【专题5：硬件设计】之【49.运算放大器详解a - 三极管的放大作用和静态工作点】

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运算放大器知识已总结完毕：
【专题2：电子工程师之硬件】之【49.运算放大器详解a - 三极管的放大作用和静态工作点】
【专题2：电子工程师之硬件】之【50.运算放大器详解b - 负反馈电路、正反馈电路和共模干扰】
【专题2：电子工程师之硬件】之【51.运算放大器详解c - 差分放大电路】
【专题2：电子工程师之硬件】之【52.运算放大器详解d - 运放的内部结构】
【专题2：电子工程师之硬件】之【53.运算放大器详解e - 运算放大器虚短和虚断】
【专题2：电子工程师之硬件】之【54.运算放大器详解f - 运算放大器电路分析方法】
【专题2：电子工程师之硬件】之【55.运算放大器详解g - 应用案例：将传感器信号进行放大】

1.三极管的工作状态

（1）当a点流过一个大于1mA的电流时，Q1完全导通，Ic为Ib的β倍。三极管完全饱和（完全导通）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，Ic已经达到最大了。假设β为200，当Ib为10mA时，Ic是200mA；那如果Ib为20mA，Ic是多少呢？Ic并不是400mA，而是200mA。

当三极管b极流入一个信号源，并且信号源的电流在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。

假设β为100，如果信号源的电流大于1mA，那Ic输出的电流都是100mA，信号出现失真。

2.三极管放大状态下输入与输出波形

（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）放大了β倍是指Ic的电流是Ib电流的放大，但是b点通过电阻R2输出的是电压信号，并且最大值为电源电压。

Va最大为10mV，Vb最大为15V，并且两者波形完全一致（相位相反），这确实是放大了。

（3）输入波形和输出波形的相位相反。

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，β就会减小；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对应的Ic电流为5mA，b点输出电压为5V；当β为5时，Ib为1mA对应的Ic电流还是为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尽可能保持不变，即Ic的电流不能过大也不能过小，此时b点输出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，也就是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，信号不会失真。Ib大于500uA或小于10uA时，β都会变化，信号会失真。要放大的信号一般是正弦信号，正弦信号一定有一段时间，Ib是在10uA以下的，也就是Ib的最小值不好限制。Ib的最大值可以通过加大电阻R1来限制，使Ib一定小于500uA。正弦信号有一部分信号还是会失真。

思考：解决信号在10uA以下时，放大信号失真的问题？
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）。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，让三极管工作在最好的放大状态下的Ibq电流，称为该三极管的静态工作点。输入信号都是骑在静态工作点电流上的，即使输入信号很小（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，β基本维持不变。

（3）所谓静态，是指没有信号输入的时候。

（4）电路原理图

当a点没有信号输入时，+15V经过R2和R4分压，在c点会形成一个电压Vc。Vc所形成的电流流过三极管时，刚好能让三极管工作在静态工作点；此时三极管处于最好的放大状态，β值不会变。

总结：
（1）将R2和R4组成的电路，称为偏置电路。

（2）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b极和e极之间有一个电流流过，并且该电流大小就是静态工作点所需的电流大小，让三极管处于一个最好的放大状态。

5.思考：为什么要在B极加一个电容C1？

因为有静态工作点偏置电路，所以b极一直有一个电压，该电压由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。

但输入信号大于c点电压时，c点的电流流向如下图。

因为c点的电流方向都发生变化了，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，不会通过该电容，电流方向如下：

（1）没有输入信号时，c点的电流流向：

（2）有输入信号时，c点的电流流向：

由图可知，不管有无输入信号，都可以保证静态工作点不变。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，输入信号都是静态工作点电流附近的电流，三极管依旧工作在最好的放大状态下。

6.电容能通交流的本质

输入下图所示交流信号

（1）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，信号给电容充电，充电的过程就有电荷的移动，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端流过电容的负端。

（2）信号从c点降低到d点的过程中，电容正端的电压比信号电压更大，所以信号不会再给电容进行充电，而是电容对信号进行放电，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。就等价于电容可以通过交流电。

注意：
在三极管c极和负载之间也需要加一个电容C2，让直流信号不会输出来，如下图。

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。