共射极放大器的直流分析、交流分析及仿真电路验证

这一期是三极管放大器的分析和设计，共射极放大器的特点是发射极通过电阻连接到共地端，因此称为“共射极”，并且以集电极作为输出端，共射极放大器具有较高的电压和电流增益，同时，在实际分析中根据经验可以简化输入电阻和三极管内阻。

关键词：共射极放大器;

01共射极放大器的直流分析

如图1-1是共射极放大器的基本电路图：

图1-1 共射极放大器电路图

图1-1就是共射极放大器的典型电路，其中电容C1、C3分别作为输入、输出耦合电容，电容C2与射极电阻RE2并联，称为旁路电容(bypass
capacitor)。旁路电容的存在，使得交流状态下电阻RE2被短路，而降低三极管射极串联电阻的阻抗，从而提供放大器的增益。图1-1中，把10mV的正弦信号Vs作为输入信号Vin通过耦合电容C1送进放大器中，经过放大器的放大，期望从输入端负载RL两端获得输出信号Vout。

为了确定图1-1所示共射极放大器的静态工作点，先把直流等效电路画出来，由于电容C1、C2、C3在直流分析中相当于断开，所以输入信号Vs、输出负载RL、旁路电容C2自身都被排除在直流等效电路之外，如图1-2所示：

图1-2 共射极放大器的直流等效电路

首先需要判断并计算分压器提供的基极电压VB：

根据经验得输入电阻为：

如果并联的两个电阻中有一个阻值是另一个的10倍或者以上，则并联总电阻狠接近阻值很小的那个电阻，所以，如果三极管的输入阻抗Rin>=10R2，那么式(1.1)可简化为：

所以式(1.2)可为：

所以可得分压器偏置的静态工作点电压VBQ为：

那么三极管射极的静态工作点为：

那么根据欧姆定律可得三极管发射极、集电极静态工作点电流IEQ、ICQ为：

所以，可计算三极管集电极静态工作点VCQ为：

VCQ=5.3V说明，没有交流信号输出时，三极管的集电极上的静态工作电压为5.3V，一旦有交流信号输入放大器，将会在集电极输出上形成一个5.3V上、下变化的输出信号，如图1-3所示：

图1-3 输出交流信号波形图

02共射极放大器的交流分析

放大器的电压增益需要在交流环境中考虑，所以在进行交流分析之前，需要了解以下3条法则：

1、假设在交流信号下，耦合电容和旁路电容的容抗都为0，在交流分析中，电容可以视为短路;

2、假设电源Vcc内阻为0，仅在交流分析中，Vcc视为与地短路;

3、仅在交流分析中，需要考虑三极管的内阻re’.根据以上三条法则就可以得到共射极放大器的交流等效电路，如图1-4所示：

图1-4 共射极放大器的交流等效电路

图1-4对比图1-1，由于耦合电容C1和C3视为短路，所以输入信号Vs直接进入放大器的b极、输出信号Vout直接进入负载RL，又因为旁路电容C2也视为短路，所以射极上的电阻RE2被短路，只剩下了RE1.由于Vcc视为与地短路，原来与Vcc相连的电阻R1和Rc的一端接地。另外，三极管的呢组re’出现在等效电路中。

由图1-4可以计算电压增益为：

式(1.9)中Rc||RL代表的是电阻Rc与负载电阻RL并联的总电阻，re’为三极管的内阻，RE1为射极串联的电阻。

在直流环境中，三极管并存在阻抗，而到了交流环境中，情况略有不同，在射极和基极之间出现了一个三极管内阻re’，如图1-5所示：

图1-5 三极管内阻re’

re’在分析放大器的增益、输入阻抗时都会涉及，是一个比较重要的物理量，re’的阻值并不固定，而是由射极电流IE决定，近似计算为：

在直流分析中算的IEQ=0.47mA，所以可以计算：

所以代入式(1.9)可以求得增益为：

即图1-1所示的共射极放大器电压增益为35，就是说，如果输入10mV的正弦信号，则从输出端就可以获得一个10mV×35=350mV的正弦信号，且输入、输出信号之间有180°的相位差。

03仿真电路验证

如图3-1是根据图1-1搭建的仿真电路模型：

图3-1 仿真电路模型

如图3-1是输入信号10mV(有效值)、1KHz，经过放大电路并使用示波器测量的电压波形如图3-2所示：

图3-2 测量波形图

如图3-2所示，输入信号幅值约为28mV，输出信号为971mV，放大倍数为：

同时通过观察波形，发现输入信号经过放大的同时还产生了180°的相差，即输入、输出信号之间反相，同时验证了电路的正确性。