晶體管電路設(shè)計(jì)上(1,2共射極放大電路) 學(xué)習(xí)筆記

1、輸入信號(hào)不是直接被放大的晶體管吸收輸入信號(hào)的振幅信息，由電源重新產(chǎn)生輸出信號(hào)。晶體管電路的常數(shù)僅由Vbe=0.6v 和歐姆定律就能全部求得。雙極晶體管是由基極流動(dòng)的電流來(lái)控制集電極的電流FET 是由加在柵極上的電壓來(lái)控制 漏極 源極 之間電流共射極放大電路基極 輸入集電極 輸出發(fā)射極 公共地電位相反：Vi增加ic增加Rc壓降增加Vc=VCC-Rc壓降 Vc減小.求上電路圖的直流電位求交流電壓放大倍數(shù)交流電壓放大倍數(shù)與晶體管的直流電流放大系數(shù)hFE無(wú)關(guān)(認(rèn)為基極電流為0,所以與hFE無(wú)關(guān),嚴(yán)格來(lái)說(shuō)有關(guān))電路設(shè)計(jì)1. 確定電源電壓最大輸出電壓是重點(diǎn).為了輸出5v,要用5v以上的電源.2. 選擇晶體

2、管考慮晶體管的最大額定值,因?yàn)殡娫措妷?5v,所以Vcbo Vceo的最大額定值在15v以上3. 確定發(fā)射極電流的工作點(diǎn)因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定,Ie為最大額定電流以下(150ma),都可以.這里取1ma4.確定 Rc Re RC:RE=5:1Vbe約等于0.6v ,然而它具有-2.5ma/C的溫度特性，Vbe的變化導(dǎo)致Ve的變化，導(dǎo)致Ie變化。為了使工作點(diǎn)（Ic）穩(wěn)定，Re的直流壓降必須在1v以上。這里取Re的壓降為2vRe=Ve/Ie=2v/1ma=2kRc=5Re=10KVCE=VC-VE=VCC-IC*RC-IE*RE=15-10-2=3V晶體管的集電極損耗PC(在集電極和發(fā)射極之間的

3、損耗，變?yōu)闊崃?：Pc=VCE*IC=3mW在規(guī)定值之下。VE=2V基極電位是由R1,R2對(duì)電源分壓到的，所以如果R2的壓降是2.6v，那么r1的壓降就四12.4v 在晶體管的基極流動(dòng)電流為集電極電流的 1/Hfe, 假設(shè) Hfe=200,有必要在R1,r2 上流過(guò)比基極電流大的多的電流 ,使基極電流能夠忽略.在這里取 0.1ma(10倍以上就可以)R2=26k由于r1 r2的值在E24系統(tǒng)數(shù)列的電阻中沒(méi)有,那么取r1=100k,R2=22K 注意比值不變.6.確定耦合電容C1 C2C1 C2 將基極,集電極的直流電壓截去,僅讓交流成分進(jìn)行輸入 輸出.C1與輸入阻抗,C2與連接在輸出端的負(fù)載電

4、阻分別形成高通濾波器.電路的交流輸入阻抗,如果晶體管的輸入阻抗無(wú)限大,則電源的阻抗在交流上與GND是相同的阻抗(0歐).?所以輸入阻抗為r1 r2的并聯(lián).C1形成的高通濾波器截至頻率C2形成的高通濾波器會(huì)因?yàn)椴煌碾娮柝?fù)載發(fā)生變化.7.確定去耦電容C3 C4去耦電容:降低電源對(duì)GND的交流阻抗用的電容(旁路電容)當(dāng)沒(méi)有這個(gè)電容時(shí),嚴(yán)重時(shí),電路發(fā)生震蕩.去耦電容的解釋：旁路電容不是理論概念，而是一個(gè)經(jīng)常使用的實(shí)用方法，電子管或者晶體管是需要偏置的，就是決定工作點(diǎn)的直流供電條件。例如電子管的柵極相對(duì)于陰極往往要求加有負(fù)壓，為了在一個(gè)直流電源下工作，就在陰極對(duì)地串接一個(gè)電阻，利用板流形成陰極的對(duì)地正

5、電位，而柵極直流接地，這種偏置技術(shù)叫做“自偏”，但是對(duì)（交流）信號(hào)而言，這同時(shí)又是一個(gè)負(fù)反饋，為了消除這個(gè)影響，就在這個(gè)電阻上并聯(lián)一個(gè)足夠大的點(diǎn)容，這就叫旁路電容。去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1F。這個(gè)電容的分布電感的典型值是5H。0.1F的去耦電容有5H的分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說(shuō)，對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1F、10F的電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻噪聲的效果要好一些。每10片左右集成電路

6、要加一片充放電電容，或1個(gè)蓄能電容，可選10F左右。最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來(lái)的，這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴(yán)格，可按C=1/F，即10MHz取0.1F，100MHz取0.01F。一般來(lái)說(shuō)，容量為uf級(jí)的電容，象電解電容或鉭電容，他的電感較大，諧振頻率較小，對(duì)低頻信號(hào)通過(guò)較好，而對(duì)高頻信號(hào)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的電感性，阻抗較大，同時(shí)，大電容還可以起到局部電荷池的作用，可以減少局部的干擾通過(guò)電源耦合出去；容量為0.0010.1uf的電容，一般為陶瓷電容或云母電容，電感小，諧振頻率高，對(duì)高頻信號(hào)的阻抗較小，可以為高頻干擾信號(hào)提供一條旁

