的時(shí)候可以稍微將RC取大一點(diǎn)來彌補(bǔ)這個(gè)問題。

如果重新計(jì)算之后出現(xiàn)RC/RE>5倍或者RC/RE

圖十二

所謂的放大倍數(shù)就是交流放大倍數(shù)，利用電容通交流隔直流的特點(diǎn)，將2K電阻一分為二，一個(gè)用電容短路到地，從交流的來看此電路的放大倍數(shù)就變成了5K/1K=5倍。而且發(fā)射極的電位還是跟原來一樣不發(fā)生變化，這就省下了不用重新去計(jì)算因?yàn)閁RE改變之后各元件的值。

6.確定基極電阻RB1和RB2：

由于前面講過基極跟發(fā)射極開啟電壓等于0.5V——0.7V左右，具體多少咱們繼續(xù)看規(guī)格書：

圖十三

看圖可以知道（以25℃為準(zhǔn)）在VBE=0.57V左右便達(dá)到了開啟電壓，但是IC此時(shí)只有不到1mA，由于本文設(shè)置為1mA，所以VBE取0.6V計(jì)算即可。到這里有了發(fā)射極電阻電壓URE跟VBE，所以URB1=URE+VBE=1.8V，也就是圖一UBQ點(diǎn)的電壓。有了RB1的電壓還不行，還不能確定基極這邊兩個(gè)分壓電阻的具體數(shù)值。接下來根據(jù)公式：IC=β*IB，即可求出IB。看圖五，IC=1mA時(shí)，β（就是Hfe）約等于300左右，直接取值300。

則IB=1/300=0.003mA。

以前文章講過IC遠(yuǎn)大于IB，1mA與0.003mA相比是不是就遠(yuǎn)大于了。但是重點(diǎn)來了，剛才求出來的IB是電路維持設(shè)計(jì)要求所需最小電流。從電源過來的電壓經(jīng)過RB2后，出現(xiàn)分支，一部分經(jīng)過RB1到地，一部分進(jìn)入三極管。所以如果剛好取0.003mA的話最終進(jìn)入三極管的電流是不足的。所以流過RB1的電流要足夠大，大到什