一種二極管電路快速設(shè)計

一種二極管電路快速設(shè)計

0極管及放大電路隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，以水晶為代表的新型半導(dǎo)體器件在體積小、功能復(fù)雜、性能參數(shù)好、穩(wěn)定性高、維護方便等方面得到了廣泛應(yīng)用。企業(yè)要求學(xué)生熟悉晶體三極管及放大電路,會調(diào)整三極管放大電路,能根據(jù)要求快速設(shè)計晶體三極管放大電路,要求學(xué)生能熟練運用晶體三級管,但目前電子類應(yīng)屆畢業(yè)生很少能達到企業(yè)要求。數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展,是不是模擬技術(shù)不用了,晶體三極管不用了?這恰恰是一個極大的誤區(qū);數(shù)字技術(shù)和模擬技術(shù)是一種相輔相成,相互推動、相互滲透的關(guān)系。目前模擬電路教材多是分析、調(diào)整放大電路,沒有設(shè)計晶體三極管放大電路,本文介紹了一種三極管電路快速設(shè)計方法,詳細敘述其原理和具體步驟,經(jīng)測試和應(yīng)用,完全能達到設(shè)計要求,與實際應(yīng)用接軌。1晶體熱點的確定對晶體三極管熟練應(yīng)用,應(yīng)熟悉晶體三極管和晶體三極管在電路中的作用,熟練分析和調(diào)整晶體三極管電路,準確掌握三極管放大原理,三極管放大電路組態(tài),三極管電路中每個元器件作用;理解晶體三極管的輸入特性和輸出特性,靜態(tài)工作點設(shè)置的意義與作用,如何調(diào)整靜態(tài)工作點。明白理論計算出來三極管放大電路元器件參數(shù)會在實際中或多或少微調(diào),以得到更優(yōu)的性能。1.1晶體電極放大電路晶體三極管放大電路三種組態(tài),即共發(fā)射極、共集電極和共基極,三種組態(tài)特性各異,如表1晶體三極管放大電路三種組態(tài)比較。根據(jù)不同的應(yīng)用場合,選擇不同放大電路組態(tài)形式。1.2水體工作點電路分析調(diào)整晶體三極管靜態(tài)工作點,是三極管放大電路的重點和難點,只有靜態(tài)工作點設(shè)置得當(dāng)才能得到預(yù)期放大效果,形象比喻“設(shè)置三極管靜態(tài)就像修河,只有將河修通了,水來才能順利流過”,靜態(tài)工作點在實際電路中才有實際意義,常見晶體管共發(fā)射極放大電路,電路形式如圖1。以上兩種都是晶體三極管共發(fā)射極放大電路,電路都存在基極回路和集電極回路,這兩個電路區(qū)別在于基極和發(fā)射極有無分壓,發(fā)射極電阻RE引入了交直流負反饋,穩(wěn)定靜態(tài)工作點,提高電壓放大倍數(shù)穩(wěn)定度,工作點受溫度影響小,性能優(yōu)良得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律,分壓式晶體三極管放大電路基極回路和集電極回路,靜態(tài)工作點如下。R2共射放大電路設(shè)計一個靜態(tài)工作點穩(wěn)定放大電路,放大器外接負載RL=5.1KΩ,輸入交流信號不大于100mV,信號源內(nèi)阻500Ω,設(shè)計要求:電壓放大倍數(shù)AV大于10,通頻帶10Hz-100KHz。晶體三極管放大電路具有三種組態(tài),組態(tài)參數(shù)不同,用途不同。共射放大電路電壓放大倍數(shù)與集電極電阻RC有關(guān),輸入電阻100Ω-10KΩ,輸出電阻為RC通常L為1KΩ-10KΩ,共發(fā)射R1(LR極益L,電)沒R路ER有C常電R作L壓為A3V增中益間,1(輸級R入)放LRE電大阻電RREL大壓,;輸共出集電電阻極3小放帶大負電載路能只力有強電,流通增常作為功率放大器輸出級放大電流;共基極放大電路幅頻特性好,常用在高頻小信號放大和頻帶展寬電路中。電壓放大倍數(shù)AV大于10,通頻帶10Hz-100KHz,穩(wěn)定靜態(tài)工作點,只有共發(fā)射極放大電路滿足設(shè)計要求,基極和發(fā)射極加偏置電阻穩(wěn)定靜態(tài)工作點,減少溫漂。2.2選擇使用時的選擇三極管分為大功率管、中功率管、小功率管,高頻管、中頻管、低頻管等,型號不同,參數(shù)不同,用途也不同,一般通過Datasheet和實際經(jīng)驗來選擇。根據(jù)設(shè)計要求選擇9014三極管,最大功耗PCM=0.4W,集電極最大電流ICM=0.1A,截止頻率fT=150Mhz,飽和管壓降VCE(SAT)=0.3V,直流電流放大倍數(shù)HFE60-300,VBR(CBO)=50V,VBR(CEO)=45V,VBR(EBO)=5V,完全滿足設(shè)計要求。2.3電源電壓的計算晶體三極管是一種電流控制器件,用基極較小電流控制集電極較大電流,從能量守恒角度看所謂放大是三極管控制電源直流信號變成較大交流信號輸出。