7、路，減少外界對(duì)該局部的耦合干擾旁路是把前級(jí)或電源攜帶的高頻雜波或信號(hào)濾除；去藕是為保正輸出端的穩(wěn)定輸出（主要是針對(duì)器件的工作）而設(shè)的“小水塘”，在其他大電流工作時(shí)保證電源的波動(dòng)范圍不會(huì)影響該電路的工作；補(bǔ)充一點(diǎn)就是所謂的藕合：是在前后級(jí)間傳遞信號(hào)而不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的元件有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。從電路來(lái)說(shuō)，總是存在驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收

8、很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。去耦電容就是起到一個(gè)電池的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。旁路電容實(shí)際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10u或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。如上圖,可以在很寬的范圍降低電源對(duì)GND的阻抗.小容量的電容器是在高頻情況下降低阻抗用的,如果不配置在電

9、路臨近,則電容器的引線增加,由于引線本身的阻抗,電源的阻抗不能降低.放大電路的性能1,輸入阻抗輸入阻抗變低？阻抗是一個(gè)比電阻大的概念.阻抗包括感抗容抗電阻,感抗是電感(線圈)對(duì)交流電的阻礙能力,容抗是電容對(duì)交流電的阻礙能力,電阻是導(dǎo)體對(duì)穩(wěn)恒電流的阻礙能力,不同阻抗的材料組合起來(lái)可以控制電路的電流相位波形,從而實(shí)現(xiàn)控制.輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒(méi)什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越

10、大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果是用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問(wèn)題。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問(wèn)題。）輸出阻抗阻抗是電路或設(shè)備對(duì)交流電流的阻力，輸出阻抗是在出口處測(cè)得的阻抗。阻抗越小，驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載的能力就越高。何為阻抗阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個(gè)阻字是相同的，而另一個(gè)抗字呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點(diǎn)地說(shuō)，阻抗就是電阻、電容抗及電感

11、抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質(zhì)稱作良導(dǎo)體，電阻很大的物質(zhì)稱作非導(dǎo)體，而最近在高科技領(lǐng)域中稱的超導(dǎo)體，則是一種電阻值幾近于零的東西。但是在交流電的領(lǐng)域中則除了電阻會(huì)阻礙電流以外，電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng)，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡(jiǎn)稱容抗及感抗。它們的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問(wèn)題，具有向量上的關(guān)系式，因此才會(huì)說(shuō)：阻

12、抗是電阻與電抗在向量上的和。阻抗匹配信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負(fù)載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負(fù)載后對(duì)器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)電子設(shè)備互連來(lái)說(shuō)，例如信號(hào)源連放大器，前級(jí)連后級(jí)，只要后一級(jí)的輸入阻抗大于前一級(jí)的輸出阻抗5-10倍以上，就可認(rèn)為阻抗匹配良好；對(duì)于放大器連接音箱來(lái)說(shuō)，電子管機(jī)應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無(wú)此限制，可以接任何阻抗的音箱。 匹配條件 負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無(wú)失真的電壓傳輸。負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相

13、等而輻角之和為零。這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率。這種匹配條件稱為共軛匹配。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對(duì)于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵(lì)源內(nèi)阻時(shí)，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵(lì)源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時(shí)，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。阻抗匹配（Impedance matching）是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于

14、傳輸線上，來(lái)達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。史密夫圖表上。電容或電感與負(fù)載串聯(lián)起來(lái)，即可增加或減少負(fù)載的阻抗值，在圖表上的點(diǎn)會(huì)沿著代表實(shí)數(shù)電阻的圓圈走動(dòng)。如果把電容或電感接地，首先圖表上的點(diǎn)會(huì)以圖中心旋轉(zhuǎn)180度，然后才沿電阻圈走動(dòng)，再沿中心旋轉(zhuǎn)180度。重覆以上方法直至電阻值變成1，即可直接把阻抗力變?yōu)榱阃瓿善ヅ?。共軛匹配在信?hào)源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號(hào)源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時(shí)，輸出功率最大。阻抗匹配的概念可以推廣到交流電路，當(dāng)負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗共軛時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸，如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條

15、件，就要在負(fù)載和信號(hào)源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗變換為信號(hào)源阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的（請(qǐng)參看輸出阻抗一問(wèn)），我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過(guò)電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：222222222對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來(lái)選擇的

16、。注意式中(R-r)22可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。對(duì)于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共厄匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問(wèn)題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，傳輸線可以看成是短線，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來(lái)，跟原信號(hào)還是一樣的）。從以上分析我們可

17、以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配（相等）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方

18、程的求解，在這里我們不細(xì)說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書(shū)籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長(zhǎng)度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線是特性阻抗為300的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見(jiàn)，用來(lái)做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75，所以300的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒(méi)有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300到75的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓

19、形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大的）。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器，將300的阻抗，變換成75的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測(cè)量。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì)在傳輸線上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震

20、蕩，輻射干擾等。當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說(shuō)的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線匹配，例如高速信號(hào)線，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來(lái)跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊打沙包。如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺(jué)很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)受不了了這就是負(fù)載過(guò)重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)受不了這就是負(fù)載過(guò)輕的情況。另一個(gè)例子，不知道大