胡 輝

（湖南工業(yè)大學(xué) 交通工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于應(yīng)用BJT放大時(shí)的精度要求越來(lái)越高。一個(gè)良好的、高精度的放大電路可以很好地保留原來(lái)信號(hào)的特性，降低工作時(shí)不必要的功耗。雖然場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)憑借更低的功耗，在數(shù)字集成電路中逐漸成為主流，雙極性晶體管在集成電路中使用由此逐漸減少。然而，應(yīng)當(dāng)看到，即使在現(xiàn)在的集成電路中，雙極性三極管仍然是一種重要的器件，市場(chǎng)上仍然存在大量相關(guān)器件。如何能夠得到一個(gè)精度相對(duì)較高的放大波形，無(wú)疑是放大電路應(yīng)用中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題[1-2]。

1 測(cè)試電路的設(shè)計(jì)

對(duì)BJT放大功能的測(cè)試電路采用Multisim14.2進(jìn)行軟件仿真[3-4]，通過(guò)軟件可以改變電阻參數(shù)，模擬實(shí)際放大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的失真，而后可以對(duì)出現(xiàn)失真時(shí)電路的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行記錄，從而盡量避免在應(yīng)用中選擇電阻時(shí)可能導(dǎo)致的輸出信號(hào)失真。測(cè)試電路采用阻容耦合的方式進(jìn)行連接，以排除信號(hào)和負(fù)載對(duì)于靜態(tài)點(diǎn)的干擾。電路整體由兩級(jí)用于放大的共射極放大電路[5]和一級(jí)提高帶負(fù)載能力的共集電極放大電路組成[6]，通過(guò)多級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)在輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上放大100倍以上的有效輸出波形。

1.1 對(duì)測(cè)試電路的元件選擇進(jìn)行分析

在電子技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，涌現(xiàn)出了非常多不同型號(hào)的三極管，它們被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上改變了人們的日常生活。本次測(cè)試選取2N系列的NPN型BJT三極管，具體型號(hào)為2N2222。對(duì)于一個(gè)三極管，將其用于設(shè)計(jì)放大電路之前首先應(yīng)該確定的是一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并盡量避免電路中的其他元件以及電路中的輸入信號(hào)對(duì)靜態(tài)點(diǎn)可能造成的影響。在給定15 V的直流供電電源時(shí)，用于放大的共射極電路采取基極分壓式射極偏置，為了使靜態(tài)工作點(diǎn)取在一個(gè)合適的位置，需要將VCEQ的電壓控制在約7.5 V，通過(guò)理論計(jì)算與仿真測(cè)試，基極兩電阻的比值約為3∶1時(shí)，可以達(dá)到一個(gè)較為良好的放大效果。具體電路如圖1所示。

圖1 正常放大電路

1.2 失真測(cè)試的方案設(shè)計(jì)

在應(yīng)用BJT進(jìn)行信號(hào)放大的過(guò)程中，由于電阻元件不恰當(dāng)?shù)娜≈档仍驎?huì)使得輸出的波形出現(xiàn)各種各樣的失真。本次測(cè)試通過(guò)對(duì)相應(yīng)電阻元件進(jìn)行調(diào)整，模擬出現(xiàn)失真時(shí)的波形，從而得出正常放大所需要考慮的一些電阻元件的取值問(wèn)題。本次測(cè)試的輸入波形采用信號(hào)發(fā)生器輸出的1 khz， 10 mv的正弦波，通過(guò)雙通道示波器對(duì)輸入、輸出波形進(jìn)行采樣對(duì)比，得到相關(guān)結(jié)論。

2 測(cè)試的流程及相關(guān)波形

當(dāng)人們?cè)谟萌龢O管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，目的是對(duì)輸入信號(hào)一定比例的放大，如果不能按照比例放大，放大后的輸出信號(hào)與原來(lái)的輸入信號(hào)相比就出現(xiàn)了失真。本次測(cè)試通過(guò)仿真軟件依次對(duì)頂部失真、底部失真、雙向失真進(jìn)行模擬[7]，每次失真模擬都是在正常放大的基礎(chǔ)上對(duì)電阻參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到所需的失真輸出波形。

頂部失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)取在一個(gè)工作區(qū)內(nèi)相對(duì)較低的位置，即VCEQ過(guò)高，此時(shí)三極管工作點(diǎn)在截止區(qū)附近，那么就會(huì)出現(xiàn)有一部分輸入信號(hào)正半軸的波形無(wú)法正常地通過(guò)三極管進(jìn)行放大。本次測(cè)試通過(guò)增大基極的兩個(gè)穩(wěn)壓電阻的比例來(lái)模擬此類(lèi)失真。波形如圖2所示。

圖2 頂部失真

底部失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)取在一個(gè)工作區(qū)內(nèi)相對(duì)較高的位置，即VCEQ的值偏小，此時(shí)三極管工作點(diǎn)在接近飽和區(qū)的位置，從而導(dǎo)致輸入信號(hào)的負(fù)半軸波形有一部分無(wú)法正常的通過(guò)三極管進(jìn)行放大，本次測(cè)試通過(guò)減小基極穩(wěn)壓電阻的電阻比例來(lái)模擬出此類(lèi)失真。波形如圖3所示。

圖3 底部失真

雙向失真的出現(xiàn)與前兩種失真出現(xiàn)的原因不相同，這種失真的出現(xiàn)更多是因?yàn)樗≡鲆孢^(guò)大，使三極管在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，也會(huì)在兩端同時(shí)出現(xiàn)波形無(wú)法正常顯示的情況。在用三極管放大的過(guò)程中，有時(shí)因?yàn)闆](méi)能考慮三極管本身的特性對(duì)放大電路增益選取一個(gè)合理的值，就會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)失真。本次測(cè)試通過(guò)改變集電極與發(fā)射極電阻，增大電壓增益模擬此類(lèi)失真。波形如圖4所示。

圖4 雙向失真

3 結(jié)論

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，三極管放大電路在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。由多級(jí)放大電路構(gòu)成的實(shí)際電路對(duì)輸入的信號(hào)有著更好、更穩(wěn)定的放大作用，但是在構(gòu)成電路時(shí)，應(yīng)該著重考慮元件參數(shù)對(duì)波形輸出的影響。本次基本放大功能的測(cè)試，對(duì)BJT可能出現(xiàn)的失真進(jìn)行了理論說(shuō)明，通過(guò)模擬得出了失真產(chǎn)生時(shí)的參數(shù)條件。在應(yīng)用BJT進(jìn)行放大的過(guò)程中，為了避免失真，需要對(duì)能夠影響到靜態(tài)工作點(diǎn)的電阻的選取事先進(jìn)行近似計(jì)算，讓靜態(tài)點(diǎn)能夠位于一個(gè)合適的位置；對(duì)放大的電路的增益也需要控制在一個(gè)合理的范圍。