晶體三極管放大電路中直流電源主要有兩個作用:提供靜態(tài)工作點,為放大電路提供能量。直流電源太高三極管耗散功率增大,耐壓增大,電源利用率下降;電源電壓過低容易引起失真。電源電壓VCC=UCEQ+ICQ(RC+RE),三極管直流電源電壓)其中Uom輸出最大電壓為0.1V,UCES為0.4V,取VE為1V,由于各種發(fā)熱元器件,實際電源電壓要比計算值擴大兩倍左右,所以實際選+5V。選擇電源應(yīng)注意選擇通用型電源不要選擇偏冷電源及輸出電壓。3確定電阻re-lb1理論計算結(jié)果與實際測試完全一致,實際帶上負載交流電壓放大倍數(shù)會減小,適當(dāng)減小電阻RE保證交流電4壓放大倍數(shù),但靜態(tài)工作點會發(fā)生變化,同時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整基極上偏置電阻RB1。如將電壓放大倍數(shù)AV提高到100,應(yīng)在發(fā)射極加旁路電容Ce,保證靜態(tài)工作點不變提高電壓放大倍數(shù)。4注意路輸出失真原因晶體三極管放大電路中常將Rb1設(shè)置為一個電位器與固定電阻串聯(lián),防止調(diào)整過程中將電阻Rb1調(diào)整為0,電流Ib迅速上升將晶體三極管燒壞,固定電阻在電路中起起保護作用。三極管放大電路存在兩種失真,即飽和失真和截止失真,引起放大電路輸出失真原因有:靜態(tài)工作點設(shè)置不當(dāng),電源選擇不當(dāng),輸入信號不當(dāng)?shù)?。交流小信號送入晶體三極管放大電路,放大電路各點是交直流共存的情況,是靜態(tài)工作點上疊加一個交流信號,只有將靜態(tài)工作點設(shè)置于三極管直流負載曲線的中點位置才能得到放大交流最大輸出。當(dāng)三極管處于放大狀態(tài)時必須“正偏發(fā)射極反偏集電極”,一般三極管飽和管壓降VCES一般為0.4V左右,三極管截止壓降VCEO≈VCC,具體應(yīng)查閱三極管參數(shù)手冊,因此三極管要得到最大輸出時實際可根據(jù)放大電路輸入和交流放大倍數(shù)適當(dāng)調(diào)整。計算三極管偏置電阻時常用到一些經(jīng)驗公式,例如基極回路電流發(fā)射極偏置電阻RE電壓(1-2)V,共發(fā)射極放大電路作為中間極時共發(fā)射極放大電路作為輸入級時結(jié)合理論,計算出偏置電阻,確定三級管放大電路。1.3晶體k/k共發(fā)射極放大電路分壓式共發(fā)射極放大電路,交流電壓放大倍數(shù)其中晶體三極管rbe取值一般在(1-3)k遠小于(1+β)R′E,因此當(dāng)晶體三極管為空載時從另一個角度看分壓式共發(fā)射極放大電路交流放大倍數(shù)AV。根據(jù)以上計算得出:三極管分壓式共發(fā)射極放大電路交流電壓放大倍數(shù)約是集電極電阻RC與發(fā)射極電阻RE的比值。1.4放大電路工作原理電容作用是“隔直流、通交流”,晶體三極管共發(fā)射極放大電路中,C1輸入耦合電容,交流小信號能通過,放大電路電源直流信號不能通過,電容C1與放大電路輸入電阻Ri形成一個高通濾波器,影響放大電路交流輸入信號幅頻特性,高通濾波器下截止頻率C2輸出耦合電容,輸出放大后的交流信號,放大電路電源直流信號被隔離,C2與RC和RL形成一個高通濾波器,影響放大電路輸出交流信號幅頻特性,高通濾波器下截止頻率其中電容Ce為發(fā)射極高頻旁路電容,Ce有兩個作用:穩(wěn)定靜態(tài)工作點,提高放大電路電壓放大倍數(shù)AV。電容在電路中電抗隨信號頻率變化而變化,確定電容必須確定通過電容信號頻率,三極管放大電路中C1、C2構(gòu)成高通濾波器,需要確定濾波器下截止頻率fL,但實際濾波器都存在過渡帶,因此要將電容適當(dāng)擴大,降低高通濾波器下截止頻率,綜上所述:三極管放大電路中存在電抗元件,三極管自身也存在極間電容Cbe、Cbc影響三極管高頻特性,構(gòu)成低通濾波器,上截止頻率三極管放大電路通頻帶頻率特性與三極管本身有關(guān),也與輸入輸出耦合電容有關(guān)。2.1選擇電路形式2.4確定試點工作點,重新定位電極電阻,使各個環(huán)節(jié)確定偏置電阻必須確定三極管靜態(tài)工作點,已知三極管放大電路直流電源VCC=+5V,三極管得到最大輸出時根據(jù)基爾霍夫電壓定律：這里計算沒有帶負載情況,若帶上5.1KΩ電壓放大倍數(shù)會減小一半左右,可將發(fā)射極電阻RE減小一半提高電壓放大倍數(shù),但靜態(tài)工作點會發(fā)生改變,適當(dāng)調(diào)整RB1,將RB1換為100KΩ電位器串聯(lián)10KΩ固定電阻可得到理想效果,先仿真后做實物。綜上所述:基極下偏置電阻基極上偏置電阻集電極電阻Rc=5.1K?,發(fā)射極電阻RE=220?,由于電流較小電阻功率全部選中0.25W。輸入輸出耦合電容