【专题6:mcu硬件电路设计】 之 【23.运算放大器详解1 - 三极管的放大作用】

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1.三极管的工作状态

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  (1)当a处流过一个大于1mA的电流,则三极管完全导通,Ic的电流为Ib的β倍。完全饱和也是一种放大,将Ib电流放大了β倍,但这种状态下的三极管是饱和的,即Ic已经达到最大了,如果Ib流过一个10mA电流,Ic是200mA,Ib再通过一个20mA的电流,Ic还是200mA;如果B极流入一个信号源,只要信号源电流大于1mA的部分Ic都是输出100mA,则该信号放大了之后就失真了,因为在信号输入大于1mA部分输出是条直线。

  (2)当B极电流在1mA以下时,三极管工作在真正的放大区,尽管放大倍数不是很大,但输出波形确实是输入波形的放大。

2.三极管放大状态下输入与输出波形

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  (1)输入信号只有在1mA以下时,三极管的输出波形才和输入波形一致,信号不会失真。

  (2)放大倍数并不是β倍,放大了β倍是指Ic的电流是Ib电流的放大,但是b点通过电阻R5,输出的是电压信号,并且最大值为电源电压。

  (3)输入波形和输出波形的相位相反。

  注:
  要想让三极管一直处于放大状态可以在E极与地之间加一个负反馈电阻。

3.三极管的放大倍数β

  放大倍数β不是定值,如果Ic电流太大,那么β会减小;如果Ib电流太小,β也会减小,只有当Ic在一定的范围内时,三极管的放大倍数β才最大并且稳定。

  思考:当三极管工作在放大状态时,为什么一定要让β尽可能稳定?

  如果β不稳定,随时都在变化,则Ic也会不稳定,输出波形也会错乱(信号失真)。譬如当β为10时,Ib为0.5mA时对应的Ic电流为5mA,b点输出电压为5V;当β为5时,Ib为1mA时对应的Ic电流也会5mA,b点输出电压也为5V,此时放大就失真了,所以只有当β尽可能不变时,信号放大才有意义。
  总结:
  我们希望在三极管放大状态下,β尽可能不要变化,即Ic的电流不能过大也不能过小,此时输出端输出的放大了的电压信号就不会失真。

4.三极管的静态工作点

  (1)为了让输出信号不会失真,要让β近似为一个常数;要让β为一个常数,则Ic的大小就要在一个合适的范围内,即Ib的大小要在一个合适的范围内。

  譬如Ib为10uA~500uA时,β基本不变,即信号不会失真;Ib大于500uA或小于10uA时,β都会变化,即信号会失真;要放大的信号一般是正弦信号,正弦信号是一定有一段时间Ib是在10uA以下的(可以通过加大电流来限制Ib的电流一定小于500uA),即信号还是会失真。

  思考:
  解决信号在10uA以下时,放大信号失真的问题?
  思路:
  不管Ib是否存在,都让三极管工作在一个最理想的状态下(β为常数的状态下),即在B极加一个电流Ibq,该电流能让三极管工作在一个最好的放大状态下,当有输入信号Ib时,输入信号是骑在Ibq上的。

  (2)在没有信号输入时,让三极管处于最好的放大状态下的Ibq电流,称为该三极管的静态工作点。此后的输入信号都是骑在静态工作点电流上的,因为输入信号都很小(传感器的输出信号都很小),所以也不会对Ic造成太大的波动,即β基本维持不变。

  (3)所谓静态,是指没有交流信号输入的时候。

  (4)电路原理图
在这里插入图片描述

  当a点没有信号流过来时,+15V经过R2和R4分压之后,由c点电压形成的电流流过三极管时,刚好能让该三极管工作在静态工作点上;即此时三极管处于最好的放大状态,β值不会变。

  注:

  • 将R2和R4组成的电路,称为偏置电路。
  • 偏置电路的目的:当没有电流流过B极时(三极管处于静态时),让三极管BE之间还有一个电流通过,并且该电流的大小就是静态工作点电流大小,让三极管处于一个最好的放大状态。
  • 让B极输入电流(交流信号)一直处于200uA(假设200uA就是静态工作点电流)附近,让三极管一直处于最好的放大状态,即β基本不会发生改变。

5.思考:为什么要在B极加一个电容C1?

