晶体管电路设计(上)
第2节 放大电路的设计
更新于2008-08-28 11:05:15

通过对各部分工作波形的观察,我们对共发射极放大电路的大致工作情况已经有所了解。下面,从简单求出电路各部分的直流电位和交流放大率开始,来看一下具体的电路设计。


2.2.1 求各部分的直流电位

首先,在图2.1所示的电路中,基极的直流电位VB(为vb的直流部分,或者没有输入信号时的基极电位)是用R1和R2对电源电压VCC进行分压后的电位(参见照片2.3),所以,流进晶体管的基极电流的直流成分IB是很小的,可以忽略,则
VB=R2/(R1+R2)   ·VCC(V)    (2.1)
发射极的直流电位VE(ve的直流成分),如照片2.4所示,仅比VB低于基极发射极间的电压VBE,如设VBE=0.6V,则VE为:
VE=VB-0.6(V)(2.2)
发射极上流动的直流电流IE(ie的直流成分)为:
IE=VE/RE=(VB-0.6)/RE(A)(2.3)
集电极的直流电压VC(vc的直流成分)为电源电压减去RC的压降而算得的值,所以VC为:
VC=VCC-IC·RC(V)(2.4)
在式中,基极电流为很小的值,所以可忽略,则IC=IE。所以式(2.4)成为
VC=VCC-IE·RC(2.5)
以上求得的各部分的直流电位表示在图2.6中。


图2.6共发射极放大电路中各部分的直流电位
(基极的输入阻抗非常高,如果认为集电极电流与发射极电流相等就简单了)
 

2.2.2 求交流电压放大倍数

接着求一下图2.1所示电路的交流放大倍数(交流增益)。
由于晶体管的基极发射极间存在的二极管是在导通情况下使用的(交流电阻为0),所以基极端子的交流电位(=vi)直接地出现在发射极,因此,由交流输入电压vi引起的ie的交流变化部分Δie为:
Δie=vi/RE(2.6)
另外,令集电极电流的交流变化部分为Δic,则vc的交流变化部分Δvc为:
Δvc=Δic·RC(2.7)
进而认为,集电极电流=发射极电流,则Δic=Δie,所以,
Δvc=Δie·Rc=vi/RE·RC(2.7′)
另一方面,因用C2将vc的直流成分截去,故交流输出信号vo即为Δvc的本身:
vo=Δvc=vi/RE·RC(2.8)
因此,该电路的交流电压放大倍数Av由式(2.8)可得
Av=vo/vi=RC/RE(2.9)
如式(2.9)所示,放大倍数Av与晶体管的直流电流放大系数hFE无关,而是由RC与RE之比来决定的(因为认为基极电流为0,所以与hFE无关,然而,严格来说是有关系的)。
另外,RE的值增大,则放大倍数Av减小,所以可以认为该电路由RE加了负反馈。为此,称RE为发射极反馈电阻。由于负反馈,RE有抑制因hFE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。
这样一来,晶体管的信号放大电路也不是那样的难理解,这是因为几乎只由两个电阻RE与RC之比就能决定放大倍数的缘故。将图2.1电路的交流放大倍数的求法总结在图2.7中。


图2.7求电压增益
(假设集电集电流与发射极电流相等,令发射极上出现的交流成分等于输入信号,则RE与RC之比就为放大倍数)
 

2.2.3 电路的设计

由于已经求得各部分电位和交流放大倍数,下面就具体进行设计,求出图2.1电路的参数。
在进行设计时,要明确“制作什么样性能的电路”,或有这样的要求,即“请制作这样性能的电路”。
下表中表示设计规格。这里除了电压放大倍数与最大输出电压,其他没有特别的规定。
                                                         共发射极放大电路的设计规格
                                            电压增益                                   5(14dB)倍
                                            最大输出电压                              5Vp_p
                                            频率特性                                         任意
                                            输入输出阻抗                                 任意


2.2.4 确定电源电压

首先确定电源电压。最大输出电压是重点。为了输出5Vpp的输出电压,显然必须要5V以上的电源电压。
其次,为了使集电极电流流动,由于发射极电阻RE上最低加1~2V的电压(理由后述),所以电源电压最低必须为6~7V((5+1)~(5+2)V)。
在这里,决定采用与OP放大器的电源电压(±15V)一样的15V(该电源容易得到)。


2.2.5 选择晶体管

如图2.2所示,晶体管有NPN和PNP两种类型。图2.1是用NPN晶体管组装的电路。用PNP组装的电路表示在图2.8中。


图2.8用PNP型晶体管的共发射极放大电路
(将图2.1换成PNP型晶体管,显然也进行工作)
 

