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标题: 晶体管电路设计 第十二贴 [打印本页]

作者: 李俊韬    时间: 2014-11-6 10:48
标题: 晶体管电路设计 第十二贴
在前几贴,我们对一个常见的共射极放大器进行了详细的设计分析,同时也对一些基本知识做了些介绍。同时,我们知道,常见的放大器种类有很多,同样是共射极的接法,根据偏置和反馈情况的不同,也有很多变化。今天,我们就以书中的例子做为主要内容,进行一下学习。
我们看第一个电路:
对这个电路,书中称它为“使用NPN晶体管与负电源的放大电路”,大家可以将这个电路与前面的电路做一下对比,看看在结构上有什么区别。


1、电源反过来了,电路的参考地放在了上面,电源变成了-15V
2、耦合电容的极性反过来了
3、发射极电阻上并联了一个10uF的电容。


基本上就这三点了,下面,我们逐步的分析下这三个变化对电路有什么影响。


第一点,电源使用的是负电源。我们来想一下,这样的供电情况下,电路的高电位在什么地方?很明显,供电是-15V,比0要小,而电路中的“地”是0电位的,那么电路中的电位高端仍然与以前一样是在上面。三极管的电流流向仍然是从集电极流向发射极,与以前一样。


甚至我们可以人为的将本电路的参考点“地”定为-15V端,那么这个图中原先的“地”电位与现在相比就变成了+15V,变得和以前的图一样了。


当然,实际上我们不提倡这样做,因为,电路中的其它元件如“耦合电容”,仍然是以上面为“地”做出的设计,这样会引起不必要的混乱。所以我们仍然希望大家能够习惯于在0电平以下来分析电路。


第二点,耦合电容的方向问题。谈到这个问题也许有人会问:“为什么啊?不是刚刚才说过吗,这个电路的电位仍然是上高下低,和以前一前,电容为什么要反过来啊?”。


能提出这个问题的朋友,说明真的动脑子想了。我们从电路左边也就是输入回路分析,这个放大器如果已经做成成品了,那么它的信号输入端是怎样的呢?
在给这个放大器接输入信号时,是按照红色的接法:一根线接“输入”,一根线接地。还是按照蓝色的的接法:一根线接“输入”,另一根线接-15V电源?


看到这里,大家明白了吧,当然是按照红色的接法。也许又有人会问:“信号电压不是应该加在三极管的BE结上吗?这样接BE结没有信号了还怎么放大啊?”。输入信号真的没有加到三极管的BE结么?注意看红色框的那两个电容,还记得它们的名字么?“退耦电容”,以前我们讲过,这两个电容将电源两端做了“交流短路”,也就是说对于输入信号来说,接到“地”和接到-15V端对于交流来说是等效的。


这时肯定又会有人问:“既然是等效的,那么我把输入信号按蓝色的方法接不行么?”。在这里我的解释是,对于这一个独立的放大器来说,可以!它能够正常工作。下面要说但是了,但是,我们在实际应用中,这个放大器是要和许多其它的电路组合起来应用的。比如说另外一个人也设计了一个和这个电路一样的放大器,而他很守规矩的把“地”做为输入输出的公共端,当他的电路和你的电路输出和你的电路输入连起来,而且共用同一个电源时,就象下图中红色的接法,会发生什么事儿呢?


电源被“短路”了,不是么?看来,我们在设计电路时,必须要严格的按照规范来设计,该是地的就一定是地,尤其是在共用一个电源时,“地”的位置绝对不能变来变去,应该始终如一。


了解了这些,那么耦合电容的方向问题就简单了。有一个根本的原则就是,电解电容在一个独立电路中时,正端应接在高电位处,负端应接在低电位处。很明显,对于这个电路来说,最高电位是“地”,也就是0V,其它各点的电位只可能低于“地”,所以要按图中的接法。


这是一个最普遍的例子,当然也有例外的时候,上面的图左侧电路输出的信号是纯交流信号,不含直流成份,而当接入的信号含有直流成分的时候,要看这个加到电容左侧的直流成份与耦合电容右侧的电位谁高谁低,然后再按照上面的根本原则来确定耦合电容的正负极的方向。


当你实在无法确定过来的信号到底谁高谁低时,有一个简单的办法,使用无极性的电容,或者将两个电解电容正极相对或负极相对串联起来使用(逆串联,容量相当于单个电容的一半)。对于小信号来说,电解电容逆串联的方法是可行的,但是当信号幅度很大,比如OTL功放末级的输出电容,这种方法会加大电容的损耗,使电容的寿命减少,严重时甚至会爆掉。所以有人给这种方法做了一些改善,如下图:




具体应用上我也没有试过,现在的电解电容种类很多,这个就算是一个理论上的研究吧,感兴趣的朋友可以分析一下,这里就不深入进去了。


下面我们看第三个不同,发射极电阻上并联了一个10uF的电容。
为什么说是并联?而不是说发射极对地接了一个电容。如果你画一下交流的等效图的画,就很清楚了。这个电容在交流上是等效于并联在9.1K的发射极电阻上的。


