晶体管三种基本放大电路

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利用晶体三极管的放大作用,可以制作各种放大器,将微弱的电信号放大。其中最简单的放大器是单管放大器,如图1。V\(_{s}\)是送到放大器输入端的输入信号电压,Vo是输出端的输出电压,即R\(_{c}\)上的电压。Eb是基极电源,一般较低,譬如用1.5伏。 E\(_{c}\)是集电极电源,较高,譬如用4.5伏或再高些。Rb是基极电阻。R\(_{c}\)是集电极电阻,也叫集电极负载电阻。RbR\(_{c}\)两个电阻是调整放大器工作状态用的。电容器C是隔直流电用的,使直流电源不影响信号源。

图1
图1 🔍原图 (466×205)

图1中要求基极b点的电位稍低于发射极e点的电位(如果是NPN型三极管,电源极性要反过来),让发射结加正向电压。一般的锗管e—b间的电压V\(_{eb}\)约调整到0.2~0.3伏,硅管约0.6~0.7伏。集电结应加反向电压。这样,信号Vs经晶体管放大后,在输出端就会得到大得多的电压V\(_{o}\)。

放大器的三种基本电路

放大器的种类很多,管子有用锗管也有用硅管的。但是,根据三极管三个极与输入、输出端子的连接方式,可以归纳为三种:共发射极电路(发射极是输入、输出端共用的);共基极电路;共集电极电路。

图1就是共发射极电路。与电子管放大电路相比,很象共阴极电路。

图2是共基极电路。它以基极作为输入、输出端的公共端,与电子管共栅电路很相似。

图2
图2 🔍原图 (368×231)

图3是共集电极电路。它以集电极作为输入、输出端的公共端,与电子管阴极输出器相似。因为输出信号是由发射极引出的,所以也叫射极输出器。

图3
图3 🔍原图 (369×263)

上述公共端点是对交流信号而言,所以例如图3电路中,集电极可认为直接与端子4相连,而端子4可以认为直接与端子2相连,因此是共集电极电路。

三种电路性能比较

这三种电路各有特点,用途也不一样,下面从几个主要方面加以比较:

①电流放大倍数——共发射极电路的输入电流是基极电流I\(_{b}\),输出电流是集电极电流Ic,电流放大倍数K\(_{I}\)=Ic/I\(_{b}\)=β,通常β是很大的。共基极电路的输入电流是发射极电流Ie,输出电流是集电极电流I\(_{c}\),电流放大倍数就是a=Ic/I\(_{e}\),由于Ic小于I\(_{e}\),所以a总是小于1的。共集电极电路的输入电流为Ib,输出电流是I\(_{e}\),所以电流放大倍数KI=I\(_{e}\)/Ib=(I\(_{b}\)+Ic)/I\(_{b}\)=1+β,可见放大倍数也是很大的。

②电压放大倍数——共发射极电路的输入端实际上就是三极管的发射结,并处于正向电压工作状态,所以从输入端看进去,输入阻抗R\(_{λ}\)是较低的。而输出端的集电结是处于反向电压状态,输出阻抗很大。由于共发射极电路的电流放大倍数很大,输出电流Ic就会在输出端产生很大的输出电压V\(_{o}\),因而共发射极电路的电压放大倍数是很大的。共基极电路的电流放大倍数虽然小于1,但是可以选择较大的集电极负载电阻Rc,并且选择合适的集电极电源E\(_{c}\),使Rc增大后I\(_{c}\)不变,那么在Rc上仍可得到很大的输出电压V\(_{o}\),使电压放大倍数远大于1。共集电极电路的输入端是集电结,并处于反向电压状态,所以输入阻抗很高,而输出阻抗很低,这样就使得共集电极电路的电压放大倍数总小于1。

③功率放大倍数——功率P=IU,功率放大倍数K\(_{p}\)=P出/P\(_{入}\),因而这三种电路都具有功率放大能力。譬如共基极电路,虽然它的电流放大倍数α<1,但电压放大倍数较大,所以仍有功率放大倍数。当然,比较起来,共发射极电路的功率放大倍数最高。

