三極管放大電路與開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

這一期中主要聊聊三極管，談及三極管，但凡學(xué)過(guò)模電的都知道，先學(xué)了PN結(jié)，然后根據(jù)二極管單向?qū)ㄐ詫W(xué)的是二極管，緊接著學(xué)的就是三極管了。

三極管在模電中常常被用作放大的作用，但是在實(shí)際中也常常被用作開(kāi)關(guān)作用，但是很多人在學(xué)了三極管后，就沒(méi)有在實(shí)際中接觸到三極管，同時(shí)也使用的是課本中“理想”的方法分析三極管電路，所以在應(yīng)用中對(duì)三極管就非?！懊浴?，這一期首先通過(guò)課本的方式溫習(xí)一遍由三極管組成的“共射電路”，然后通過(guò)查看datasheet的方式了解三極管的常用參數(shù)，接著通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的方式，設(shè)計(jì)三極管放大電路與開(kāi)關(guān)電路

01

基本共射電路結(jié)構(gòu)

圖26 基本共射電路

如圖26所示，這是由NPN三極管組成的基本的共射電路，首先一個(gè)問(wèn)題它為什么叫做共射電路？這是由于輸入回路由基極和發(fā)射極組成，輸出回路由集電極和發(fā)射極組成，由于發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端，所以稱該電路為共射放大電路，同理共基電路、共集電路也是這個(gè)原理起名的。

這里就不介紹三極管內(nèi)部工藝，直接看共射電路常見(jiàn)的題目。

下圖所示電路，已知Vcc=15V，β=100，Ube=0.7V。請(qǐng)問(wèn)：

（1）、Rb=50kΩ時(shí)，輸出電壓Uo為多少？

（2）、若T臨界飽和，那么Rb至少為多少？

圖27 共射電路問(wèn)題

（1）

首先求得基極電流：

再求得集電極電流：

所以電阻Rc兩端電壓為：

最后求得輸出電壓Uo為：

那么怎么根據(jù)以上信息判斷三極管T處于截止、飽和、放大區(qū)域呢？

可以根據(jù)以下結(jié)論判斷：

截止區(qū)：發(fā)射結(jié)電壓小于開(kāi)啟電壓（反向偏置）且集電極反向偏置（集電結(jié)電壓大于發(fā)射結(jié)電壓）：

放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置且集電極反向偏置：

飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)處于正向偏置：

這里要注意發(fā)射結(jié)正偏和集電結(jié)正偏是不一樣的，切勿搞混淆了。

這里三極管的發(fā)射結(jié)電壓Ube=0.7V,集電結(jié)電壓Uce=2V,所以：

所以發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置，那么可以判斷三極管處于放大區(qū)域。

（2）

假設(shè)三極管T臨界飽和，那么發(fā)射結(jié)電壓以及集電結(jié)電壓都剛好等于三極管BE之間開(kāi)啟電壓：

那么求得此時(shí)集電極電流為：

那么基極電流可以根據(jù)放大倍數(shù)求得：

最后根據(jù)基極電流可以求得最大基極電阻Rb為：

此時(shí)三極管T處于臨界飽和，當(dāng)基極電阻Rb=45.45kΩ時(shí)，增加基極電阻Rb可以使三極管T進(jìn)入放大狀態(tài)，減小基極電阻可以使三極管T進(jìn)入飽和狀態(tài)。

02

三極管常見(jiàn)參數(shù)

那么在實(shí)際中要實(shí)際用三極管設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路和一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，那該怎么考慮。在設(shè)計(jì)前要知道三極管常見(jiàn)的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)一般可以從三極管的datasheet中知道，以下是某公司的SS8050具體參數(shù)：

圖28 三極管極限參數(shù)

如圖28所示，這是SS8050這款三極管的極限電氣參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮不能超過(guò)這個(gè)值。

圖中：

Vceo是加在c和e之間的最高的極間電壓；

Vcbo是加在c和b之間的最高的極間電壓；

Vebo是加在e和b之間的最高的極間電壓；

Ic是指通過(guò)集電極和發(fā)射極最高電流；

Pc是三極管能承受的最高功率；

Tj是三級(jí)管可以工作的最高溫度；

Tstg是三極管使用和儲(chǔ)存的溫度范圍；

圖29 三極管工作參數(shù)表

如圖29所示，這是SS8050工作參數(shù)表，在設(shè)計(jì)時(shí)三極管時(shí)用作放大功能常常考慮Hfe（直流增益）和Vce（sat）c-e之間飽和電壓：

圖中：

Hfe表示在不同的Ic的放大倍數(shù)，這個(gè)不是固定值；

Vce（sat）表示三極管飽和狀態(tài)下C和E之間的電壓，這里測(cè)試的是最高飽和電壓為0.5V，實(shí)際中常為0.3V左右；

除了三極管極限參數(shù)和工作參數(shù)外，還要適當(dāng)看看三極管的特性曲線，這里取了三極管BE電壓與溫度關(guān)系曲線、Vce（sat）與溫度關(guān)系曲線、直流增益與Ic關(guān)系曲線等：

