單管三極管放大電路設計(二)

本篇文章將介紹一下如何設計一個具有真正實用意義的單管三極管放大電路。電路上的每一個元件將會一一地進行介紹具體是什么作用，爭取做到保姆級別的教程。主電路引用上一篇文章的圖片:

圖一

一.首先大題講一下電路當中每一個元件的作用：（詳細會在設計過程當中講到）

1.電阻RB2和電阻RB1是確定三極管基極到發射極電壓的，也就是說是確定UBE這個靜態工作點的，這個比較好理解，就是單純的利用兩個電阻的分壓來確定。

2.電阻RC和電阻RE是確定此電路放大倍數的，同時RE上一篇文章也講過，起到穩定整個電路靜態工作點的作用。

3.兩個電容這里就不用多說了吧，上一篇文章也講得很清楚了，原理也非常簡單。就是利用電容通交隔直的原理。

4.圖片中還有一個電容CE，簡單說一下，是用來提高整個電路放大倍數的。這個電容在以下設計過程當中會講解得更清楚。

二.設計所用到的公式：

所用到的公式，我在紙上手寫拍照上傳。字寫得不好，不要嘲笑哈

圖二

三.知識點補充：

圖三

A為集電極被放大后的信號

B為基極輸入信號

C為發射極測得的信號

這是我用電腦仿真的波形，可以看出，BC兩組信號是同相關系，跟A信號是反相關系。

1.集電極輸出的信號跟基極輸入的信號是反相關系。

2.基極跟發射極信號是同相關系。

3.集電極跟發射極信號是反相關系。

上述三點很重要，分析電路會用得到。上述三點會在下文確定電源電壓部分詳解。

集電極輸出的信號是基極輸入后被放大的信號，發射極測得的信號是跟基極一摸一樣的信號沒有進行放大，所以放大只發生在集電極處。但是發射極信號C比基極信號B的電位看上去低那么一點，這是因為UBE導通后=0.6V原因，發射極電位比基極電位低0.6V，所以圖中所看到低的那部分正是UBE的導通電壓。

四.設計過程：

1.首先選擇合適的三極管：

三極管有NPN和PNP兩種類型，這兩種到底選擇哪一種，就看個人的愛好了。 PNP與NPN三極管區別就是在電路當中電流方向相反，也就是說若果使用PNP三極管就需要把電源正負對調一下。

要確定所選三極管的最大額定值比如，C到E最大允許電壓，集電極最大允許電流等。根據設計要求理論計算下是否在規格書范圍之內。下圖是一張三極管8050的真實圖片和規格書，本文章選擇8050為放大管，與之類似的還有9014，5401等型號小功率三極管，都可以選用。

圖四

圖五

現在好多元器件規格介紹都是英文，這是一件讓人頭疼的一件事情。尤其是對于英語不好的人來說，比如我。。。。。。從規格書中可以看出此三極管集電極跟發射極間電壓為20V，完全滿足本文的設計要求。圖中有一個參數為Hfe字樣的代表此三極管的放大倍數，也就是我們所說公式中的β，可以看出有一個最小值跟最大值，是在不同條件下所測得的結果，也可以看出三極管在不同電流電壓工作環境下，他的最大放大倍數是受影響的。現在這種小功率三極管的放大倍數一般都很高，幾百倍左右，對大部分設計來講是性能過剩的。此值表示這個三極管所能達到的最大放大倍數，在此范圍內內可以通過電阻組合任意設置想要的放大倍數。本文設計的電路只有5倍放大，與他的極限相比不值一提。

2.首先確定我們要做的這個電路放大多少倍：

具體放大多少倍是要根據電路的設計情況具體而定的，比如電子工程師們在設計電路的時候，需要對某個信號放大多少倍，這個時候就有了一種特定的需求了，簡單來說就是有了設計的方向了。顯然我們沒有一些其他的要求，所以說我們就先規定這個電路按放大5倍來設計。當然10倍也好，20倍也好這都無所謂，自己在做實驗的時候也都可以嘗試一下。在此先按5倍來算。放大倍數AV按照此公式來計算：

