单管三极管放大电路设计(一)

上一篇文章讲了三极管的基础知识，这篇讲解真正具有实用意义的单管三极管放大电路完整版，所以本文较长，请耐心看完。

三极管放大电路的应用很广泛，举一个生活中最常见，而且好多人都在使用的东西—功放机。它就是把微小的带有声音性质的电信号进一步放大，最后推动扬声器发声。与之类似的还有扩音器，说通俗点就是那种在小摊喊通通只要九块九的那种喇叭。

一.放大的概念

放大电路放大的本质是能量的转换和控制，电子电路放大的基本特征是功率放大，这就是“功放”这个名词的由来。放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。

二.放大电路的性能指标

1.放大倍数

放大倍数是直接衡量放大电路能力的指标。如一个放大电路倍数是10倍，它就可以把0.1V的信号放大为1V，前提是供电电压超过1V。

电压放大倍数：

输出电压U0与输入电压Ui比值。

电流放大倍数：

输出电流与输入电流比值。

2.输入电阻：

放大电路要想工作肯定得有电信号的输入，电信号虽然微小，但也肯定有一定的电压跟电流，只不过很小罢了。当输入信号接入放大电路，放大电路就成为了电信号的负载。这很好理解，信号源就理解为一个电池，放大电路就理解为一个灯泡负载。既然放大电路作为负载，那么就必然会从电信号中获取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。这个输入电阻Ri是电信号输入电压有效值Ui与输入电流有效值Ii之比，Ri＝Ui／Ii。

3.输出电阻：

有了输入电阻的解释，输出电阻就显得更加好理解了。任何放大电路的输出都可以看成是一个有内阻的电压源。这也很好理解，换个角度，这里把放大电路看成一节电池，现实生活中的电池都是具有内阻的，现在科技还做不出没有内阻的电池，电池内阻大小一般为毫欧级别，因为很小，所以在电路计算中可以忽略。但是放大电路的内阻就是输出电阻忽不忽略就得看情况了而定了。输出电阻我们称为R0，空载输出电压的有效值称为U1，带负载后输出电压的有效值为U0，负载电阻为RL，他们的关系为：

U0＝RL/（R0+RL）×U1

上述公式变换一下

R0＝（U1/U0-1）×RL

从公式可以看出R0越小，负载电阻RL在变化时，U0的变化越小，放大电路带动负载的能力就越强。当然在一些电路设计当中，输出电阻并不是越小越好，这得需要根据情况具体来设定。

三.基本共射放大电路的工作原理

图1

借用上一篇文章的图片。

当Ui＝0时，此时放大电路工作在静态状态。在输入回路中，基极电源VBB使三极管b,e之间大于开启电压，并且与基极电阻共同决定流入基极的电流。在输出回路中，集电极电源VCC应该足够高，使三极管集电极处于反偏状态，VCC要足够高还有一个原因，假设输入信号为0.5V，电路要放大20倍，那么放大后的电压就为10V，所以集电极的供电电压必须为10V以上，不然电路就会发生失真。集电极电流IC＝ β×IB，集电极电阻RC上的电流就等于IC，因而其电压为IC×RC，从而确定了集电极到发射极的电压也就是C到E之间的电压为UCE＝VCC-IC×RC。图片当中可以看到有两个电源标志性字母代表，VBB和VCC，是不是说就得需要两个电源来工作？其实不需要，在实际电路中只需要用电阻进行分压就可以，具体文章下面会讲到。

好了，接下来重点来了，三极管放大电路的工作过程。当有不断变化的Ui输入时，在输入回路中，必然会在静态值的基础上产生一个动态的基极电流Ib。同时在输出回路就得到动态电流Ic，相对应的会在集电极电阻产生动态电压，根据公式UCE＝VCC-IC×RC可以看出，只要Ic变化，三极管C跟E之间电压就变化，称为管压降UCE，管压降的变化量就是输出动态电压U0，从而实现了电压放大。

四.放大电路静态工作点设定的必要性

上面提到过放大电路在没有信号输入的时候工作在静态。那么在静态的时候，三极管是需要一定的工作电流的。换一个思路讲，也就是说三极管即使没有在工作，，需要一定的能量维持在放大状态。一旦有信号输入就立马进行信号的放大输出。定义几个物理量来说明一下该怎样计算电路静态工作点。基极电流Ibq,集电极电流Icq,c到e压降Uceq也就是管压降，b到e间电压Ubeq,以上字母代表三极管静态工作点。其中Ubeq前面说过约等于0.5V到0.7V，是一个已知量，真正计算的时候可以取等于0.6V。所以三极管静态工作点根据图一所示电路。可以由以下方程进行计算：（q的意思是代表这个物理量就是静态工作点）

