“放大”是三极管最基本的功能。本文将以共射放大电路为例,分析三极管放大的原理。
在说到放大时,经常会碰到一个单位,dB。对于电压和电流来说,dB=20*lg(放大倍数)。比如一个放大电路的电压放大倍数为10倍,就是等于20dBV。
一个基本的共射放大电路如图一所示。
图一。
根据《三极管入门教程之一》里的内容,我们已经知道,为了让一个三极管正常进行工作,其基极-发射极的正向压降要达到0.7V。对于NPN三极管而言,就是基极的电压比发射极的电压高0.7V。对于PNP三极管,就是基极电压比发射极电压低0.7V。
只要有了上述的概念,分析电路就会变得异常简单。
首先分析不加输入信号,只有直流信号的过程。假设VCC=15V。
电压:
B点:VB = VCC×(R2/(R1+R2))15×(22/(100+22))=2.7V
E点:VE=VB-0.7V = 2V
C点:VC=VCC-IC×RC=VCC-IE×RC=15-0.001×10000=5V
电流:
IE=IC+IB,因为IB极小,所以近似认为IE=IC;
IE=VE/RE=0.001A;
疑问一:B点为什么要加一个2.7V的电压?
答:因为三极管正常工作时,基极-发射极的正向压降要到0.7V。假设B点的电压为0,那么当输入信号(一般为交流信号,有正有负)进入时,凡是低于0.7V的点都会被截至(因为三极管不工作了),就达不到放大的要求了(因为输入波形被截后,肯定与输出波形不一样)。
疑问二:为何三极管的基极电流这么小?
答:由三极管的构造所决定的,基极的阻抗很高。三极管的放大作用就体现在通过基极电流的微小变化,使集电极电流产生很大的变化。否则三极管又怎会被用作放大器件呢。
下面看加入输入信号后的情况:
假设在AC-IN处,增加一个频率为1kHz,以0V为中心,振幅为1V(-0.5V~0.5V)的交流信号。此时
vb=VB+-0.5V=2.2V~3.2V
ve=vb-0.7=1.5V~2.7V
ie=ve/RE=0.75mA~1.35mA
因为忽略基极电流,所以发射极与集电极的电流相同。
ic=ie=0.75mA~1.35mA
ic值不同,在RC上产生的压降也会不同,C点的电压vc也就不同了。
vc=VCC-ic×RC=7.5V~2.5V
此时vc由两部分组成,根据直流部分的计算,C点的直流电压为5V,交流电压为2.5V~-2.5V。
然后经过电容C2,滤掉直流电,AC-OUT处的电压就是2.5V~-2.5V。
到此为止,三极管的放大作用就体现出来了,将AC-IN从(-0.5V~0.5V)放大到(2.5V~-2.5V)。信号被放大了5倍。AC-IN与AC-OUT的波形如下图。
图二
疑问一:为何AC-IN和AC-OUT的波形是相反的。
答:因为AC-IN的值越大,在RC电阻上的压降也越大,C点的电压越小了。
疑问二:电容C1和C2有什么作用?
答:C1的作用是滤掉输入信号的直流信号;C2的作用是滤掉输出信号的直流信号。
综合以上,可以推出,Av=AC-IN/AC-OUT=vo/vi=RC/RE;
那么是不是只要无限放大RC/RE的比值,就可以无限放大Av的值呢?显然,这是不可能的。
三极管还有一个重要的参数,叫做共发射极电流放大系数,简称hFE。所以共发射极放大电路,能实现的最大放大倍数就是hFE的值。