在前面的学习中我们知道了,这种类型的放大器,它的放大倍数是Rc/Re,对这个图来说就是10K/9.1K=1.098,天啊,刚刚比1倍大一点点,这么小的放大倍数。事实真的是这样吗?别忘了那个电容,对于交流信号来说那个10uF的电容等效的电阻是很小的,也许只有零点几个欧姆,甚至可以忽略不计。那么也就是说对于交流信号来说,这个放大器的发射极电阻是趋近于无穷小的。好吧,那我们就假设它为最极端的情况,发射极电阻为零,那么这个放大器的放大倍数是多少呢?


Rc/0等于多少?或者说Rc除于无穷小是多少?答案是无穷大。天啊,这个放大器的放大倍数真的是无穷大么?当然不是,简单的来说,放大器的放大倍数不可能超过三极管的?值。或者复杂些说,还有一个在我们以前的计算中省略掉的hie(输入端交流短路时三极管的输入阻抗)有关,这个hie与Re在交流上是串联的,当存在Re时,我们把这个hie忽略掉了,因为它相比起Re来说很小,但是当Re为0时,这个hie就起做用了,它与Rc共同限制了三极管的放大倍数。关于这个问题,在书中的2.3.7小节有讲到,感兴趣的朋友可以看看,但书中讲的很模糊,想深入的朋友可以找一些关于使用h参数推导三极管放大原理的资料看看。


对于本贴而言,大家只要知道存在Re时,放大倍数是Rc/Re,Re不存在或被交流短路时,放大倍数趋近于三极管的?值。


也就是说,对于这个电路由于这个10uF电容的存在,使这个放大器的放大倍数很高,不再局限于Rc/Re的关系,只受限于所有三极管的?值的大小。


既然Re在放大时不起作用了,那么这个电路中Re的存在意义是什么呢?


记得前几贴时,我们说过,这个Re是做为电流串联负反馈的反馈电阻存在的。那么我们就针对这个Re来看看它到底扮演着一个什么样的角色。


这里说的“负反馈”包含着交流负反馈和直流负反馈,由于这个10uF电容的存在,使交流信号不经过Re而只通过电容流过,因此交流负反馈在这个电路中就不存在了。直流呢?不能通过电容,必须通过Re,所以直流负反馈仍然存在。


那么直流负反馈在电路中有什么意义呢?同样在前几贴中让大家建立起一个条件反射,一看到“负反馈”就想到“稳定”。我们知道,理想器件在现实中是不存在的,三极管同样如此,它对很多种情况敏感,比如温度,比如电源电压的稳定性。我们设想一下,一个设计好的电路,当由于环境温度变化时,电路中的三极管由于它对温度很敏感,会造成集电极电流增大或减小,由于集电极电流发生了变化,那么Rc上的电压也会发生变化,Ib也会发生变化,Vb也会发生变化,总之牵一发而动全身,这一变化闹不好会影响我们这个电路的输出,使输出的信号也随着变大或变小,严重的甚至会产生信号失真和三极管的损坏。


那么有了Re就能避免这个问题了么,我们来看下面的反馈关系:
假如因为某种原因,造成了三极管的集电极电流增大了,那么三极管的发射极电流也会增大,由于发射极电流增大,那么串在发射极上的电阻Re上的压降也会增大,当Re上的压降增大后,必然要对Ube有一个压缩,使三极管的Ube减小,由于Ube的减小又促使三极管的Ic变小,实现了Ic电流的稳定过程。


这就是Re在电路中存在的意义了。也许有人会问,记得以前不是说Ube就相当于一个PN结的压降,约等于0.6V么,这个电压还会变吗?是的,这个电压基本上不会有变化,但这个不会变是广义上的,指的是所有三极管的Ube是这样一个大小范围。但是在动态的工作中,由于基极电流Ib的变化,它同样会在一个很小的范围内变化。也许我们用这个电路的微变等效图来讲解会更清楚一些。


现在我们来分析下,当Ic变大时,Ie也变大,Re上电压变大。这应该没有问题了,我们再来看一看,Re等效到输入回路后是什么情况呢?与rbe是串联,也就是说当基极的偏置电压(也就是上图中RB上的电压或电路图中下偏置电阻上的电压)没有变的时候,Re上的电压增大,意味着rbe上的电压减小,而rbe上的流过的电流恰恰是Ib,也就是基极电流,rbe上的电压减小,意味着rbe上流过的电流会减小,也就是Ib会减小,那么Ib又会影响Ic,让Ic也减小。负反馈过程完成。


同样我们可以根据上面的分析得出结论,Re越大,Ic微小的电流变化就会引起Re上较大的电压变化,反馈到Ib(或Ube)时的变化也就越大,稳定Ic的效果就越好。






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