Ibq=（VBB-Ubeq）/Rb

Icq＝β×Ibq

Uceq＝ VCC-Icq×Rc

四.放大电路组成的原则

1.必须根据所用放大管的类型提供直流电源，以便设置合适的静态工作点。

2.电阻取值得当与电源配合，促使放大管有合适的静态工作电流。

3.输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。对于晶体管输入信号必须能够改变基极与发射极的电压，也就是说输入信号能够促使基极与发射极电压在工作点附近上下变化。

五.两种实用的共射放大电路。

图二

在实际的放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号，直流电源，输出信号均有一端接在公共地，称为共地。如图2所示就是基极电源与集电极电源合二为一了。用电阻分压来获得合适的静态工作点。图2电路的连接方式我们称为直接耦合，耦合的意思就是连接。下面会讲到阻容耦合，就是在输入端串接一个电容，输出也串接一个电容。区分是直接耦合还是阻容耦合的方式，就看输入、输出有没有电容就可以了。下面介绍公式来求这个电路的静态工作点：

图三

我相信大家在看到这组公式的时候，肯定有一些疑惑，下面就来重点分析一下。所谓静态那就是没有输入的时候，那就直接把图二输入端给短路如下图：

图四

首先确定的是Rb1是必不可少的，如果没有Rb1，由于输入是直接短路的，那么三极管因为没有b到e的开启电压就会截止不工作。电流从电源VCC出来经过Rb2,此时出现分流，一部分进入三极管基极到发射极到地，一部分到Rb1到地，这样求出总电流，减去流过Rb1的电流就是三极管的基极电流，这就是图三第一个公式的解释，后面两个就不用说了前面都讲过了。

但是这种放大电路有一个缺点，当输入信号开始流入电路时要先经过Rb1，才能到达三极管进行放大。这就造成了输入信号在此电阻上的损耗，因此就减小了三极管基极跟发射极之间的信号电压。前面说过信号加载到此会引起Ube在0.6V上下变化，信号有损耗了，变化也就小了，放大效果就不明显了。其实从这里也可以看出来，三极管的放大作用就是小范围的改变Ube间的电压来达到效果的，有点四两拨千斤的感觉。此电路还有一个缺点，在输出端接入负载之后，负载上不仅有被放大的信号电压，还会有从电源直接过来的直流电压，这就导致了负载上会存在我们不需要的直流电流。通常这一个直流电流成分我们是需要去除的。所以有了以下改进电路，就是前面提到过的阻容耦合电路。就是把Rb1换成电容，在输出端跟负载之间也接入一个电容。为什么要接入一个电容呢？因为电容有一个作用就是通交流隔直流，输入端的信号可以通过电容进入放大电路，一般输入信号是以交流形式存在的，输出端被放大后的信号通过电容到达负载，从电源出来的支流成分就被电容阻挡在外。具体电路如下图：

图五

此电路静态工作点的计算如下图：

图六

六.放大电路静态工作点的稳定

在实际应用中，上述电路因为电源电压的波动，元器件的老化以及外界温度的影响，它的静态工作点是会发生变化的，这就需要一种更为稳定的电路结构形式。即使因为外界条件发生变化，静态工作点也不会发生变化，保持稳定。在上述因素当中，温度因素尤为敏感，因为三极管为半导体，对温度非常敏感，也就是说温度的上升下降会影响他的静态工作点。下图就是典型的静态工作点稳定电路。

图七

首先来解释一下这个电路是怎样工作的。

流过B点的电流计算公式：

I2＝I1+IBQ

为了稳定静态工作点，通常满足以下条件。

I1＞＞IBQ（远大于）

因此，可以近似的看成I2＝I1。

所以B点电压如下公式计算：

UBQ＝Rb1/(Rb1+Rb2)×VCC

上述公式可以看出基极电位几乎决定于Rb1和Rb2对电源的分压，而与外界因素如温度没有关系了。

下面具体讲一下稳定静态工作点的原理。

当温度升高时，集电极电流Ic增大，发射极电流Ie肯定相对应的增大，所以发射极电阻Re上的电压UE就增大。因为UBQ基本不变，根据公式UBQ=UB-UE，所以Ube肯定减小，这就导致基极电流Ib减小，相对应的集电极电流Ic也会减小。从而得到相对稳定的静态工作点。