嵌入式工程師成長(zhǎng)之路 系列文章 總目錄

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希望本是無(wú)所謂有，無(wú)所謂無(wú)的，這正如腳下的路，其實(shí)地上本沒(méi)有路，走的人多了，也便成了路

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運(yùn)算放大器知識(shí)已總結(jié)完畢：

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【49.運(yùn)算放大器詳解a - 三極管的放大作用和靜態(tài)工作點(diǎn)】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【50.運(yùn)算放大器詳解b - 負(fù)反饋電路、正反饋電路和共模干擾】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【51.運(yùn)算放大器詳解c - 差分放大電路】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【52.運(yùn)算放大器詳解d - 運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【53.運(yùn)算放大器詳解e - 運(yùn)算放大器虛短和虛斷】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【54.運(yùn)算放大器詳解f - 運(yùn)算放大器電路分析方法】

【專題2：電子工程師 之 硬件】 之 【55.運(yùn)算放大器詳解g - 應(yīng)用案例：將傳感器信號(hào)進(jìn)行放大】

1.三極管的工作狀態(tài)

（1）當(dāng)a點(diǎn)流過(guò)一個(gè)大于1mA的電流時(shí)，Q1完全導(dǎo)通，Ic為Ib的β倍。三極管完全飽和（完全導(dǎo)通）也是一種放大，將Ib電流放大了β倍。

但這種狀態(tài)下的三極管是飽和的，Ic已經(jīng)達(dá)到最大了。假設(shè)β為200，當(dāng)Ib為10mA時(shí)，Ic是200mA；那如果Ib為20mA，Ic是多少呢？Ic并不是400mA，而是200mA。

當(dāng)三極管b極流入一個(gè)信號(hào)源，并且信號(hào)源的電流在1mA以下時(shí)，三極管工作在真正的放大區(qū)，盡管放大倍數(shù)不是很大，但輸出波形確實(shí)是輸入波形的放大。

假設(shè)β為100，如果信號(hào)源的電流大于1mA，那Ic輸出的電流都是100mA，信號(hào)出現(xiàn)失真。
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2.三極管放大狀態(tài)下輸入與輸出波形

（1）輸入信號(hào)只有在1mA以下時(shí)，三極管的輸出波形才和輸入波形一致，信號(hào)不會(huì)失真。

（2）放大了β倍是指Ic的電流是Ib電流的放大，但是b點(diǎn)通過(guò)電阻R2輸出的是電壓信號(hào)，并且最大值為電源電壓。

Va最大為10mV，Vb最大為15V，并且兩者波形完全一致（相位相反），這確實(shí)是放大了。

（3）輸入波形和輸出波形的相位相反。

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3.三極管的放大倍數(shù)β

放大倍數(shù)β不是定值，如果Ic電流太大，β就會(huì)減小；如果Ib電流太小，β也會(huì)減小，只有當(dāng)Ic在一定的范圍內(nèi)時(shí)，三極管的放大倍數(shù)β才最大并且穩(wěn)定。

思考：當(dāng)三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，為什么一定要讓?duì)卤M可能穩(wěn)定?

如果β不穩(wěn)定，隨時(shí)都在變化，則Ic也會(huì)不穩(wěn)定，輸出波形也會(huì)錯(cuò)亂（信號(hào)失真）。

譬如當(dāng)β為10時(shí)，Ib為0.5mA對(duì)應(yīng)的Ic電流為5mA，b點(diǎn)輸出電壓為5V；當(dāng)β為5時(shí)，Ib為1mA對(duì)應(yīng)的Ic電流還是為5mA，b點(diǎn)輸出電壓也為5V，此時(shí)放大就失真了，所以只有當(dāng)β盡可能不變時(shí)，信號(hào)放大才有意義。

總結(jié)：
我們希望在三極管放大狀態(tài)下，β盡可能保持不變，即Ic的電流不能過(guò)大也不能過(guò)小，此時(shí)b點(diǎn)輸出放大了的電壓信號(hào)就不會(huì)失真。
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4.三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)

（1）為了讓輸出信號(hào)不會(huì)失真，要讓?duì)陆茷橐粋€(gè)常數(shù)。要讓?duì)聻橐粋€(gè)常數(shù)，則Ic的大小就要在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，也就是Ib的大小要在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

譬如Ib為10uA~500uA時(shí)，β基本不變，信號(hào)不會(huì)失真。Ib大于500uA或小于10uA時(shí)，β都會(huì)變化，信號(hào)會(huì)失真。要放大的信號(hào)一般是正弦信號(hào)，正弦信號(hào)一定有一段時(shí)間，Ib是在10uA以下的，也就是Ib的最小值不好限制。Ib的最大值可以通過(guò)加大電阻R1來(lái)限制，使Ib一定小于500uA。正弦信號(hào)有一部分信號(hào)還是會(huì)失真。