使用PNP晶体管的电路与使用NPN晶体管的电路,其电流方向相反。为了使偏置电压的极性相反,就成为将电源与GND进行交换的形式。
在这里采用的是NPN型晶体管。但是根据自己的爱好,用NPN型或PNP型都没有关系。
现在,具体来选择晶体管。晶体管依照其用途大致分为高频(2SA××××,2SC××××)与低频(2SB××××,2SD××××),进一步还可分为小信号与大功率(在型号上不能区别)。至于它们的品种有几千种之多,所以从其中选择所需要的品种是非常困难的。
确切地讲,在追求最终性能(噪声大小和高频特性等)的情况下,晶体管的特性左右着电路的性能,所以必须慎重选择器件。但是,该电路是为实验用的,仅规定了放大倍数与最大输出电压,所以如不超过晶体管的最大额定值(不损坏的话),无论使用哪个品种都一定能工作。反过来说,如果是这种电路,就不必太拘泥于晶体管的规格(即型号)。只要是NPN型晶体管的任何一种都可以。
考虑一下晶体管的最大额定值,因电源电压为15V,所以在集电极基极间和集电极发射极间有可能最大加上15V电压(加上大振幅输入信号时)。因此,选择集电极基极间电压VCBO与集电极发射极间电压VCEO的最大额定值为15V以上的器件。
在这里,从满足前述最大额定值条件的器件中,选取了通用小信号晶体管2SC2458(东芝)。在表2.1中,表示出2SC2458的特性。


表2.12SC2458的特性
(典型的小信号晶体管的例子。直流电流放大系数hFE按照颜色记号分为O~BL四档。在品名后带有○L,则可得到NF=3dB(max)的低噪声规格)
(a)最大额定值(Ta=25℃)


(b)电特性(Ta=25℃)


(c)


2SC2458依直流电流放大系数hFE的大小分为O~BL 四档。但从式(2.9)可知,Av与hFE的大小无关。所以任一档hFE都没有关系。
还有,该2SC2458作为通用晶体管,在其他章节中还会再次出现,所以最好预先对它有所了解。


2.2.6  确定发射极电流的工作点

接着是设定工作点。晶体管的性能,特别是频率特性随着发射极电流(或者集电极电流)变化而产生很大变化。


图2.92SC2458的频率特性与发射极
电流的关系
(通常晶体管具有一增加发射极电流=工作电流,则频率特性就有变好的倾向)


在图2.9表示2SC2458的频率特性与发射极电流的曲线图。fT称为晶体管的特征频率,它表示交流电流放大系数为1时的频率。它的值随发射极电流从30~500MHz有很大的变化。关于fT先了解这些就可以了。
由该曲线图可知,如果希望频率特性最好(fT最高),必须将IE设定在IE=40mA。
对于噪声特性也一样,存在着噪声最小的集电极电流(≈发射极电流)。在同一晶体管中,频率特性最好的发射极电流与噪声特性最好的发射极电流是不同的。
即使这样,因为该电路没有其他更详细的规定,所以如果IE为最大额定值(由表2.2可知为150mA)以下,不管多少毫安都没有关系。在这里取为1mA。显然,即便是1.5mA,2mA也都可以。但是使用完整的数值则计算起来比较方便。
顺便提一下,像该电路那样的小信号共发射极放大电路的发射极电流大小从0.1mA至数毫安。


2.2.7 确定RC与RE的方法

如式(2.9)所示,电路的放大倍数是由RC与RE之比来决定的,所以令Av=5,取RC∶RE=5∶1。
为了吸收基极——发射极间电压VBE随温度的变化,而使工作点(集电极电流)稳定,RE的直流压降必须在1V以上。这是因为VBE约为0.6V,然而它具有-2.5mV/℃的温度特性,这是由于VBE的变动,发射极电位也变动,集电极电流也发生变化的缘故。
在这里,取RE的压降为2V,因此IC=1mA(设IC=IE),则由式(2.3)可得:
RE=VE/IE=RE·IE/IE≈RE·IC/IC=2V/1mA=2 kΩ(2.10)
由式(2.9)可得:
RC=RE·Av=2kΩ×5=10 kΩ(2.11)
晶体管的集电极—— 发射极间电压VCE为集电极电位VC减去发射极电位VE,所以由式(2.4)得出VCE为:
VCE=VC-VE=VCC-IC·RC-IE·RE=15V-1mA×10kΩ-2V=3 V(2.12)
晶体管的集电极损耗PC(在集电极—— 发射极间发生的功率损耗,它变成热量)为:
PC=VCE·IC=3V×1mA=3 mW(2.13)
可知PC在表2.1规定的最大额定值以下。
还有,RC的值太大,则在Rc本身的压降变大,集电极电位下降,在输出振幅大时,集电极电位靠近发射极电位,削去输出波形的下侧。
相反,Rc的值过小时,则集电极电位靠近电源电位,削去输出波形的上侧(参见照片2.5,在该照片中,输出稍增大,就削去输出波形的下侧)。
因此,在最大输出振幅时,如果电位关系成为削去波形的关系,则有必要调整VE或者IC的设定来重新求出RC与RE。
最好的办法是将集电极电位VC设定在VCC与VE的中点,但是像本设计那样,只要满足最大输出振幅的规格,也没有必要特地去将集电极电位VC设定在中点。


