如何用三极管设计放大电路

引言

很多人看完模电书上的三极管放大电路原理后，了解到三极管是怎么“放大”电流的，但是让他自己设计一款合适的放大电路，基本上是没有思路，不知道从哪里下手。今天，我就带领大家来学习一下如何用三极管设计放大电路，本文以共设放大电路为例进行讲解。

图1 共发射极放大电路

直流分析

1. 如图2所示电路中由于三极管的Ib很小可以忽略，所以基极电位就是R1与R3分压得到的。



2. 由于VBE的电压为0.6V左右，因此发射极电位是基极电位减去0.6V。



 



通过发射极上电位就可以求到发射极上流动的电流。



3. 由于IE=IB+IC,IB很小，可以忽略，则IE≈IC，所以可以通过IE求得Vc。

图2 共发射极放大电路中各个部分的直流电位

交流分析

1. 由于基极与发射极之间可以看成一个二极管，而二极管在导通情况下，由于压降一定，则二极管两端的电压变化是一致的，因此基极端的交流电位vi的变化与发射极端的交流电位ve的变化是一致的，因此Δve=vi来求得发射极变化的电流。



另外，集电极电流的交流部分为Δic，通过Δic就可以求得集电极交流电压。



由于Δib很小，所以可以认为Δic=Δie，从而得到集电极交流电压计算公式。



2. 因为C1将vc的直流成分去掉了，输出信号vo就是Δvc。则放大倍数为RC与RE之比。



由上面公式可知，放大倍数与直流电流放大系数β(hFE)无关，是由RC和RE决定的。RE增大，放大倍数减小，由此可见RE引入了负反馈，有抑制因β的分散性和VBE的温度变化而产生的发射极电流变化的作用。

图3 求电压增益

电路设计

表1 共射极放大电路设计规格

1. 确定电源电压

因为要输出5Vp-p的电压，所以需要5V以上的电源电压。因为有vb和vbe的存在，所以发射极电阻RE上最低加上1~2V的电压，由于要满足静态工作点的要求，Vce一般取电源电压的一半，所以电源电压取15V。

2. 晶体管的选择

因为电源电压是15V，所以要选择VCEO与VCBO要大于15V的晶体管，由于没有其他的特殊要求，所以就选择常用的NPN三极管9013。

图4 S9013最大额定值(Ta=25℃)


图5 S9013电特性(Ta=25℃)

3. 确定发射极电流的工作点

根据需求设置IE,但是本设计没有要求，所以IE取值不要超过最大额定值就行了，这里为了方便取值1mA。

4. 确定RC和RE

为了满足静态工作点在中间位置，保证不出现饱和失真和截止失真，所以取VCE为一半的电源电压，即7.5V，因为IE为1mA，所以RE+RC为7.5KΩ。



因为AV=5，所以RC为6.25KΩ。



那么RE为7.5KΩ-6.25KΩ=1.25KΩ。

但是E24系列电阻中没有这两个值，则取RC为6.2KΩ,RE为1.3KΩ。当前参数的放大倍数为4.7倍。

通过计算得到晶体管的静态损耗PC为7.5mW。



5. 基极偏置电路设计

由于VE=1mA*1.3KΩ=1.3V，VBE为0.6V，所以基极电位VB必须是1.9V。假设β为100，那么Ib就等于0.01mA。要想Ib有0.01mA，那么流过偏置电阻的电流应该是Ib的数倍，这里取10倍，所以流过偏置电阻的电流为0.1mA。那么R1为131k，R3为19k。但是E24系列电阻中没有这两个值，所以需要重新取值，只要能让VB为1.9V，且偏置电流不低于0.1mA就行，这里取R1为110K，R2为16K。



6. 确定耦合电容C1和C2

C1和C2的目的就是隔直通交，仅让交流成分通过。C1与C2和输入输出电阻分别构成高通滤波器，为了满足隔直通交的目的，这里取值为10uF。

总结

图6 仿真波形图

图6可知，AV=8.981V/1.968V=4.56倍。由于我们忽略了Ib的存在，所以更理论值存在一定的偏差是正常的。

图7静态工作点

通过图7可以发现，静态工作点更理论值差不多，有一定的偏差是因为我们忽略了Ib的存在。

因此，我们这种设计的思路是可行的，也是有理论依据的，如果大家有更好的方法就在评论讨论讨论。