共射放大电路为什么会失真？为什么没有放大？

关于三极管前面已经发了6篇：

选择三极管时应重点关注哪些参数？(1) 选择三极管时应重点关注哪些参数？(2) 选择三极管时应重点关注哪些参数？(3) 三极管的频率问题 如何消除共射三极管放大电路失真？有仿真验证 电流放大倍数β、截止频率fβ，特征频率fT三者间的关系，巨详细！

除了前面2篇是偏理论的，后面4篇都是偏工程应用的。其实也都是在围绕一个电路在讨论：为什么会失真？为什么没有放大？

第6篇文章，我们指出了前面文章的问题点，也讨论了电流放大倍数β、截止频率fβ，特征频率fT三者间的关系，但是还是没讲清楚输入信号在100kHz、10MHz、100MHz、300MHz时有什么区别？

 

一道问题

照例，先抛出来一道问题：共射极三极管放大电路，为什么输入信号的频率不同，输出信号的幅值不同呢？这里暂且不考虑饱和失真和截止失真的情况。这道题不会是面试题，面试官也不会问这么刁钻。

 

交流通路的前置条件

说到共射极三极管放大电路的交流通路，我想很多小伙伴都不陌生。大学老师也讲过，画交流通路，需要：

（1）把（内阻很小的）直流电压源当做短路，（内阻很大的）直流电流源当做开路；

（2）把（容值较大的）电容当做短路；

对的，这里都没错。但是这里面有个条件：输入信号需要在CE(共射极)组态电路的中频带内。在这个条件下，还有2块内容是被认为已经约定俗成了。

①三极管的结电容（Cb'c、Cb‘e）被当做开路；

②放大电路中的耦合电容、旁路电容被当做短路；

这里的②和前面画交流通路中的（2）是对应的。

可是，如果信号频率超出中频带的上限频率，进入高频带，此时三极管的结电容（Cb'c、Cb'e）阻抗在减小，不能再被当做开路。此时的交流通路就需要考虑Cb'c、Cb'e的影响。

同样，如果信号频率低于中频带的下限频率，进入低频带，此时三极管的耦合电容、旁路电路阻抗在增加，不能再被当做短路。此时的交流通路就需要考虑耦合电容（如上图中的C1、C2）的影响。

 

CE放大电路中频带的Av

在上一篇文章中提到，我有把电流放大倍数β和电压放大倍数Av搞混淆。开头展示出的CE组态放大电路的电压放大倍数Av是怎样的呢？

不妨，我们先画一下CE组态放大电路的交流通路，如上图右侧所示。

有了交流通路，我们可以很方便的计算出Vo和Vi，如上图所示。

当(1+β)Re>>rbe时，rbe的影响可以忽略。β和1+β也可以近似约掉。

当RL足够大时，Rc||RL可以约等于Rc，则有：

咋一看，这个电压放大倍数Av只与Rc和Re有关，和频率没有关系。对的，在中频带内，确实可以有这样的近似关系。

 

CE放大电路高频等效电路

上面画出的是CE放大电路在中频带内的等效电路，那如果进入到高频带，就需要考虑结电容Cb'c、Cb'e的影响，不能再当做开路处理。

下图左侧方框内电路，即为CE放大电路高频等效电路。注意此时的Cb'c跨接在b'和C之间，相当于既在输入回路，又在输出回路，这样会使电路的计算变得复杂，我们需要做进一步简化。

米勒（密勒）电容的等效可以把Cb'c转化为输入回路和输出回路两个部分。Cb'c等效到输入回路的部分可以定量记作(1+gmR'L)Cb'c，Cb‘c等效到输出回路的部分约等于Cb'c（容值很小，可忽略）。具体怎么等效的，这里不做展开讨论。上图的右侧方框内，即为米勒等效后的CE放大电路高频等效电路。

 

CE放大电路的高频截频fh

上面说了CE放大电路的高频等效电路，可以怎么才算是高频区，怎么才算是中频区呢？我们需要计算出中频区的上限频率fh。

计算起来是比较复杂的，需要在米勒等效后的电路再进行2次戴维宁等效，如下图红框所示，为戴维宁等效后的电路。

等效后的电路，看着是不是很熟悉！输入回路就相当于是一个RC电路，此时的R和C都有一长串的计算关系式。

有了R、C的参数，我们就很容易得出等效后的电路的截止频率fh

 

实际推导计算

上面说了一大通，都是公式，一点也不切合实际。我们还是实际动手计算一下。小黑板已准备好，下图为“硬件微讲堂”号主手动推导计算的过程。

先把Cb1，Cb2，Rb1，Rb2，Rc，Re，RL数值罗列清楚，再把VBEQ，β0，Cb'c，fT，rbb'数值假设(或查询)一下。

①计算静态工作点IEQ，计算rb'e需要用；

②计算跨导gm，发射极电阻Re等效到输入回路的电阻rb'e，结电容Cb'e；

③计算米勒等效和戴维宁等效后的R和C。

由于原来电路中没有考虑电压源Vs的内阻Rs，计算时也暂且先忽略其数据。这样计算出来fh约为1MHz。考虑到有些参数的数值为估算值，计算过程中也有很多近似，这个数值和实际可能有一些偏差。

 

TINA-TI仿真

我们再用TINA-TI做下仿真看看频率响应的效果。可以通过两个渠道来仿真。

①分析--交流分析--选择“振幅”；

②T&M--信号分析仪--选择“dB Magnitude”；

上图，即为CE组态放大电路的中高频的频率响应，和低通滤波的频响有些类似哈。图中可以看出，放出来的fh=7.26MHz。和我们计算的1MHz虽然有差异，但不远。

这个图，也可以解释前面提到的为什么10MHz、100MHz、200MHz、300MHz时，输出的信号幅值不同。因为此时的信号频率已超过中频带的上限频率，已进入高频区，放大电路的增益随着频率上升一直在下降。

在f=100MHz时 ，Gain=1.15dB，换算为电压放大倍数Av=1.14156；

在f=200MHz时，Gain=0.662dB，换算为电压放大倍数Av=1.079195；

在f=300MHz时，Gain=0.423dB，换算为电压放大倍数Av=1.049905。

所以，当频率为100M、200M、300MHz的信号输入时，由于电压放大倍数Av太小，放大电路整体表现为失去了放大作用。

在f=85kHz时，Gaim=13.69dB，换算为电压放大倍数Av=4.83。接近于5倍，而正好是我们前面推导的中频带，Rc/Re=5的增益关系。

 

总结

写到这里，终于把前面共射极放大电路为什么不放大的原因说清楚了。

现在梳理下今天讨论的内容：

①提出问题：共射极三极管放大电路，为什么输入信号的频率不同，输出信号的幅值不同呢？

②画交流通路的前置条件；

③CE放大电路中频带的Av的推导过程及近似结果；

④CE放大电路的高频等效电路及其高频截频fh推导过程；

⑤用TINA-TI仿真CE放大电路的中高频带的幅频相应；

⑥基于仿真结果，分析在不同频率输入信号的增益效果。

编辑：黄飞