④频率特性——放大器的频率特性是指放大器在工作频率范围内其放大倍数随频率的变化特性。通常是用一根曲线来表示,如图4。图中水平轴上的刻度表示频率由低到高的变化,垂直轴上的刻度表示放大倍数K自小到大的变化,两轴的交点O是变化的起点叫做原点。从曲线可看出:随频率升高,放大器的放大倍数是逐渐下降的。这是为什么呢?主要是因为三极管的β和α都是随频率升高而降低的。例如PNP三极管使用在低频的情况下,内部大量载流子通过基极到集电极的过程中,由于基极做得极薄,通过基极的时间(一般叫渡越时间)相比于信号周期可以忽略不计,也就是说只有很少一部分来不及到达集电极被基极中的电子复合。当三极管工作在高频的情况下,若渡越时间与信号周期相比差不多,就会使扩散的载流子在还没有来得及通过基极到达集电极时,交流信号的方向就发生变化,结果使截流子在基极被电子复合的可能性大大增加,也就是I\(_{b}\)增加,Ic却减小,因此当频率升高时放大倍数下降。

图4
图4 🔍原图 (395×242)

在共发射极电路中,电流放大倍数K\(_{I}\)=β=IcI\(_{b}\)。当频率升高时,Ib增加而I\(_{c}\)。却减小,所以β下降。当β值下降到低频时的0.707倍时,这一点的频率叫共发射极电路的截止频率fβ。

在共基极电路中,α=I\(_{c}\)/Ie。当频率升高时,I\(_{e}\)不变而Ic却减小,所以α下降,但与共发射极电路相比,α下降的速度比β慢多了。同样,当α值下降到低频时的0.707倍时,这一点的频率f\(_{α}\)称为共基极电路的截止频率。

f\(_{β}\)和fα的关系可用等式f\(_{β}\)=fα/(1+β)换算。例如低频小功率管3AX31B,手册中规定f\(_{β}\)≥8千赫,若管子的β=50,可用上式计算得fα≈400千赫。由此可见,共基电路的放大倍数虽不及共发射极电路,但频率特性却要优越得多。

通过上述四个方面的比较,可以看出:共发射极电路的电流、电压、功率放大倍数最高,因而使用最广;共基极电路的频率特性最好,超高频电路中使用最多;共集电极电路有输入阻抗高、输出阻抗低的特点,在多级放大器中常用作阻抗变换器。三种电路的特性比较见附表。

图5
图5 🔍原图 (893×714)

放大电路用单电池组供电

上述放大电路都是采用双电池组供电的:即用E\(_{b}\)通过Rb给发射结加上正向电压;用E\(_{c}\)通过Rc给集电结加上反向电压,使放大器得以工作。实际应用中,这种供电方式就显得比较累赘,往往希望用单电池组供电,尤其对半导体收音机来说更需要这样。

图5所示为单电池组供电的共发射极电路,与图1电路不同的是:取消了E\(_{b}\),Rb直接连到了E\(_{c}\)的负端。

图6
图6 🔍原图 (354×216)

从图1的双电池组供电改进为图5的单电池组供电,只要将基极电阻R\(_{b}\)的阻值加大即可。这可通过以下简单推算加以说明:在图1中,放大器在无信号输入的情况下(即Vs=0),根据基极电流I\(_{b}\)的流向,用欧姆定律可以列出等式Eb=I\(_{b}\)Rb+V\(_{eb}\),即Rb=(E\(_{b}\)-Veb)/I\(_{b}\),由于Eb较低,V\(_{eb}\)也较小,所以Rb的阻值不会很大。在图5中,基极电源由同一E\(_{c}\)来提供,同样亦可列出等式:Ec=I\(_{b}\)Rb+V\(_{eb}\),即Rb=(E\(_{c}\)-Veb)/I\(_{b}\),所以在保持同样的Veb和I\(_{b}\)的情况下,由于Ec比E\(_{b}\)要高得多,Rb势必会增大很多。

共集电极电路亦可使用单电池组供电,如图6所示。R\(_{b}\)的计算同图5一样。

图7
图7 🔍原图 (371×260)

共基极电路的一种单电池供电方式如图7所示。用R\(_{1}\)和R2组成的分压器分别供给E\(_{b}\)、Ec电压。由于E\(_{c}\)要求大于Eb,所以R\(_{2}\)应大于R1。

图8
图8 🔍原图 (301×210)

上面讲的都是以PNP型三极管为例,若是NPN型三极管,则无论双电池组供电或是单电池组供电,其电源极性均须相反才行。(金国钧)