目標:設(shè)計10倍的放大電路
典型的電路圖如上所示,先忽略圖中的數(shù)值
步驟1:計算直流工作點
(相關(guān)資料圖)
采用Ltspice里 npn默認的雙極性三極管,基極和集電極之間的壓降為0.77V
步驟2:計算交流放大倍數(shù)
將交流信號加載在三極管基極后,發(fā)射極的電流交流量為
所以放大倍數(shù)為
步驟3:確定電壓電源
V1的確定,R4分壓需要最低1~2V,因為R4處于分母,如果過小,電路容易受到溫度等因素的影響,使工作點(集電極電流)更穩(wěn)定。
這個原因是,一般的VB-VE = 0.77V ,具有-2.5mV/℃的溫度特性,集電極的電流隨溫度變化為 -2.5mV/R4,R4過小,則工作點不穩(wěn)定。
步驟4:確定晶體管
晶體管根據(jù)用途大致可以分為 高頻(2SAXXXX,2SCXXXX)與低頻(2SBXXXX,2SDXXXX),進一步還可以分為小信號和大功率(在型號上不能區(qū)分)
晶體管的小信號直流放大系數(shù)按照顏色分為四類【注意交流放大倍數(shù)和直流放大系數(shù)無關(guān)】
O:70~140
Y:120~240
GR:200~400
提單:350~700
注意最大的工作電壓。
步驟5:確定發(fā)射極電流的工作點
a. fT 為晶體管的特征頻率,表示交流放大系數(shù)為1時的頻率。如果希望特征頻率最高,必須將IE設(shè)定在合適數(shù)值。
b. 對噪聲特性,存在著噪聲最小的集電極電流(~發(fā)射機電流)
但一般來說,對于同一晶體管,特征頻率最好時發(fā)射極電流和噪聲特性最好時發(fā)射機電流是不同的。對于小信號共發(fā)射極放大電路的IE大小可以從0.1mA至數(shù)毫安。
這里取發(fā)射極電流為 1mA,則R4 =2V/1mA = 2kΩ
步驟6:確定R3
放大倍數(shù)為10倍。
晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓為
此時晶體管的功耗為
將會全部轉(zhuǎn)換成熱。
另外,還需要注意R3的過大和過小,將會引起放大信號的削頂活削底,最好是使得VC處于VE和V1之間,那此時的放大倍數(shù)是不是只有1了? 后面會介紹有辦法做到這樣子,即將直流工作點和交流的放大倍數(shù)分開,利用電容隔直流通交流的特點,直流電阻和交流的電阻不同即可。
步驟7:確定R1和R2
所以 R2承受的壓降為 2.77V,而R1承受的壓降為 V1-2.77V = 25-2.77=22.23V
根據(jù)直流放大倍數(shù) h_FE的取值范圍可以計算基極的電流,假設(shè)h_FE=100, 則基極電流為1mA/h_FE=0.01mA
因為有必要使得流經(jīng)R1和R2之間的電流比基極電流大許多(大于10倍以上),使得基極電流可以被忽略,這里取0.1mA。
則 R1 = 222.3kΩ,R2=27.7k歐姆
得捷上查到有 223kΩ和28kΩ的電阻,令R1=223k,R2=28k
步驟8:確定耦合電容C3和C4
耦合電容C3和C4,需要考慮
a. 耦合電容很小時,在濾波效果上難于通過低頻,頻率特性下降,可以選擇 1uF
b. 高通濾波器截止頻率 fC =1/(2 pi C R),振幅特性下降3dB(下降到1/sqrt(2)的頻率)
步驟9:確定去耦電容C3和C4
a. 電源對地的電容為去耦電容,如果沒有這個電容,電路的交流特性變得很奇特,嚴重時會產(chǎn)生振蕩
b. 電容的容抗為 1/(2 pi f C),頻率越高,容抗越小。 但實際上內(nèi)部感抗成分因素影響導致某個頻率開始容抗反而更高,在結(jié)構(gòu)上,小容量的電容器在高的頻率處,二大容量的電容器則在較低的頻率處
大容量的電容器(1 ~ 100uF,如10uF),即使離電路遠一些也沒有問題,而小容量電容(0.01~0.1uF,如0.1uF)應(yīng)該緊靠電路安置,以減小布線的阻抗。
可以看到輸入為±1V,輸出的正向有10V,但負向并未到-10V,削底了。怎么辦呢?我們嘗試增加R4的數(shù)值,使得VC的工作點處于VE和V1的中間。
此時看到?jīng)]有削頂也沒有削底,但放大倍數(shù)變小了,因為我們改變了R4的阻止,為了不改變放大倍數(shù),我們還有一招,如下所示,交流分量的為R4和R5的并聯(lián),此時的并聯(lián)電阻為2k,達到了預(yù)期。
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