AV＝RC/RE

此公式就是共射放大電路的放大倍數計算公式，只要電路結構是圖1的結構，就可以用這個公式來進行計算。

這個公式是在一些書籍資料當中作者們反復推理計算的最終結果。所以我們直接拿來用就好，推理過程我們就不去講了。這里的放大倍數指的是交流放大倍數。為什么叫交流放大倍數呢？因為我們要放大的信號，也就是說輸入信號是以交流形式存在的。

3.接下來我們確定電源電壓是多少：

比如我們要放大一個峰值為0.5V的正弦波信號，此電路因為是按照放大5倍來設計的，所以輸出電壓簡單計算一下為2.5V。但是我們做好的放大電路不一定是用來放大這樣很標準很完美的信號的，而是用來處理一些很復雜的信號的。比如手機里的音樂是帶有聲音的電信號，那么他的波形就不是很有規律了，簡單來說就是波形一會大一會小，一會又大了，一會又小了，反反復復，存在非常多的不確定性。所以我們按照手機耳機孔輸出的音頻信號電壓來計算。我大概去查了一下手機音頻口輸出的信號電壓大概在0.3V到1V左右，手機音量的高低不同，輸出的電壓也將會不一樣。當信號存在不確定性的時候，通常我們按照信號的最高峰值來計算，也就是說此電路按照1V來計算，也就是說手機音量調到最大的時候電路不會發生失真現象。首先先得明白一個點，如圖一電路，輸出在集電極電阻下面，也就是輸出靠的是C跟E間電壓的變動完成信號的放大輸出，電路工作在靜態時，也就是接輸出電容的地方，他的電壓就等于電源電壓VCC減去RC上的電壓，如果接入負載，電容上就會瞬間充電，充電路徑是電源VCC，到集電極電阻RC，到電容，到負載，到地。也就是說通電瞬間，電容充電期間是不隔直流的，當充完電之后就可以隔開直流電壓了，當然這個充電時間一般很短，不會影響整個電路，也不影響用電容的通交流隔直流來分析電路。

先來看一張圖片：

圖六

輸出電壓是從UC取出的，也就是說在靜態工作下，集電極電位不為0，也是有靜態工作電位的，在通俗一點將，輸出電壓以UC的靜態電壓為中心上下浮動。如圖A電路，輸入信號的變化會導致集電極電流IC變化，變化的電流記作IC1，顯然這個IC1肯定是上下浮動的，信號一會大一會小，進一步記作±IC1，那么RC上的電壓URC就為：URC=+IC1*RC和URC=-IC1*RC。（-號代表電壓減小）

因為UC=VCC-URC，URC變化，那么點UC出電壓就變化，這就是輸出的電壓信號了。圖A負載R6的電壓UR6就是UC靜態電位為中心，UR6=UC±（IC1*RC），通過集電極電阻電壓的變化，在UC出取出了放大后的信號。在此舉個簡單的例子說明剛才解釋的一切：

假如UC點電壓靜態為7V，由于此電路是將1V信號放大5V，所以當信號正半周過來時，迫使基極電位抬高，電路導通加深，IC電流增大，URC就增大，迫使原來URC的電壓增加5V，那么根據公式UC=VCC-URC，UC電壓就減小5V，所以UC=7V-5V=2V。同理信號負半軸電壓進入電路時，迫使基極電位減小，電路導通程度變小，IC就變小，造成URC電壓減小5V，根據UC=VCC-URC，UC電壓就增大5V，所以UC=7V+5V=12V。從這里分析可以看出來，集電極跟基極波形為什么是反向關系了吧。放大后的波形以7V為中心上下5V變動。圖A電路上電即使不工作就有7V的直流電壓，會影響后面的電路，或者負載工作。這顯然是不行的，所以改為圖B電路。加了電容隔開直流電壓之后，用示波器測量輸出電容之后的波形就是以0V為中心上下5V變動了。