思考：解決信號(hào)在10uA以下時(shí)，放大信號(hào)失真的問(wèn)題？
不管Ib是否存在，都讓三極管工作在一個(gè)最理想的狀態(tài)下（β為常數(shù)的狀態(tài)）。在b極加一個(gè)電流Ibq，該電流能讓三極管工作在一個(gè)最好的放大狀態(tài)下，當(dāng)有輸入信號(hào)Ib時(shí)，輸入信號(hào)是騎在Ibq上的。

（2）在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，讓三極管工作在最好的放大狀態(tài)下的Ibq電流，稱為該三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入信號(hào)都是騎在靜態(tài)工作點(diǎn)電流上的，即使輸入信號(hào)很小（傳感器的輸出信號(hào)都很小），所以也不會(huì)對(duì)Ic造成太大的波動(dòng)，β基本維持不變。

（3）所謂靜態(tài)，是指沒(méi)有信號(hào)輸入的時(shí)候。

（4）電路原理圖

當(dāng)a點(diǎn)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，+15V經(jīng)過(guò)R2和R4分壓，在c點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)電壓Vc。Vc所形成的電流流過(guò)三極管時(shí)，剛好能讓三極管工作在靜態(tài)工作點(diǎn)；此時(shí)三極管處于最好的放大狀態(tài)，β值不會(huì)變。

總結(jié)：
（1）將R2和R4組成的電路，稱為偏置電路。

（2）偏置電路的目的：當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)b極時(shí)（三極管處于靜態(tài)時(shí)），讓三極管b極和e極之間有一個(gè)電流流過(guò)，并且該電流大小就是靜態(tài)工作點(diǎn)所需的電流大小，讓三極管處于一個(gè)最好的放大狀態(tài)。

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5.思考：為什么要在B極加一個(gè)電容C1？

因?yàn)橛徐o態(tài)工作點(diǎn)偏置電路，所以b極一直有一個(gè)電壓，該電壓由R4和R2分壓而來(lái)，該電壓會(huì)影響輸入信號(hào)。怎么影響？

當(dāng)輸入信號(hào)為0V時(shí)，c點(diǎn)的電流流向如下圖。

但輸入信號(hào)大于c點(diǎn)電壓時(shí)，c點(diǎn)的電流流向如下圖。

因?yàn)閏點(diǎn)的電流方向都發(fā)生變化了，所以在有輸入信號(hào)和沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，c點(diǎn)的電壓肯定是不同的。即靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變失真。所以需要加一個(gè)電容，起到隔直通交的作用。因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)的供電電壓是直流電，不會(huì)通過(guò)該電容，電流方向如下：

（1）沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，c點(diǎn)的電流流向：

（2）有輸入信號(hào)時(shí)，c點(diǎn)的電流流向：

由圖可知，不管有無(wú)輸入信號(hào)，都可以保證靜態(tài)工作點(diǎn)不變。由直流電壓提供的Vc（靜態(tài)工作點(diǎn)電壓）都不會(huì)變，而輸入交流信號(hào)僅僅只是騎在該直流電流上的，輸入信號(hào)都是靜態(tài)工作點(diǎn)電流附近的電流，三極管依舊工作在最好的放大狀態(tài)下。
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6.電容能通交流的本質(zhì)

輸入下圖所示交流信號(hào)

（1）信號(hào)從a點(diǎn)上升到b點(diǎn)的過(guò)程中，電壓逐漸增大，對(duì)電容逐漸充電，電流是從左往右的，這里的從左往右不是電流（電荷）真的穿過(guò)電容，從正端流過(guò)負(fù)端。

而是，信號(hào)給電容充電，充電的過(guò)程就有電荷的移動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電流，電流的方向和正電荷移動(dòng)的方向一致，就等價(jià)于有電流從電容的正端流過(guò)電容的負(fù)端。

（2）信號(hào)從c點(diǎn)降低到d點(diǎn)的過(guò)程中，電容正端的電壓比信號(hào)電壓更大，所以信號(hào)不會(huì)再給電容進(jìn)行充電，而是電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行放電，放電的過(guò)程，電荷是從電容的正端流回信號(hào)源的，即正電荷移動(dòng)的方向?yàn)閺挠彝?#xff0c;同樣等價(jià)于有電流從右往左移動(dòng)。

總結(jié)：
所謂電容的通交流，指的是交流電給電容充放電的過(guò)程，由于該過(guò)程有電荷的移動(dòng)，所以就等價(jià)于有電流流動(dòng)。電容充電過(guò)程，電流由左往右；電容放電過(guò)程，電流由右往左。就等價(jià)于電容可以通過(guò)交流電。

注意：
在三極管c極和負(fù)載之間也需要加一個(gè)電容C2，讓直流信號(hào)不會(huì)輸出來(lái)，如下圖。

在分析電路的時(shí)候，如果是交流信號(hào)，當(dāng)遇到電容時(shí)，直接短路；如果是直流信號(hào)，遇到電容時(shí)，直接斷路。
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【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】的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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