晶体管电路设计(上)
第1节 观察放大电路的波形
更新于2008-08-28 11:04:48

2.1.1  5倍的放大

放大电路的作用是将小信号放大为大信号。例如,将0.1V的信号提高为1V信号——即是放大。
首先,用晶体管组成一般的放大电路,并用示波器对各部分的工作波形进行观察。
图2.1是进行实验的电路。看一下晶体管就知道,晶体管有三个端子,分别是基极、发射极和集电极。在图2.1的电路中,基极为输入,集电极为输出,发射极为公用(地)端。因此,称图2.1的电路为共发射极放大电路(Common Emitter Amplifier)。作为信号放大用IC的有名的OP放大器,在其内部起放大作用的部分电路当中,使用的就是共发射极放大电路。


图2.1实验用的放大电路
(用一只晶体管进行工作的典型的共发射极放大电路)

照片2.1是将图2.1的电路封装在通用印制板上的放大电路。如果操作熟练的话,这种电路10分钟就能封装(焊接)完毕。


照片2.1实验用单晶体管放大电路
(该电路几乎是原尺寸大小。如果晶体管采用小信号放大NPN晶体管,该电路就大体上能够使用)

照片2.2输入电压vi与输出
电压vo的波形(200μs/div,1V/div)
(vi为1Vpp,vo为5Vpp,即是5倍的放大。因为周期为1ms,信号的频率为1kHz,vi与vo的相位相反)

在该电路中,当输入信号是由实验用的正弦波发生器产生的1kHz、1Vpp的正弦波信号时,其输入输出波形如照片2.2所示。
输入信号vi为1Vpp,输出信号vo的振幅(波形上下之间的值)为5Vpp,这个电路的电压放大倍数Av为5。如果用对数来表示,则为20lg5≈14dB。
仔细对波形进行观察可知,输出波形的相位相对于输入波形有180°的改变(波形反转)。


2.1.2 基极偏置电压

照片2.3是输入信号vi与晶体管基极电位vb的波形。
vb的振幅和相位完全与vi相同,vb的波形是在交流成分上叠加约2.6V(在照片中为2.62V)的直流电压的波形。
该直流电压称为基极偏置电压,产生偏置电压的电路(在该电路中,为R1与R2)称为偏置电路。
所谓偏置(bias)是“偏离”的意思,在图2.1的电路中,将基极电位偏离了直流2.6V,故有这样的称呼。
位于输入端的电容C1是切去基极偏置电压(直流)仅让加在输入端的交流成分通过的电容。由于它使输入信号与电路或者电路与电路相耦合,所以称为耦合电容。


照片2.3输入电压vi与基极电位
vb的波形(200μs/div,1V/div)
(vi以0V为中心作正负振动,即是交流。vb等于在直流偏置上叠加vi)


照片2.4基极电位v1与发射极电位
ve的波形(200μs/div,1V/div)
(vb与ve的交流振幅几乎相同,而直流电位相差约0.6V,这是晶体管电路的特点)


2.1.3 基极——发射极间电压为0.6V

照片2.4为基极电位vb与发射极电位ve的波形。在交流上,vb与ve的振幅与相位是完全相同的波形。如照片2.3所示,vi与vb在交流上是相同的波形,所以发射极电位ve成为与输入信号完全相同的波形。
因此,当在晶体管的基极上加上信号时,即使从发射极将信号取出,也完全没有电压放大作用(电压放大倍数为1)。
再来注意照片2.4中的直流电位。vb是在+2.6V的直流上叠加1kHz的交流信号,但是,ve是在约比它低0.6V(在照片中为0.62V)即+2V上叠加同样的交流信号。


2.1.4 两种类型的晶体管

实际上晶体管有两种类型,分别称NPN晶体管和PNP晶体管。它们都有如图2.2所示的两个PN结。
该PN结为图2.3所示的二极管。可以这样认为,晶体管在基极发射极间和基极集电极间连接着二极管(显然,晶体管不是如图2.2所示的那样将两个二极管连接起来的)。
在一般的放大电路中,使基极发射极间的二极管ON(导通),使基极——集电极间的二极管OFF(截止)来设置晶体管各端子的电位(偏置电压)。


图2.2晶体管的PN结
(在双极晶体管中有两种类型,可根据电源情况灵活使用。通常使用正电源的NPN型晶体管)

图2.3二极管特性
(二极管就是PN结,在正向约0.6V的压降之后,电流开始流动,反向,则阻止电流流动)


在图2.1的电路中,也使基极发射极间的二极管ON,基极发射极间电压VBE(在照片2.4中为vb与ve之电压差)与普通硅二极管的正向压降是相同的值,即0.6~0.7V(参见图2.3(b))。
双极晶体管(普通的晶体管)与在数据表上写着的小信号、功率、低频和高频等用途没有关系,在进行放大工作时,肯定为VBE≈0.6~0.7V。
在晶体管电路中,这是极其重要的事情。不是夸张地说,只要知道VBE≈0.6V与欧姆定律,无论怎样复杂的晶体管电路都能进行解析和设计。


2.1.5 输出为集电极电压的变化部分

照片2.5是发射极电位ve与集电极电位vc的波形。至今所见到的波形vb与ve是与输入信号vi相同的波形,不进行电压的放大。但是,如照片2.5所示,在集电极呈现出vi被放大了的波形(相位与vi相反)。
相对于发射极电阻RE,如照片2.4所示,ve振幅为2V±0.5V,所以晶体管的发射极电流ie(=在RE上流动的电流)是以1mA为中心,作±0.25mA的变化[(2V±0.5V)/2kΩ=1mA±0.25mA]。
在晶体管的各端子流动的电流有如图2.4所示的关系。但是与集电极电流ic相比,则ib是非常小的值,可以忽略不计,则ie=ic。


照片2.5发射极电位ve与集电极电位
vc的波形(200μs/div,2V/div)
(vc与ve是反相,在vc出现将ve放大了的电位)

图2.4晶体管各端子的电流
(表示交流成分时,用小写的符号,NPN型与PNP型晶体管的电流方向完全相反)
 

因此,在图2.1的电路中,集电极电流ic也与ie相同为1mA±0.25mA。换一个看法,如图2.5所示,将输入信号vi的电压变化Δvi(此时为±0.5V)变换成电流变化Δic(此时为±0.25mA),则可以将图2.1的电路看成是由集电极进行输出的电流源。


图2.5将电压变化变成电流的变化
(对共发射极放大电路如果改变一下看法,也可以说是由输入电压控制的可变电流源)
 

进而,利用集电极与电源间接入的电阻RC(称为集电极负载电阻),Δic以电阻上的压降形式再次变回到电压的变化Δvc,并由集电极取出。
因为RC是接在电源与集电极之间,所以RC的压降是相对于电源产生的。因此,RC的压降增加(vi增加,ic就增加),则相对GND的集电极电位vc就减少。RC的压降减少(vi减少,则ic就减少),则vc就增加。因此,相对于vi,vc的相位是反相位(相位差为180°)。


照片2.6集电极电位vc与输出电压
vo的波形(200μs/div,2V/div)
(用电容将vc的直流截去,则输出vo,vo是以0V为中心振动的交流信号)
 


由照片2.4和照片2.5可知,发射极接地时,在晶体管的各端子出现的信号相位是:基极发射极间为同相位,基极集电极间和发射极集电极间为反相位。
照片2.6是集电极电位vc与输出信号vo的波形。
由此可知,电容C2将vc的直流成分(此时为5V)截去,仅将交流成分作为输出信号取出(C2是起着与C1一样作用的耦合电容)。

 

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