說了這么多就正式開始確定電源電壓，信號正半周要放大至5V，負半軸也要放大至5V，為了滿足最大輸出時不失真，所以取5V*2=10V，但是還有一個發射極電阻也是需要占據一定電壓的，取URE=1.2V（文章下面會具體講到這部分），綜合電路各種無法避免的損耗，最終取電源電源電壓為15V。

4.確定發射極的靜態工作點：

也可以說是確定集電極跟發射極的靜態電流。（忽略基極電流，看作IC=IE）具體怎么確定呢，還是離不開廠家的規格書：

圖七

此圖是8050三極管集電極電流IC跟放大倍數Hfe的關系圖，從圖中可以看出（以25℃那條線為準），集電極電流在100mA左右為分界線，向左看線條基本是平的，但是大于100mA時，放大倍數開始下降了。所以根據這個圖，應該確定IC在100mA以內比較合適。但是還不能這么潦草確定了，繼續看規格書：

圖八

這是集電極電流IC與頻率的關系圖，通俗講就是集電極電流在多大情況下，可以正常的放大多少頻率的信號。比如上圖當集電極電流IC在30mA時，大約可以正常放大220MHZ以下的信號。本文設計的電路以處理音頻信號為主，頻率在20KHZ以下，看圖中關系曲線，集電極電流IC在2mA時，可以放大的范圍為70MHZ左右。跟本文要處理的20KHZ比較簡直戳戳有余，簡簡單單。所以本文選擇2mA以下的電流作為集電極電流IC，取1mA。相對應的發射極電流IE也隨之確定也等于1mA。在實際做成之后，用萬用表測量肯定會有誤差，但是基本在1mA附近。為什么說不選擇100mA呢？在設計允許范圍內，取最小的結果是最好的，因為可以減少整個電路的功耗損失。并不是說電流選取越小越好，具體情況是要根據所處理的電路來決定的。如果匆匆的確定了IC為100mA，電路不僅要承受很大的無用功率，還要面臨三極管及有可能在短時間內就會過熱的問題，圖三可以看出這種三極管的身板并不是很壯實，很嬌小，規格書上雖然說電流可以達到幾百mA，但是真正流過幾百mA的時候發熱問題也會隨之而來，三極管對溫度是很敏感的，過熱之后容易發生不穩定的因素工作不正常，即使使用了本文所講的這種結構，但是過分的過熱還是會導致電路極不正常。這種規格三極管就不是用來處理大電流的，電流到達百mA級別會有專門類型的三極管來處理，可以暫且稱為功率三極管，那種三極管一般都是可以安裝小型散熱器的。

5.確定發射極電阻RE與集電極電阻RC：

這個RE電阻的電壓很關鍵，取大了會影響電路正常的放大功能，取小了不能起到穩定電路的作用。那一般取多少合適呢？我在看日本工程師鈴木雅臣編寫的《晶體管電路設計》一書當中，是這么解釋的：為了吸收基極——發射極間的電壓VBE隨溫度的變化，RE的直流電壓必須在1V以上，這是因為VBE只有0.6V左右的值，然而它具有-2.5mV/℃溫度特性，VBE隨溫度變化，相對應的集電極電流IC也會變動，發射極電位就變動了的緣故。通俗點說就是取值過小起不到穩定電路靜態工作點的作用，所以本文電路取1.2V。（取2V左右是比較好的，但是本文選擇的電源為15V，要放大1V的最大輸入信號至5倍輸出，如果此值取得很大將會發生失真，條件允許可以增大電源電壓來解決，這里暫且按照15V來計算。其實很多情況下三極管用來放大的信號很少有1V情況，大部分在零點幾V的范圍，那就對應的電源電壓選擇時就可以小很多。）