在这里插入图片描述
  因为有静态工作点偏置电路,所以B极处一直有一个电压(由R4和R2分压而来),该电压会影响输入信号。
  怎么影响?
  当输入信号为0V时,c点的电流流向如下图。
在这里插入图片描述
但输入信号大于c点电压时,c点的电流流向如下图。
在这里插入图片描述
  因为c点的电流流向都发生变化了,所以在有输入信号和没有输入信号时,c点的电压肯定是不同的。即静态工作点不稳定,信号会发生畸变失真。所以需要加一个电容,起到隔直通交的作用;因为静态工作点的供电电压是直流电,所以不能通过该电容,电流方向如下。

  • 没有输入信号时,c点的电流流向

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  • 有输入信号时,c点的电流流向

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由图可知,不管有无输入信号,都可以保证静态工作点不变,即由直流电压提供的Vc(静态工作点电压)都不会变,而输入交流信号仅仅只是骑在该直流电流上的,使得输入交流电流能让三极管工作在最好的放大状态下的,即输入信号都是静态工作点电流附近的电流。

6.电容能通交流的本质

输入下图所示交流信号
在这里插入图片描述
  信号从a点上升到b点的过程中,电压逐渐增大,对电容逐渐充电,电流是从左往右的,这里的从左往右不是电流/电荷真的穿过电容,从正端流过负端,而是信号在给电容充电,充电的过程就有电荷的移动(对电容进行充电,电荷是从左往右),就会产生电流,电流的方向和正电荷移动的方向一致,就等价于有电流从电容的正极流过电容的负极。

  当信号从最大逐渐降低时,电容正端的电压比信号电压更大,所以信号不能再给电容进行充电,而是电容对信号远进行放电,放电的过程,电荷是从电容的正端流回信号源的,即正电荷移动的方向为从右往左,同样等价于有电流从右往左移动。
总结:所谓电容的通交流,指的是交流电给电容充放电的过程,由于该过程有电荷的移动,所以就等价于有电流流动,电容充电过程,电流由左往右;电容放电过程,电流由右往左。所以就等价于电容可以通过交流电。
  注:
  在三极管C极和负载之间也需要加一个电容C2,让输出的直流交流信号,即直流信号不会输出出来,如下图。
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  注:
  在分析电路的时候,如果是交流信号,当遇到电容时,直接短路;如果是直流信号,遇到电容时,直接断路。

7.负反馈电路

  (1)在电路的工作中,由于环境的变化,譬如温度升高,也会使三极管的放大倍数β发生变化(假如升高),β变大将导致Ic增大,输出波形将会失真。本来是Ib控制Ic的变化的,但由于环境的变化也使得Ic发生变化。

  (2)加入负反馈电路,如下图。
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  负反馈的原理:R7是一个负反馈电阻,Ib不变,B极电压也不变,Ic也不会,但由于环境温度的影响,使得β变大,即Ic变大---->Ic变大引起u7变大---->U7变大导致UBE减小---->UBE减小,使得Ib减小---->Ib减小使得Ic也减小;故将Ic拉回到了原来的值。由于存在负反馈,使得波形具有收敛性。
  注意:
  R7的阻值越大,则负反馈越灵敏(只要Ic电流变化一丁点,Ib立马就跟着动作,让Ic回到原来的值),故Uo输出的文波越小。引入负反馈是为了让电路输出尽可能稳定,降低环境的干扰程度(电路可以自调节)。

8.正反馈电路

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  分析:
  R7是一个正反馈电阻,如果Ic因为环境的影响变大,则u7也会变大,从而使UBE变大,UBE变大使Ic继续变大,而Ic变大,u7继续变大,最终使电路输出失控。

  总结:在实际电路设计中,一般都是使用负反馈,负反馈可以让系统输出更稳定。
  虽然上面的电路通过三极管实现了对信号的放大,但是仍然存在两个方面的问题:第一,三极管很容易受环境的影响;第二,放大倍数还是不够高,普通运放可以达到十几万倍的放大,所以在工程中一般还是使用运放来放大信号。

9.共模干扰

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  由于环境的影响,β发生变化,导致Ic变大,Ic是由直流+15V电源提供的,而反馈电阻R7的作用就是让Ic尽可能稳定,即减小由于Ic变化(这种变化不是由Ib的变化引起的)导致的输出不稳定。由于某些干扰使得Ic发生变化,Ic的变化量就称为共模干扰。
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  在电源开通的时候,存在充电电流i1;充电完成之后i1消失,即i1=0A;如果环境发生变化,i1发生变化(由原来的0A变为0.1mA),则直流电i1的变化量0.1mA就可以认为是共模干扰。

  总结:
  由Vcc到地形成的电流的变化量(变化量是指:当系统稳定时,系统电流是不发生变化的,由于某些干扰,使得系统电流发生变化)就被称为共模干扰,共模干扰是直流电。共模干扰是我们不需要的,它是对系统起坏的作用的。通过负反馈电阻,将共模干扰控制在了一个很小的范围里面,即让Ic基本不会发生变化。

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