圖30 三極管BE電壓與溫度關(guān)系曲線圖

如圖30所示，當(dāng)三極管溫度上升后，BE之間的電壓降低了且隨著Ic之間電流增大而增大，這個(gè)主要原因就是BE之間相當(dāng)于二極管，有著負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升，開(kāi)啟電壓降低。

圖31 三極管CE飽和電壓與集電極電流Ic關(guān)系曲線圖

如圖31所示，溫度的變化對(duì)三極管CE之間的飽和電壓影響不大，在不是很精密的場(chǎng)合，可以不考慮。

圖32 三極管直流增益與集電極電流Ic關(guān)系曲線圖

如圖32所示，溫度上升可以提高三極管直流增益，且隨著集電極電流Ic上升到一定程度，直流增益明顯下降，所以在設(shè)計(jì)時(shí)集電極電流不能太大。

03

實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)分析

以下是實(shí)際應(yīng)用中將三極管配置成開(kāi)關(guān)作用。

首先我們要學(xué)會(huì)算，根據(jù)如下圖中所示電路以及參數(shù)，計(jì)算：

（1）、當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，如果Vin=0V,那么Vce為多少？

（2）、如果想讓三極管開(kāi)關(guān)完全閉合，那么Ib至少為多大？

（3）、如果Vin=5V，那么Rb最大值為多少？

圖33 三極管開(kāi)關(guān)電路

如圖33所示，這是用NPN三極管設(shè)計(jì)的一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，實(shí)際應(yīng)用中三極管的發(fā)射極直接接地，而集電極處接電阻Rc用作限流。

（1）、

當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，即三極管截止，那么集電極電流ic=0A,所以：

（2）、

當(dāng)三極管完全閉合時(shí)，三極管CE之間就為飽和電壓，一般可以設(shè)Vce(sat)=0.2V，那么此時(shí)集電極電流Ic（sat）為：

在飽和區(qū)，三極管直流增益hfe就要“打折”，假設(shè)hfe=50，那么求得基極電流：

Ib此時(shí)已經(jīng)可以令三極管達(dá)到飽和狀態(tài)了，Ic=Ic(sat)。如果此時(shí)繼續(xù)提高Ib就會(huì)讓三極管進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，Ic就不會(huì)增加了。

那么在選型時(shí)，要注意是否超過(guò)三極管極限參數(shù)中的Ic電流。

（3）、

三極管飽和時(shí)，Vbe=0.7V,于是可以根據(jù)Ib(min)求得基極電阻最大值為：

在實(shí)際選型時(shí)根據(jù)功率：

那么此時(shí)可以選擇0603-5%的電阻，或者其他封裝比1mW高的電阻。

那么在選型時(shí)，要注意是否超過(guò)三極管極限參數(shù)中的Pc功率。

在設(shè)計(jì)時(shí)一般先選擇集電極電阻Rc,然后根據(jù)集電極電流Ic并縮小直流增益可以求得最小需要的基極電流Ib(min),接著可以求得最大的基極電阻，就可以配置三極管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)了。

接著是實(shí)際應(yīng)用中將三極管配置成放大作用。

假如現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一個(gè)將峰峰值Vp-p=1V，放大倍數(shù)Av=5的共射電路，那么該如何選擇電源，電阻配置該怎么選擇？下圖是共射放大基本電路。

圖34 實(shí)際中共射放大基本電路

如圖34所示，其中R1和R2為三極管Q提供基極靜態(tài)電壓，R3和R4為放大電路提供放大倍數(shù)，C3和C4為耦合電容，C1和C2為旁路去耦電容。設(shè)計(jì)時(shí)先確定好集電極電流Ic，這里選擇集電極電流Ic為1mA,由于集電極電流Ic和發(fā)射極電流Ie是相等的，所以也先確定好反射極的電位。

由于三極管BE極之間的二極管是隨著外界溫度變化的，大概是2mv/℃，所以在設(shè)計(jì)發(fā)射極的電位時(shí)要比大很多，這樣就算外界溫度變換引起二極管BE之間的電壓變化，對(duì)于發(fā)射極電壓影響不大，這里選擇發(fā)射極電壓為2V，那么可以根據(jù)集電極電流Ic與發(fā)射極電壓Ue，確定R4的大?。?/p>