有了發射極電流跟發射極電阻電壓URE，故發射極電阻就可以求出來了：

根據歐姆定律

RE=1.2V/1mA=1.2K

由于是放大5倍的電路，所以根據公式AV=RC/RE：

得到RC=1.2K*5=6K

在這里說明一點，有的時候計算出來的數值不一定有對應的電阻大小，取與之相近的即可。

要計算下選取的電阻是否合適，在15V電壓下，兩個電阻如圖六所示為串聯關系，最大可以流過15/（1.2K+6K）約等于2mA電流大于設定的1mA電流，所以可行。

以上計算方法只要電源電壓夠大，滿足放大后的信號最大振幅要求是完全可以的，當我我們在進行設計電路的時候，往往所能使用的電源電壓是有限的，在此在講一個更為穩妥的計算方法。將圖六UC靜態電壓設為中點附近，具體哪個中點看下圖：

圖九

在15V電源下，也就是設定在8.1V即為中點。8.1V向上有6.9V，向下有6.9V，完全可以正常的輸出1V放大5倍的信號5V電壓。還留有1.9V的余量，這個余量一定要大于所放大信號的最大電壓，本文來講就是大于1V。也就是說UC在8.1V時可以取出最大的振幅，最大振幅電壓為6.9V。下面的1.2V是前面設定的發射極電阻電壓，為什么要設定在發射極電位跟電源電壓的中點呢？而不是直接電源總電壓中點呢？先看圖：

圖十

這是我在電腦仿真的波形，就是集電極與發射極的波形。看到圖中有一個電壓為2.18V左右（藍綠色波形），此電壓是發射極波形的最高電壓，也就是1V信號進入發射極與發射極原有的1.2V電壓疊加形成的，上面講過發射極跟集電極信號相位相反，這是一會說明問題的關鍵。若果放大倍數稍微加大，比如放大了6倍甚至更大倍數，那么黃色波形也就是放大后的波形，因為放大倍數大了，以UC靜態電位為基礎，向下減小電壓的部分也就大了，肯定與下面發射極波形發生接觸相交。（UC電壓問題參考確定電源電壓部分）。最終相交的是黃色波形的最低電壓頂點與藍綠色波形最高電壓頂點，黃色波形想要繼續減小，然而對應的是卻藍綠色波形電壓最高點，被信號正半周的1V電壓強制為2.18V，最終黃色波形無能為力，黃色波形的電壓低于2.18V左右的部分將被消掉。具體看下圖：

圖十一

根據圖九的方法還可以用來更快的確定電源電壓，比如我要放大0.5V的信號，放大5倍，該怎么確定電源電壓。首先確定發射極電阻電壓，這里暫且定為2V。放大5倍，最終輸出電壓為2.5V，那么中點電壓為2V加上2.5V的輸出電壓加上大于輸入電壓0.5V的余量，取1V。所以中點電壓為5.5V，此電壓到發射極電阻電壓為5.5V-2V=3.5V，那么到電源電壓也應該為5.5V+3.5V=9V，所以取9V電源。

按照此方法重新計算下RC跟RE的取值：

首先確定的是UC=8.1V，那么留給RC的電壓URC=15V-8.1V=6.9V。

由于IC=1mA，所以RC=6.9V/1=6.9K。

URE還是取1.2V（因為8.1V是取的URE為1.2V到電源的中間值，在者由于15V電壓下處理1V的信號放大5倍輸出已經很緊張了，所以不做改變），IE=1mA。

所以RE=1.2K。

計算下放大倍數AU=RC/RE=6.9/1.2=5.75，跟設計要求5倍差不多所以不做更改。不更改還有一個原因，按照上述公式計算的放大倍數與實際放大倍數是稍微偏小的，大家在計算的時候可以稍微將RC取大一點來彌補這個問題。

