基于晶體三極管的放大電路分析

袁龍剛

（蘭州鐵路技師學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

三極管是電子電路設(shè)計(jì)中的重要元件，其電路起著電壓電流放大的作用。三極管中有3個(gè)工作區(qū)，在放大區(qū)選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)q，使輸入信號(hào)失真并穩(wěn)定放大。同時(shí)，三極管對(duì)不同的信號(hào)頻率有不同的響應(yīng)，高頻電子電路主要工作在三極管的飽和區(qū)。

1 三極管放大電路概述

半導(dǎo)體晶體管被稱為雙極晶體管，三極是發(fā)射極、集電極以及基極。在三極NPN的情況下，通過在硅片上生長(zhǎng)的摻雜工藝在三極管上形成兩個(gè)PN結(jié)，并在不同的偏壓下控制兩個(gè)PN結(jié)的開關(guān)控制。電壓和電流放大效應(yīng)大大加快了電子技術(shù)的發(fā)展。

晶體的三極管分為不同的類型，根據(jù)制造材料分為鍺管和硅管，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為PNP管和NPN管。把微弱的電信號(hào)按一定倍數(shù)放大。它還具有開關(guān)作用，用來構(gòu)成多種脈沖與數(shù)字電路。它體積小、能耗低、價(jià)格便宜，已廣泛應(yīng)用于電子線路中。

2 不同組態(tài)的三極管放大電路

根據(jù)三極管電路中的連接方式可知，三極管有多種不同的電路設(shè)計(jì)模式。在電路設(shè)計(jì)中，三極管的工作方式有放大、飽和以及截止，這與三極管的外部偏置電壓有關(guān)。當(dāng)集流結(jié)反向偏置時(shí)，發(fā)光結(jié)正向偏置，三極管在放大區(qū)工作。當(dāng)發(fā)光結(jié)和集電極結(jié)同時(shí)被正向偏壓時(shí)，三極管會(huì)產(chǎn)生飽和應(yīng)變。當(dāng)發(fā)光結(jié)反向偏壓時(shí)，即使三極管的集流結(jié)偏壓，三極管也處于關(guān)斷狀態(tài)。晶體三極管有兩種類型，一種是NPN型(多為硅管，硅管比較穩(wěn)定，應(yīng)用較廣泛)，另一種是PNP型(多為鍺管)。每種類型都有兩個(gè)PN結(jié)(發(fā)射結(jié)和集電結(jié))，三個(gè)區(qū)(發(fā)射區(qū)，基區(qū)和集電區(qū))。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖然半導(dǎo)體類型相同，但發(fā)射結(jié)比集電結(jié)的面積小，發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻雜濃度大，所以兩區(qū)的作用是不同的。使用時(shí)發(fā)射極與極電極一般不能互換。兩種類型三極管工作原理相似，僅使用時(shí)外加電源的極性不同。外加電源的極性，根據(jù)發(fā)射極上邊的箭頭方向來決定，NPN型發(fā)射極接負(fù)，PNP型發(fā)射極接正極。

3 晶體三極管的電流放大作用

NPN型三極管的實(shí)驗(yàn)電路如圖所示，有兩個(gè)電流回路。輸入回路(又稱基極回路)，輸出回路(又稱集電極回路)。其中發(fā)射極是公共端，這種接法就稱為三極管的共發(fā)射極接法。

NPN型三極管集電極回路電源電壓要大于基極回路電源電壓，這樣才有可能是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管起到放大作用。改變基極電流，集電極電流和發(fā)射極電流都發(fā)生變化。

對(duì)于NPN型三極管，實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：（1）發(fā)射極電流等于基極電流和集電極電流之和。（2）基極電流很小，集電極電流與發(fā)射極電流接近相等。（3）較小的基極電流變化能引起較大的集電極電流變化。而且比值在一定范圍內(nèi)基本不變，這一變化規(guī)律稱之為三極管的電流放大作用。集電極電流的變化量與對(duì)應(yīng)基極電流的變化量的比值叫做三極管的電流放大系數(shù)。用符號(hào)β表示。當(dāng)β值不在保持基本不變而是下降較大時(shí)，基極電流對(duì)集電極電流就失控了，這時(shí)三極管是處于飽和狀態(tài)。對(duì)于PNP型三極管具有電流放大作用，同樣必須使其發(fā)射結(jié)加上正向偏置，集電結(jié)加上反向偏置。

4 晶體三極管的特性曲線

4.1 輸入特性

主要可從以下幾個(gè)層面做好簡(jiǎn)要分析：

（1）當(dāng)集射極電壓為固定值時(shí)，輸入回路中基極電流與基射極電壓之間的關(guān)系。①當(dāng)集射極電壓為零伏時(shí)，三極管的輸入特性與二極管的正向伏安特性相似。②當(dāng)集射極電壓≥1v時(shí)，輸入特性右移。大于1V和等于1V的輸入特性曲線接近重合。

