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晶体管基本放大电路的工作原理

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发表于 2015-7-7 19:45:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
晶体管放大电路简介
晶体管有二极管和三极管两种,用来作放大用的是三极管。晶体三极管的电路符号如图1所示,E代表发射极,B代表基极,C代表集电极。与电子管比较,发射极相当于电子管的阴极,基极相当于电子管的栅极,集电极相当于电子管的屏极。
为了容易了解起见,以下介绍晶体管放大电路时,尽可能对照电子管电路来叙述。

晶体三极管的电路符号

晶体三极管的电路符号


一、晶体管是电流控制的器件
在电子管中,电流主要是由电子组成,电子在真空中运动,栅极电压控制到达屏极的电流的大小。栅偏压越负,屏流越少。屏流Ip直接受栅偏压Vg的控制,这种关系用跨导S表示,S=Ip/Vg。栅极加有负的偏压,栅极电路内一般没有电流,输入电阻极大。我们说电子管是一种电压控制的器件。
在晶体管中,集电极电流IC的大小与注入的电流IE成比例,输出电流受输入电流的控制,所以我们说晶体管是电流控制的器件。这种关系用电流放大系数α表示,α=IC/IE。此外,输入端相当于晶体二极管的正向,有电流注入,输入电阻很低,只有几百欧。

二、三种基本放大电路

共基极放大电路
图2a是共基极放大电路。与共基极放大电路相似的电子管放大电路是共栅极电路,见图2b。在图2a中,输入信号经电阻电容耦合到发射极,输出信号经集电极取得。在图2b中,输入加到阴极,输出从屏极取得。这种放大电路的特点是基极接地,输出信号与输入信号同相。一般,面接触型共基极放大电路的输入电阻为100~300欧,输出电阻约500,000欧。

共基极放大电路

共基极放大电路

电容器C1和C2是耦合电容器,把电池的直流通路与输入和输出电路隔开。C1和C2的数值约1~10微法,一般越大越好。电容量太小,由于晶体管输入电阻很低,是不适合的。要求C1在最低频率时的阻抗不大于100欧。电池的电压、电阻R1和R2的数值,根据晶体管的特性来选择。如果已知晶体管的偏流IE,集电极电压VC,电流放大系数α(或β,β=α/(1-α)),就可以选定电池的电压,并求出R1和R2。例如晶体管的工作参数为IE=0.5毫安,VC=-5伏,α=0.98(或β=49)。这时,如选用EE=1.5伏,EC=-9伏。由于R1比晶体管的输入电阻大得多,R2比晶体管的输出电阻小得多,所以
公式-01.png
把已知的IE、α、VC、EE、EC等数值代入,可求得:R1=3千欧,R2=8千欧

采用分压器

采用分压器

如果采用分压器,如图3所示,那么电池EE和EC可用一个电池E(电压等于EE加EC)来代替。R3和R4可根据EE和EC的大小来计算。在上例中,E为10.5伏,EE=E/(R3+R4)×R3,EC=E1/(R3+R4)×R4,所以EC/EE=9/1.5=R4/R3,或者R
如果R3用1千欧,那么R4就用91.5=6千欧。选择R3时,从发射极电流或集电极电流的稳定要求来看,愈小愈好,但太小了,显然对电池的消耗太大。R3为1千欧左右的数值是较适当的。

共发射极放大电路
图4a是共发射极放大电路,与此相似的电子管放大电路(共阴极电路)见图4b。在图4a中,输入信号加在基极上。输出信号从集电极取得。图4b是读者最熟悉的一般电子管放大电路。

共发射极放大电路

共发射极放大电路

共发射极电路的特点是发射极接地,输出信号与输入信号反相。一般面接触型晶体管共发射极放大电路的输入阻抗在700到1000欧之间,输出阻抗为50000欧以下。这种放大电路由于它的输入电阻比共基极电路高,而输出电阻较低,电流放大系数较大。所以用得最普遍。顺便指出,点接触型晶体管不能接成共发射极放大电路,否则容易产生自振。图4a中电阻电容的作用,与上述共基极电路中的相同。R1和R2的计算方法如下。在IB回路中,如忽略输入电阻,可得IB=ER/R1在IC回路中,如认为输出电阻很大,可得│VC│=│EC│-ICR2IC与IB的比即为β,IE与IB的比即为β+1(见本刊1961年第3期第6页)。因此,如已知IE、β、VC等工作参数,选定EB和EC后,即可算出R1和R2。采用上述例子中的数值,IE=0.5毫安,α=0.98(或β=49),VC=-9伏,设EB为1.5伏,EC为-9伏,可算得IB=0.5/49+1=0.01毫安,IC=49×0.01=0.49毫安,因此
公式-02.png
共发射极放大电路,也可用一组电池供电,如图5所示。这时,如选定E为9伏,那么利用在上例中的工作参数,可得:
公式-03.png