2.2.8基极偏置电路的设计

设发射极电阻RE的压降=发射极电位,为VE=2V,由于VBE=0.6V,所以基极电位VB必须是2.6V(=2V+0.6V)。
由于基极电位是由R1与R2对电源电压进行分压之后的电位,所以,如果设R2的压降为2.6V,R1的压降为12.4V(=15V-2.6V)即可。
另外,在晶体管的基极流动的基极电流为集电极电流的1/hFE,假设hFE=200,则流动的基极电流为0.005mA。
因此,有必要在R1与R2流过比基极电流大得多的电流,使得基极电流能够忽略。在这里,在R1与R2上流动的电流取为0.1mA(认为“大得多”=10倍以上就可以)。
即R1与R2为
R1=12.4V /0.1mA=124 kΩ
R2=2.6V /0.1mA=26 kΩ


图2.10共发射极电路的DC电位
(实验值与计算值几乎一致。这可由VBE=0.6V及欧姆定律来解释)


但是,这个R1与R2的值在E24系统数列的电阻中是没有的,所以不改变R1与R2的比值(比值一改变,VB的值就变了),在E24系统的电阻值中来挑选,取为R1=100kΩ,R2=22kΩ(124∶26≈100∶24)。
在图2.10中,表示至此所求得的常数及其部分的直流电位。可以知道,在照片2.3~照片2.4表示的各部分中,实际电位几乎与计算值相等。


2.2.9 确定耦合电容C1与C2的方法
C1与C2是将基极或集电极的直流电压截去仅让交流成分进行输入输出的耦合电容,但是如图2.11所示,C1与输入阻抗、C2与连接在输出端的负载电阻分别形成高通滤波器——仅让高频通过的滤波器。
当C1与C2取很小值时,在滤波效果上难于通过低频,频率特性下降,在此取C1=C2=10μF。
关于图2.1电路的交流输入阻抗,如设晶体管的输入阻抗为无限大,则电源的阻抗在交流上是与GND相同的阻抗(即为0Ω),所以输入阻抗为R1与R2的并联连接的值R1∥R2(晶体管的基极电流极小,所以晶体管本身的输入阻抗可以看成非常大)。


图2.11共发射极放大电路的
高通滤波器
(换言之,高通滤波器,即让高频通过,将低频和直流截去)


因此,由C1形成的高通滤波器的截止频率fC(振幅特性下降3dB——即下降到1/2的频率)为:fC=12π·C·R=12π×10μF×18kΩ≈0.9 Hz(2.14)要注意,由该C2形成的高通滤波器的fe,会因输出端接有不同的负载电阻而发生变化(例如接在输出端电路的输入阻抗等)。所以,预先考虑一下接有什么样的负载是至关重要的。


2.2.10 确定电源去耦电容C3与C4的方法

C3与C4是电源的去耦电容——即降低电源对GND的交流阻抗用的电容(称为旁路电容)。当没有这个电容时,电路的交流特性变得很奇特,严重时电路产生振荡。
电容的阻抗为1/(2π·f·C),频率越高,阻抗应该越小。但是,实际上因内部感抗成分等因素的影响,从图2.12所示的某个频率开始,阻抗反而变高。在结构上,小容量的电容器在高的频率处,而大容量的电容器则在较低的频率处,电容的阻抗变得最低。


图2.12电容器的阻抗
(在理想上阻抗是1/2πfC,应该与频率成反比地下降,但在高频情况下,偏离了理想的特性而具有一定的阻抗)


因此,在电源上并联连接如图2.13所示的小容量的电容器C3和大容量的电容器C4,在很宽的频率范围降低电源对GND的阻抗。


图2.13电源的去耦(旁路)电容
(在低频电路中,去耦电容的安装位置不是问题,但在高频电路中,安装位置比什么都重要。引线也要短)


但是,小容量的电容器是在高频情况下降低阻抗用的,所以如果不配置在电路近邻,则电容器的引线增长,由于引线本身的阻抗,电源的阻抗不能降低。
在此,采用C1=0.1μF的叠层陶瓷电容器,C4=10μF的铝电解电容器。
通常小容量电容器是0.01~0.1μF的陶瓷电容器(薄膜电容器为NG),大容量电容器是1~100μF的铝电解电容器。
另外,在这样低频率的电路中,即使没有小电容C3,电路也能正常工作。但是在高频电路中,比起大电容C4来,C3起着更为重要的作用。
从习惯上来说,旁路电容也由大电容与小电容两条通路构成。
电源是使电路进行工作的基础,因此,旁路电容可以认为是电路工作的“保险金”和“安心费”。在电路图中,即使没有画旁路电容,而在实际装配电路时,如能加入旁路电容,那么你就已经加入到高手行列中去了。

 

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