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晶体管电路设计 精讲 第九贴

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goodays 发表于 2013-6-20 23:00:26 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
本帖最后由 goodays 于 2013-6-21 11:46 编辑

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晶体管电路设计 精讲 第八贴
学习内容:
1、三极管的常用特性认识
2、直流工作点的认识
3、如何设计三极管的直流工作点
玩电路就要面面俱到
    前几贴的学习我们对三极管的一些基本知识和共射极放大电路的基本架构有了一些了解,一直有朋友在问:“什么时候讲电路的设计啊,那些偏置电阻到底怎么取值啊!”等等诸如此类的问题。现在前面的知识储备已经完成了,今天我们就将对三极管在电路中的具体应用进行设计。


    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:
000.png
    在这张图里,我们可以看到,当基极电流在由20uA40uA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:


001.png


    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)。
    002.png


    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Ic10mA20mA30mA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10mAVce在很小大约低于1V的位置为例,当基极电流分别

        40uA60uA80uA100uA120uA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:


003.png
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。


004.png


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)。至于为什么是这个数,我觉的书上讲的比我好,大家看书就可以了。
家庭作业:
1、在Multisim里仿真一下今天我们设计的电路,学会使用信号发生器,示波器等仪器。
2、试着改动一下这四个电阻的值和三极管的型号,看看会有什么变化?
3、看看在仿真时得到的结果与我们的计算结果有多大差别,想一想为什么?
4、试着测试一下这个电路,看看能不能满足设计要求,再试试书上的电路。
5、有条件的朋友,可以用面包板搭一个同样的电路出来,看看真实工作是什么样的。
祝愉快

Goodays
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数电menmenchaig + 5 + 10 很给力。
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精彩评论59

数电menmenchaig 发表于 2013-6-21 09:26:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 数电menmenchaig 于 2013-6-21 09:40 编辑

很多地方都有点含糊,我补充点吧。

接入RE电路有电流负反馈的温度补偿作用
补偿.jpg


取值原则
三极管.jpg

分析例子:
上图的分压式偏置电路中,VCC选取的是12V,同样的我们假设Ic为2mA,Uce设计成1/2VCC为6V。
则RB1、RB2、RC、RE该如何取值呢。
计算公式如下:因为Uce设计成1/2VCC为6V,则Ic×(RC+RE)=6V;Ic≈Ie。
可以算出RC+RE=3KΩ,这样,RC、RE各是多少?一般RE取100Ω,RC为2.9KΩ,
实际上RC我们一般直取2.7KΩ,因为E24系列电阻中没有2.9KΩ,取值2.7KΩ与2.9KΩ没什么大的区别。
因为RB2两端的电压等于Ube+URE,即0.7V+100Ω×2mA=0.9V,我们设Ic为2mA,β一般理论取值100,则Ib=2mA/100=20UA,
这里有一个电流要估算的,就是流过RB1的电流了,一般取值为Ib的10倍左右,取IRB1=200UA。
则RB1=11.1V/200UA≈56KΩ
RB2=0.9V(/200-20)UA=5KΩ;
考虑到实际上的β值可能远大于100,所以RB2的实际取值为4.7KΩ。
这样,RB1、RB2、RC、RE的取值分别为56KΩ,4.7KΩ,2.7KΩ,100Ω,Uce为6.4V。


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海阔天空陪我游 发表于 2013-6-21 09:34:37 | 显示全部楼层
感谢楼主一直来的付出,继续占楼支持
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DIY_1183009854 发表于 2013-6-21 09:44:00 | 显示全部楼层
定。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
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xueyasong 发表于 2013-8-7 21:30:49 | 显示全部楼层
数电menmenchaig 发表于 2013-6-21 09:26
很多地方都有点含糊,我补充点吧。

接入RE电路有电流负反馈的温度补偿作用

果然很强悍
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xueyasong 发表于 2013-8-7 21:31:39 | 显示全部楼层
这一节要多看几遍
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Love丿Slave 发表于 2013-8-19 20:37:50 | 显示全部楼层
楼主好人  感谢分享 学了很多 谢谢
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zengdz 发表于 2013-9-8 15:49:38 | 显示全部楼层
个别地方有乱码、
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caosd 发表于 2013-9-8 16:48:50 | 显示全部楼层
上学的时候学的都忘光光了
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aa172172 发表于 2013-9-10 19:28:55 | 显示全部楼层
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
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