（2）當(dāng)基極電流為恒定值時(shí)，輸出電路中集電極電流與集射極電壓之間的關(guān)系。①放大區(qū)。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)集電極電流受基極電流的控制而與集射極電壓幾乎無關(guān)，具有電流放大的作用。在不同的基極電流值下，各條輸出特性曲線近乎平行。當(dāng)所取的基極電流值間隔相同時(shí)，所得的輸出特性曲線的間隔的大小反映了管子的電流放大系數(shù)β值的大小。此時(shí)集電極電流與基極電流成正比關(guān)系，故放大區(qū)又稱為線性區(qū)。三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。②截止區(qū)?；鶚O電流等于零的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)?；鶚O電流等于零，集電極電流不等于零，而是一個(gè)較小值，通常稱它為穿透電流I CEO。在常溫下穿透電流數(shù)值很小，三極管極射極間接近開路，處于截止?fàn)顟B(tài)。③飽和區(qū)。集射極電壓很小(硅管約小于0.5v)的區(qū)域稱為飽和區(qū)(飽和區(qū)跟集電極電壓相關(guān))。在飽和區(qū)集電極電流的大小幾乎只決定于集電極的外部電路，基極電流的進(jìn)一步增大不會(huì)引起集電極電流的顯著增大。一般稱三級(jí)管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)三極管在輸出回路中相當(dāng)于接通狀態(tài)下的開關(guān)。在飽和區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)均處于正向偏置。三極管組成放大電路是工作在放大區(qū)處于放大狀態(tài)，組成數(shù)字電路是工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，處于飽和與截止?fàn)顟B(tài)。

5 基本放大電路

5.1 原理

三極管：能量較小的輸入信號(hào)是通過三極管的控制作用去控制電源所提供的能量，以便在輸出端獲得一個(gè)能量較大的輸出信號(hào)。三極管也可以說是一個(gè)以小電流控制大電流的控制元件。

集電極負(fù)載電阻Rc：主要是將集電極電流的變化變換為電壓的變化，以實(shí)現(xiàn)電壓放大。阻值一般為幾千歐到幾十千歐。

直流電壓源：為放大電路提供能量，并使集電結(jié)處于反向偏置，發(fā)射結(jié)處于正向偏置。三極管工作在放大區(qū)時(shí)直流電壓源一般為幾伏到幾十伏。

基極偏置電阻Rb：電源通過基極偏置電阻使三極管的發(fā)射結(jié)處于正偏。改變基極偏置電阻的數(shù)值就可以改變?nèi)龢O管的基極電流，從而相應(yīng)的改變集電極電流和管壓降，使放大電路建立起合適的直流工作狀態(tài)，并工作于三極管的線性區(qū)，通常這種工作狀態(tài)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。即基極電阻是確定放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的關(guān)鍵元件，通常稱之為偏置電阻。

耦合電容：(隔直電容)交流信號(hào)可以順利的通過耦合電容，而放大電路的直流靜態(tài)工作電流卻被耦合電容隔斷，使三者之間無直流聯(lián)系。在放大電路工作頻率范圍內(nèi)，耦合電容的容抗很小，對(duì)交流信號(hào)視作短路。耦合電容的電容值要取的較大，低頻放大時(shí)一般使用幾微法到幾十微法的電解電容器，連接時(shí)注意電解電容器的極性。

5.2 估算法

（1）概述。①靜態(tài)估算主要是對(duì)電路中的直流分量—基極電流、集電極電流以及集射極電壓的計(jì)算，即對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算。②動(dòng)態(tài)是指有交流信號(hào)輸入放大電路時(shí)該電路的傳輸特性。動(dòng)態(tài)估算是在靜態(tài)工作點(diǎn)確定后進(jìn)行的。它可以給出放大電路的交流輸出電壓，放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻等的估算值。用簡(jiǎn)化微變等效電路(在小信號(hào)微變量的條件下，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，近似的用直線來代替曲線，將三極管線性化)分析法進(jìn)行動(dòng)態(tài)估算。

（2）輸入電阻的計(jì)算：一個(gè)放大電路總是要與其他電路相聯(lián)系的，輸入端或是連接信號(hào)源或是連接上一級(jí)放大電路。輸出端或是連接負(fù)載，或是連接下一級(jí)放大電路。放大電路和它們之間是相互聯(lián)系、相互影響的。放大電路對(duì)于信號(hào)源來說是一個(gè)負(fù)載，可以用一個(gè)電阻，等效代替這個(gè)電阻就是放大電路的輸入電阻。放大電路的輸入電阻基本上等于三極管的輸入電阻。通常希望放到電路的輸入電阻大一些。第一，電阻大從信號(hào)源取較小的電流，減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。第二，輸入電阻分壓使實(shí)際加到放大電路的輸入電壓增大，從而增大電路的輸出電壓。第三，后級(jí)放大電路的輸入電阻大(前級(jí)負(fù)載電阻大)，將會(huì)提高前級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)。

（3）輸出電阻的計(jì)算。放大電路對(duì)于負(fù)載來說，可將它等效為一個(gè)理想電壓源與內(nèi)阻相串聯(lián)的電路。這個(gè)內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻。一個(gè)信號(hào)源，它的內(nèi)阻越小，損耗越小，輸出特性越強(qiáng)。所以一般希望放大電路的輸出電阻越小越好。輸出電阻可以這樣來計(jì)算，將負(fù)載端開路求出放大電路的開路電壓。再將負(fù)載端短路，求出放大電路的短路電流。然后用開路電壓除以短路電流就得到內(nèi)阻輸出電阻。求輸出電阻的另一種方法是在放大電路的信號(hào)源短路和負(fù)載開路的條件下，在放大電路的輸出端加一個(gè)已知電壓。計(jì)算出流入放大電路的電流，然后通過電壓除電流計(jì)算出內(nèi)阻。應(yīng)用簡(jiǎn)化為變等效電路分析法，可以方便的估算放大電路的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻。微變等效電路只能作為交流信號(hào)的動(dòng)態(tài)分析，不適用于靜態(tài)分析。

6 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段相關(guān)部門逐步重視晶體三極管的放大電路分析工作，為進(jìn)一步保障工作實(shí)效，需要根據(jù)實(shí)際情況明確其整體情況，制定有效的舉措，促進(jìn)各項(xiàng)工作的持續(xù)性開展。