晶体管如何放大电压?
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晶体管如何放大电压?

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2021-01-27 12:03 更新 蝈蝈 •  224
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让我们从最基本的内容开始:电位分压器。

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想象一下,输入连接到直流电源,或许是电池。根据两个电阻器R1和R2的比率,电压Vout将是Vin的一部分。如果它们相等,则Vout将是Vin的一半。如果R2为0,则Vout将为0。如果R2与R1相比极高,则Vout将与Vin大致相同。

现在用可变电阻器代替R2:

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现在,我们可以通过转动可变电阻器的刻度盘在0至Vin之间平滑地改变输出电压Vout。

现在想象一下,我们可以使刻度盘的位置与信号(例如正弦波)同步变化。拨盘可以非常快地转动以跟上它,并且非常灵敏,因此只需要很小的信号就可以旋转它。然后,Vout将遵循相同的正弦波,除了现在电压是由电池而不是信号本身提供的。输出端的正弦波大小可能已更改,但忠实地遵循由信号引起的刻度盘变化。我们可以将输出视为输入的放大形式,电流的实际来源是电池,但是由于它忠实地遵循信号,因此它仍然是相同的信号,只是更大。

晶体管就像可变电阻器一样,但是它的电阻由拨入基极的小电流控制,而不是由刻度盘来控制:

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在此,Rc与上图中的R1是相同的电阻,但是R2现在是晶体管。如果将信号电压施加到基极(B)端子,将流过小电流,这将控制集电极(C)和发射极(E)端子之间的有效电阻。与以前一样,电阻将与电流成比例变化,电压Vout将跟随信号的变化。由于仅需要少量的基极电流就可以在非常高和非常低的值之间改变晶体管的电阻,因此输出电压可以比输入电压大很多倍。因此,晶体管充当放大器。

不幸的是,晶体管有一些问题。它不是完美的线性可变电阻器-电阻随输入电流的变化并不遵循简单的直线。基极-发射极结看起来像一个二极管,因此具有正向压降,在低于阈值电压时几乎没有电流流过,并在其之上遵循平方律曲线。一旦基极开始导通,集电极-发射极的电阻就会迅速下降,此后变得“饱和”,这意味着它已完全导通,其电阻不会进一步下降。

我们可以将此行为包装成一系列称为“输出特性”的曲线:

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该图显示了在给定的基极电流和集电极-发射极电压下,晶体管的集电极电流将是多少。每条曲线代表不同的基本电流。因此,假设VCE的固定值为10V,则10µA的基极电流将提供2mA的集电极电流。将其增加至110µA可获得约10mA的电流。

但这保持了集电极和发射极之间的电压恒定,这对于测量晶体管非常有用,但对于将其变成放大器的操作却不可行。相反,我们将晶体管和负载电阻视为一个分压器,因此VCE随着电流的变化而变化。我们可以将此效果作为“负载线”叠加在曲线上:

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红线是负载线,显示了随着电流变化集电极电压发生的变化。当没有电流时,电压等于电源电压VCC。如果VCE可以变为0,则最大可能的电流将流过Vcc / RL。介于两者之间的某个位置是我们希望它在没有信号输入的情况下所处的位置。我们称其为静态点或Q点。为了使晶体管处于该位置,我们需要在电路中增加更多电阻以使其偏置。这将设置基极电流,以便在负载线中间的某个位置提供小的集电极电流。然后,将信号添加到该偏置电流,从而使其在设定点附近上下变化。集电极电流以相同的方式变化。我们可以将此信号效果叠加到图表上:

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红色正弦波是输入信号,使一个峰值处的基本电流IB在80µA之间,另一个峰值处的基础电流IB约为20µA。绿色正弦波表示相应的集电极电流和电压。峰值之间的Ic在2 mA至7.7mA之间变化,显然是放大倍数相当大。

该图表未显示的是,放大率不像它看起来的那样线性,因此输出不会完全忠实地表示输入-它会有些失真。但是,这是一个合理的起点,可以通过各种技术(尤其是负反馈)来改善线性度。

现在,放大器电路如下所示:

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R1和R2形成一个分压器,该分压器使基极电压高于阈值,从而流过小的固定基极电流。这将设置Q点,建立固定的集电极电流。晶体管和Rc构成主要的分压器,插入Re可以提供一些负反馈并稳定Q点,但会牺牲一些增益。(之所以起作用,是因为随着Ic的增加,发射极电压增加,因此降低了基极-发射极电压,减小了Ib,从而减小了Ic。因此,这是一个使Ic稳定的反馈系统)。

电容器C1和C2将电路中的DC电压与AC信号电压隔离。电容器Ce可用于绕开感兴趣的交流频率的负反馈,恢复交流增益,但保留直流反馈以保持稳定性。

本回答来自Graham Cox, Has a degree in Electronics Design and Technology.

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2021-01-27 12:03 更新 我爱喝牛奶G •  2006