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教你怎么使用三极管,对信号进行可控倍数的放大

2019-04-03 09:41
电子online
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由仿真结果,可以发现输出信号的幅值已明显超过原仿真值,即验证以上猜测是真实存在的。同样的道理,假如当信号频率过低时,该电路就不能够对其进行信号放大(这其实就是高通滤波的原理)。

2、三极管的放大-有偏置电压,实现可控放大

三极管的另外一种常用的放大电路是带有偏置电压的,其电路如图2.1所示:

图2.1 放大原理图/偏置电压

该电路中,我同样将其静态工作点设为Ib=200uA、Vce=6V。根据偏置电压的设计规则,在使用电阻分压给做电压偏置时,需要将偏置网络的电流设置为静态电流的10倍左右,这表明偏置网络流过的电流约为2mA,由此可得偏置网络的两电阻值为3K,使其偏置电压为6V。

该电路的输出电压满足:

Vc=12-Ic·Rc   (1)

其中:Ic=(Vb-0.7)/Re;  (2)

Vb=Vin+6;   (3)

则:Vc=12-(Vin+5.3)*Rc/Re;     (4)

根据式(4),可知该电路的输出电压Vc由输入信号Vin以及Rc与Re的比值决定。即电路的输出Vc与输入信号Vin成反比关系,同时Vc的变化量是Vin变化量的Rc/Re倍。利用该结论,说明图2.1的原理图是可以实现信号的可控性放大的。

于是我在仿真中同样给电路加入100mv/50Hz的交流信号,结果如下所示:

图2.2 仿真结果1

图2.2,可以看到输出信号基本没被放大。这是因为此时Rc与Re的比值约为1,所以信号几乎没有被放大。于是我将Rc电阻设为300R,仿真结果如下:

图2.3 仿真结果2

理论上,该电路会对该信号进行约为3倍放大,即信号幅值可达到300mA左右。可是由结果可知,该电路并没有进行理论性放大,同时还出现了底部失真现象,这使结论变成了谬论。

3、三极管的放大-有偏置电压,实现可控放大(正确设计)

经过了仔细的分析,发现在第二节中的结论其实是正确的。这也就意味着问题出现在仿真过程中。

经过推敲,我发现在对电路2(图2.1)的参数计算中,误解了其中的一个参数——将Vce看成为Vc

由于这个原因,我在设计偏置网络的时候,理所当然地将偏置电压设置在Vcc/2(即6V)上,如图所示:

图3.1 偏置网络设为6V

这时三极管的e极即为5.3V。在第一节中已经提到过,此时的流过三极管ce极的电流为45mA,于是我也很理所当然地,利用R=U/I,求出Re=117R。最后在根据电阻分压的原理,即Vc = Vcc -Rc*Ic = 6V,求得Rc的值为130R。

其实三极管工作在放大区的实质,就是三极管的ce极电压|Vce> 0.3V;<Vcc|的工作状态。而设置三极管的静态工作点,实质上就是将Vce(注意这里是C极与e极间的电压差,不是c极对地的电压)的电压设置在 | Vcc>Vce > 0.3V | 区间中。当其处于该区间的中间值时,在放大过程中,三极管就不容易进入饱和区或者截止区,即实现最大的信号放大。同时,该放大过程满足于第二节的结论。

根据上述,由于在图3.1的参数设计中可以看到。由于我将Vce看成为Vc,此时设置的静态工作点,其Vce实质是等于0.7V,如图3.2所示

图3.2 实际电压分布图

由于此时三极管的Vce=0.7V,即此时三极管是处于饱和的临界状态。所以只要输入信号大一些,或者Rc与Re的比值稍大,都会导致放大结果失真。

而对于图2.2中,其放大结果没有产生失真的原因,就是因为输入信号为100mA,而此时的放大倍数也约为1。又因为此时三极管距离饱和区有0.7-0.3=0.4V的电压放大范围,所以可以输出完整的波形。

根据上述的结果,我重新设计电路参数,电路图如下所示:

根据输出结果,验证了第二节中的结论。即三极管的放大满足:

Vc=12-(Vin+5.3)*Rc/Re;

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