精度上可以選擇5%，功率為：

然后根據(jù)功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。

三極管Q的BE之間的導(dǎo)通電壓一般為0.6V，所以三極管Q基極電壓Vb為：

所以要根據(jù)電阻R1和電阻R2將基極電壓配置為2.6V。這里沒(méi)有確定外界電源大小，所以放在后面分析。

在選擇電阻R3的參數(shù)是，先要分析，如何配置輸出信號(hào)的直流偏置點(diǎn)？

由于發(fā)射極電壓Ve=2V,而輸出電壓的峰峰值Uo(p-p)=5V,所以外界電源大小最小應(yīng)該要為7V：

所以輸出電壓的直流偏置點(diǎn)為：

所以集電極電阻R3分壓為：

那么根據(jù)集電極電流Ic可以求得集電極電阻：

然后精度上可以選擇5%的電阻，功率為：

然后根據(jù)功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。但是這樣算是不是有點(diǎn)問(wèn)題？

在選擇電阻R3的參數(shù)時(shí)，還要進(jìn)行分析，放大倍數(shù)Av與什么有關(guān)，怎么計(jì)算的？

在由于三極管BE之間相當(dāng)于二極管，所以在導(dǎo)通的情況下，對(duì)于信號(hào)是直接傳遞的，所以輸入信號(hào)的變化量直接加到了發(fā)射極電阻R4上：

由于發(fā)射極電流和集電極電流近似相等，所以集電極電阻R3電壓上電壓的變化量為：

由于輸出電壓Uo是電源電壓減去集電極電阻R3上的電壓，而集電極電阻R3電壓是變化的，所以輸出電壓Uo也是變化的，并且它們的變化量是一樣的，所以輸出電壓Uo的變化量等于集電極電阻R3電壓的變化量：

根據(jù)公式31、32、33可以求得放大倍數(shù)Av為：

所以放大倍數(shù)由電阻R3和電阻R4決定的，由于要設(shè)計(jì)放大倍數(shù)Av=5的電路，求得R4=2kΩ,那么集電極電阻R3為：

精度上也可以選擇5%的，功率為：

然后根據(jù)功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。

兩種分析得出的R3都不一樣，在實(shí)際中要怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？分析順序還是相同的，先根據(jù)輸出直流偏執(zhí)點(diǎn)求得集電極電阻R3的大小，但是在放大倍數(shù)那，可以在發(fā)射極電阻并聯(lián)電容和電阻來(lái)改變放大倍數(shù)，如下圖所示：

圖35 共射電路擴(kuò)大放大倍數(shù)圖

如圖35所示，在電阻R4上并聯(lián)電容C5和電阻R5可以提高放大倍數(shù)Av，由于電容具有“隔直通交”的特性，所以此時(shí)放大倍數(shù)為：

由于算輸出靜態(tài)偏置點(diǎn)時(shí)求得集電極電阻R3為2.5KΩ，所以可以設(shè)計(jì)：

可以近似取R5為500歐姆，實(shí)際上放大倍數(shù)設(shè)置5時(shí)由于三極管內(nèi)部的寄生電容的影響會(huì)有一定的衰減，這里擴(kuò)大一定裕量，實(shí)際放大倍數(shù)Av:

同時(shí)電阻R5也可以選0603封裝，電容C5和電阻R5組成高通濾波器，C5的值影響放大電路的高頻特性，但是不考慮的話，可以選10uf/0603電容。

由于VCC選取7V電壓，那么三極管基極靜態(tài)電壓偏置為2.6V，假設(shè)三極管放大倍數(shù)為200倍，那么基極電流Ib為：

所以I1電流之路流過(guò)幾百微安的電流，基極電流抽出幾微安電流是沒(méi)什么影響的。假定I1為500uA,那么電阻R1為：

根據(jù)Vb電壓為2.6V可以求得電阻R2：

實(shí)際中根據(jù)功率，電阻R1和電阻R2可以選擇0603（5%）的封裝。

電路中旁路電容C1可以選擇10uF/0603,電容C2可以選擇100nF/0603，耦合電容決定的電路的高頻特性，這里選擇10uF/0603。

04

仿真驗(yàn)證

以下通過(guò)仿真軟件對(duì)上述三極管開(kāi)關(guān)電路和放大電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證：

圖36 三極管飽和導(dǎo)通仿真

如圖36所示，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)左邊三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，增加基極電阻Rb那么三極管將處于放大狀態(tài)。

圖37 三級(jí)管放大電路仿真分析

如圖37所示，根據(jù)計(jì)算的參數(shù)仿真可得，基極靜態(tài)電壓為2.57V，輸出電壓靜態(tài)點(diǎn)為4.77V，發(fā)射極電壓為1.8V，結(jié)果還是比較準(zhǔn)確的，也因三極管而異。

圖38 三極管波形分析

如圖38所示，紅線波形是放大后的信號(hào)，藍(lán)色線是輸入信號(hào)，輸出信號(hào)的峰峰值為4.619V,輸入信號(hào)的峰峰值為1V，放大倍數(shù)為4.6倍，與實(shí)際值相差不多，驗(yàn)證成功。

圖39 三極管放大倍數(shù)分析

如圖39所示，用波特測(cè)試儀對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行分析，增益為15db，而理論上的增益為：

15db與理論值相差不多，所以增益驗(yàn)證正確。