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電子技術(shù)入門:三極管放大電路分析

發(fā)布時間:2014-03-27 責(zé)任編輯:xiangpeng

【導(dǎo)讀】三極管是電流放大器件,有三個極,集電極C,基極B,發(fā)射極E。結(jié)構(gòu)上分成NPN和PNP兩種,材料上分為鍺管和硅管,主要用于放大電路中。這是作為電子工程師電路設(shè)計必須用的,下面我們以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

下面的分析僅對于NPN型硅三極管在電路設(shè)計中的原理。如下圖所示

三極管放大電路設(shè)計分析

圖 NPN型硅三極管放大電路

我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的,所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。

三極管的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話),并且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系:

集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)(β一般遠(yuǎn)大于1,例如幾十,幾百)。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間,這就會引起基極電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的,那么根據(jù)電壓計算公式U=R*I可以算得,這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來,就得到了放大后的電壓信號了。

三極管在實際的放大電路中使用時,還需要加合適的偏置電路,有如下原因:

首先是由于三極管BE結(jié)的非線性(相當(dāng)于一個二極管),基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生(對于硅管,常取0.7V)。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時,基極電流就可以認(rèn)為是0。但實際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比0.7V要小,如果不加偏置的話,這么小的信號就不足以引起基極電流的改變(因為小于0.7V時,基極電流都是0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一個合適的電流(叫做偏置電流,上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的,所以它被叫做基極偏置電阻),那么當(dāng)一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時,小信號就會導(dǎo)致基極電流的變化,而基極電流的變化,就會被放大并在集電極上輸出。

另一個原因就是輸出信號范圍的要求,如果沒有加偏置,那么只有對那些增加的信號放大,而對減小的信號無效(因為沒有偏置時集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置,事先讓集電極有一定的電流,當(dāng)輸入的基極電流變小時,集電極電流就可以減??;當(dāng)輸入的基極電流增大時,集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

下面說說三極管的飽和情況。如上圖,因為受到電阻Rc的限制(Rc是固定值,那么最大電流為U/Rc,其中U為電源電壓),集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大,不能使集電極電流繼續(xù)增大時,三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。

一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是:Ib*β〉Ic。

進(jìn)入飽和狀態(tài)之后,三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小,可以理解為一個開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用:當(dāng)基極電流為0時,三極管集電極電流為0(這叫做三極管截止),相當(dāng)于開關(guān)斷開;當(dāng)基極電流很大,以至于三極管飽和時,相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài),那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。

如果我們在上圖中,將電阻Rc換成一個燈泡,那么當(dāng)基極電流為0時,集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(大于流過燈泡的電流除以三極管的放大倍數(shù)β),三極管就飽和,相當(dāng)于開關(guān)閉合,燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了,所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通斷。如果基極電流從0慢慢增加,那么燈泡的亮度也會隨著增加(在三極管未飽和之前)。

但是在實際使用中要注意,在開關(guān)電路中,飽和狀態(tài)若在深度飽和時會影響其開關(guān)速度,飽和電路在基極電流乘放大倍數(shù)等于或稍大于集電極電流時是淺度飽和,遠(yuǎn)大于集電極電流時是深度飽和。因此我們只需要控制其工作在淺度飽和工作狀態(tài)就可以提高其轉(zhuǎn)換速度。

對于PNP型三極管,分析方法類似,不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反,因此發(fā)射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了

在電路設(shè)計中分析電路,我們需要弄懂相應(yīng)電子元件的原理,從源頭出發(fā),才能準(zhǔn)確的分析出電子元件在設(shè)計電路中的相應(yīng)作用,也可以自己嘗試電路設(shè)計。


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