如果重新計算之后出現RC/RE>5倍或者RC/RE<5倍的時候該怎么解決。如果大于要設計的放大倍數，本文來講是5倍，需要重新調整URE的電壓，重新確定集電極中點電位，重新調整URE的值時要小心，因為過大會引起向下的波形被削掉，過小起不到穩定工作點的作用。如果同時調整了集電極電流IC，那就按照本文方法重新計算各元件取值，這個集電極電流的調整范圍是很大的，一般這種放大電路IC最大的也就幾十mA，在幾mA之內變動最好，也可以取零點幾 mA 都是可行的。至于電路基極側分壓電阻，如果從1mA增加值幾mA的范圍完全是不需要動的，因為三極管本身的放大倍數很大，公式前面也說過，計算下符合遠大于條件就好。遠大于的條件就是重新計算流入基極的電流跟流過基極側兩個分壓電阻的電流進行比較。電阻上的電流大于十幾倍計算的基極電流即可。

如果RC/RE小于要設計的放大倍數呢？比如原來要放大5倍，結果計算出來RC=5K，RE=2K，那就將電路做以下修改即可：

圖十二

所謂的放大倍數就是交流放大倍數，利用電容通交流隔直流的特點，將2K電阻一分為二，一個用電容短路到地，從交流的來看此電路的放大倍數就變成了5K/1K=5倍。而且發射極的電位還是跟原來一樣不發生變化，這就省下了不用重新去計算因為URE改變之后各元件的值。

6.確定基極電阻RB1和RB2：

由于前面講過基極跟發射極開啟電壓等于0.5V——0.7V左右，具體多少咱們繼續看規格書：

圖十三

看圖可以知道（以25℃為準）在VBE=0.57V左右便達到了開啟電壓，但是IC此時只有不到1mA，由于本文設置為1mA，所以VBE取0.6V計算即可。到這里有了發射極電阻電壓URE跟VBE，所以URB1=URE+VBE=1.8V，也就是圖一UBQ點的電壓。有了RB1的電壓還不行，還不能確定基極這邊兩個分壓電阻的具體數值。接下來根據公式：IC=β*IB，即可求出IB?？磮D五，IC=1mA時，β（就是Hfe）約等于300左右，直接取值300。

則IB=1/300=0.003mA。

以前文章講過IC遠大于IB，1mA與0.003mA相比是不是就遠大于了。但是重點來了，剛才求出來的IB是電路維持設計要求所需最小電流。從電源過來的電壓經過RB2后，出現分支，一部分經過RB1到地，一部分進入三極管。所以如果剛好取0.003mA的話最終進入三極管的電流是不足的。所以流過RB1的電流要足夠大，大到什么程度呢？在計算RB1與RB2兩個電阻的時候也可以忽略這個0.003mA，現在有兩個忽略了，一個相比IC忽略0.003mA也就是IB，流過基極側電阻的電流也要忽略IB，所以取值大于IB的幾十倍以上即可，在此取值1mA，為什么這樣取值呢？一來為了好計算，二來這個值只是流過RB1跟RB2電阻的電流并不是進入三極管的電流，三極管只從中吸取0.003mA，三是這個值相比0.003mA，0.003mA是可以忽略了。那為什么不直接取更大的數值呢？因為數值越大相對應的功耗越大，在保證對設計的計算有利，還不影響整體電路時，功耗能小則小。

現在計算RB1的條件都湊齊了

RB1=1.8V/1=1.8K

接下來輪到RB2了：

由于URB1=1.8V，所以URB2=VCC-URB1=15V-1.8V=13.2V。

電流上面說了為1mA，串聯電流相同。

則RB2=13.2V/1mA=13.2K

至此所有電阻均已求出。

五.確定輸出電容、輸入電容、電源去耦電容：

對于放大幾千赫茲到幾十千赫茲的信號，這兩個輸入，輸出電容一般取值幾十uF至百uF即可，在這取10uF。如果需要圖十二所示的電容C1，無特殊要求也按照此經驗取值即可。電源去耦電容一共兩個，一個取值0.1uF（可以用陶瓷片電容），一個取值幾十uF至百uF。

最后完整電路如下：