晶体管共发射极放大电路

晶体管共发射极放大电路

共发射极放大电路易受温度变化的影响。为了补偿因温度变化而产生的影响,通常把图5接成图6,即在发射极与地之间连接一个R3与C3并联的电路。接入R3后,发射极对地有一个负电位。从图中还可看出,基极对地也是负电位,因此基极一发射极电压等于R1上的电压降与R3上的电压降之差。如果集电极电流IC由于温度变化而增加,那么R3上的电压降也增加,这样一来,基极一发射极电压便减小,使发射极电流IE减小,由此得到补偿(见图4a)。电容器C3是去耦用的,对交流而言,使R3不起作用。

共集电极放大电路
图7(a)是共集电极放大电路,与此相似的电子管放大电路(阴极输出器)见图7(b)。在图7(a)中,输入信号加在基极和地之间,由于集电极交流经电容器C接地,所以输入信号也可加在集电极与地之间。输出信号经发射极取得。

共集电极放大电路

共集电极放大电路

共集电极放大电路的特点是集电极经电容器C接地,也就是说对交流而言,集电极是接地的。与阴极输出器相似,输入信号与输出信号同相,输入阻抗很高,约在300千欧~600千欧之间,输出阻抗却很低,低于100欧。电压放大系数小于1,因此共集电极放大电路一般用得很少。
共集电极放大电路有一个很重要的特点,就是输入端和输出端可以互换,可以作双向放大器,因此在有些特殊情况下很有用。此外,由于共集电极放大电路的输入阻抗很高,输出阻抗很低,又具有双向性,所以适合作阻抗匹配用。图7(a)中各元件的作用,如前所述,这里就不多谈了。图7(a)也可改成用一组电池供电的电路,如图8所示。

晶体管共集电极放大电路

晶体管共集电极放大电路


三、多级放大电路
电阻电容耦合放大电路
与由子管电路相似,最简单的晶体管多级放大电路是电阻电容耦合放大电路,如图9所示

电阻电容耦合放大电路

电阻电容耦合放大电路

在图9中,用了两个晶体管,组成一个两级放大器。不难看出,这两个晶体管都是接成共发射极电路的。由于电容器C1、C2、C3等的隔直流作用,各级的直流工作状态是独立的,可分别计算。例如采用以上举的例子(见图5),同样可算出R1=R3=900千欧,R2=R4=8千欧。C1、C2、C3的数值一般选用1~10微法,尽可能取大一些的,用电解电容器时,负端应与前一级的集电极相连。
为了滤除通过公共电源的交流信号,减少各级的相互干扰,通常在电路中也接入电源滤波器,如图9中的Rf和Cf,Rf约1千欧左右,Cf约40微法左右。由于共发射极放大电路的输入阻抗低,输出阻抗高,所以在电阻电容多级放大器中阻抗是不匹配的,这对晶体管要求最大功率输出有矛盾。解决的办法是采用变压器耦合,或者采用一级共集电极电路,进行阻抗变换。

变压器耦合放大电路
图10中画出了一个变压器耦合放大电路。与图9比较,图10中只是把R2换成一个变压器TP,其它都相同。

变压器耦合放大电路

变压器耦合放大电路

阻抗匹配输出功率最大

阻抗匹配输出功率最大


从理论分析可知,当输出电阻与负载电阻相等时,输出的功率最大。变压器可以将电阻进行变换,以达到最大功率输出的要求。如图11所示,设r0为输出电阻,rL为负载电阻,如果适当选择变压器初、次级线圈的匝数,就可做到从1、2端子向右看过去的电阻等于r0。初、次级线圈匝数比的计算方法如下。设初级圈的匝数为W1,次级圈的匝数为W2,匝数比W1W2=n。假设初级的功率全部送入次级(这与实际情况很接近),那么可得:
公式-04.png
式中V1为初级电压,V2为次级电压。由于W1V2=W2V1,所以
公式-05.png
所以,已知r0和rL后,就可求出匝数比n。例如r0为50千欧,rL为1千欧,变压比即为 公式-06.png ,亦即W1=7W2。初级线圈匝数多,这是降压变压器。从晶体管是电流控制的器件来看,用降压变压器也是很明显的。我们希望后级的输入电流增大,以便得到更大的电流增益。当变压比n=7时,次级电路取得的电流将增加到初级电流的n=7倍。

四、功率放大电路
图12是一个A类功率放大电路。可以看出,这是一个共发射极放大电路,基极连至由R1和R2组成的分压器,这样可增加稳定性,使受温度变化的影响较小。R3C2的作用,也是补偿温度变化的影响的,前面已作说明。

晶体管功率放大电路

晶体管功率放大电路

输出变压器应配合集电极及喇叭的阻抗。输出功率根据电池电压和晶体管的额定耗散功率而定。为了提高输出功率,功率放大电路应采用功率晶体管。这类晶体管在制造时采取了特殊的散热结构,有的甚至能经受达100瓦的电力。功率放大电路也可接成推挽式电路,这里就不多谈了。
以上介绍的晶体管电路,都是用的P-N-P型晶体管。如果用N-P-N型晶体管,情况也相似,只是电池的正负极连接要反过来,即发射极由接电池正极改为接电池负极,集电极由接电池负极改为接电池正极。
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