图文+案例，秒懂晶体管共射极放大器电路

　　众所周知，晶体管是电流控制器件。例如，通过改变基极电流来控制集电极-发射极电流。在一般的电压放大场合，这种放大效果来自于使用电阻将电流转换为电压。

　　在小信号模型中，基极电流的来源是输入电压与基极-发射极动态电阻（Rbe）的比值，通常为 kΩ，所以基极电流很小，可能只有零点几毫安。

　　通过晶体管的放大，在集电极和发射极之间产生β倍的基极电流。这篇介绍晶体管在共射极放大电路中的工作原理。

　　一、共射极放大电路原理

　　下图为共射极放大电路，下面为共射极放大电路公式

　　△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe

　　△Vi/rbe=△ib

　　因此，集电极产生β倍ib的电流：

　　△ie=β△

　　ib输出电压可由相对正电源电位得到：

　　△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe

　　

　　晶体管共射极放大器电路

　　我们可以通过交流耦合和控制集电极电阻Re得到一个反相放大的电压信号，但一般发射极都会有一个电阻来控制增益，所以上面的公式是不实用的。

　　在非极端情况下设计电路时，我们常常希望电路能与大多数通用晶体管一起工作，避免依赖于元件参数的参数如rbe，同时，在具体计算中考虑基极电流也很麻烦。

　　因此，在一般的设计过程中，在近似计算中忽略了基极电流的存在（在某些电路中，虽然忽略了基极电流，但仍然需要给基极一定的电流驱动，才能使电路正常工作）。

　　此外，基射管压降VBE也是一个很重要的参数，一般等于0.6V（硅管）。晶体管电路的参数都可以根据VBE=0.6V和欧姆定律得到。

　　晶体管电路的繁琐部分在于静态工作点的设置。通常，粗心的设计会导致输出波形的削波和失真。总体设计思路是：定量确定电压和电流来计算电阻。

　　二、共射极放大电路设计

　　共射放大电路是典型的反相放大器，应用范围广，效果稳定。这里先展示整体的设计思路，然后分步说明设计的目的和原则。

　　2.1 设计步骤

　　1） 确定电源电压VCC

　　根据频率曲线/噪声曲线/其他确定静态发射极电流IE。

　　2）确定VE

　　这里选择1~2V 来吸收温度漂移

　　3）根据VE和IE，计算发射极静态电阻RE（IE≈IC）

　　4）确定放大倍数Av

　　应用关系式Av=RC/RE计算静态集电极电阻RC，至此，静态工作点已经建立。

　　5）检查静态工作点是否满足要求

　　正输出摆幅限制=VCC-IE·RC，负输出摆幅限制=IE·RC-VE。

　　需要保证放大后的输出电压不超过摆幅限制（通常摆幅限制较大）。如果 RC 太大，就会出现下行削波，小 RC 也是如此。另外，判断功率是否超限：PC=VCE·IC。

　　6）确定基极偏置电压

　　根据VBE=0.6V，容易得到VB=VE+0.6（通过电阻分压来自电源的电压）。由于 ib 被认为很小且可以忽略不计，因此流过基极分压电阻（上图中的 R1、R2）的电流 IB0 应该比 ib 大得多。

　　ib 近似计算为IC/β，而IB0 大约比ib 大一个数量级，所以R2=VB/IB0，R1=（VCC-VR2）/IB0。

　　7）最后确定交流耦合电容值和电源去耦电容值

　　我们先用一个设计好的共射放大电路来直观地了解下部分的波形：

　　

　　晶体管共发射极放大器电路设计

　　如上图所示，电路采用2SC2240管，15V供电，输入输出交流耦合。输出信号如下：

　　

　　通道信号波

　　淡蓝色波形为输入信号，选择1kHz、1Vpp 的正弦波。

　　绿色波形是输出信号，放大5 倍左右，反相。

　　蓝色波形是基极信号，可以看出是因为受基极偏置电阻的影响，直流电平升高。

　　红色波形是发射极信号，与基极信号只有一个固定值。

　　2.2 共射放大器电路分析

　　首先，进行直流分析，即确定静态工作点。在最初的设计过程中，静态工作点的设计和验证也是最先进行的。根据基极偏置电阻可以很容易地计算出基极的静态电位，而发射极的静态电位可以根据基极-发射极管的电压降作为常数来确定。

　　因此，根据发射极电阻的大小，可以得到集电极-发射极电流的大小，进而可以从电源电压中得到集电极静态电位。

　　为什么静态工作点很重要？

　　拿 NPN 晶体管来举例，相当于两个背靠背的二极管。如果需要二极管工作，则必须给它适当的偏置以使其合理导电。在电路中，基-集二极管防止内部反馈，基-射二极管是实现放大的关键。换句话说，只要设计一个外部电路，使电流在基极-发射极二极管中正常流动就足够了。

　　接着，求交流电压增益。当输入电压变化△vi时，会引起发射极电流产生交流变化△ie。由于基极发射极压降是恒定的，它对交流变化没有贡献，所以△ie=vi/RE。

　　因此，发射极交流输出电压可以确定为vo=△ieRC=vi·RC/RE，交流增益为Av=RC/RE。这个结论可以快速分析共射极电路的放大倍数。

　　输出电源轨分别为VCC和VE，由工作时晶体管的电流特性决定。根据输出电源和交流放大系数，可以使用该电路。当输入和输出不是交流耦合时，输入（尤其是直流）会导致输出波形失真。

　　2.3 共射极电路设计

　　了解电路特性后，就可以按照上面的设计步骤设计共射极电路了。静态工作点和放大倍数在分析时已经确定，其他部分设计如下。

　　电源电压：根据输出电压的摆动，我们可以确定电压的大小。通常电源电压大于输出峰峰值。

　　晶体管：根据工作频率、所需功率、噪声水平和 β 等选择合适的晶体管。

　　发射极电流：根据频率特性，查阅器件手册确定发射极电流的大小。

　　RC 和 RE：由发射极电压和电流、倍率决定，注意查看摆幅上下限和额定功率。

　　基极偏置电阻：VB根据VE确定，从而确定电源的分压电阻。请注意，流经分压电阻的电流应比基极电流高一到两个数量级。基极电流是通过将集电极-发射极电流除以 β 来计算的。

　　耦合电容：交流耦合电容一般为10uF。注意输出级的耦合电容和下一级的输入阻抗会形成一个高通滤波器。

　　2.4 共射放大器电路性能参数

　　通过交流分析的方法，可以得到所设计电路的一些特征参数，如输入输出阻抗、放大倍数等。

　　输入阻抗：根据交流分析，输入阻抗是基极偏置电阻的并联值。在小信号分析中，基极发射极动态电阻rbe也应并联。

　　输出阻抗：确定输出阻抗的方法是给电路加一个负载。当峰峰值输出值降至空载的一半时，负载阻抗即为输出值。一般共射极放大电路的输出阻抗为集电极电阻RC。

　　放大：由于基极电流的影响，实际放大倍率比设计值低10%左右。

　　三、共射极放大电路扩展

　　通过改进通用的共射极放大电路，可以获得具有其他特性的各种应用电路。下面将介绍放大的手段、低压电源电路、差动输出电路、调谐放大电路。

　　3.1 增加放大倍率

　　根据共射放大器电路设计电路的介绍，电压增益主要由集电极电阻 RC 与发射极电阻 RE 之比决定，所以改变电阻的比例来改变增益是很常见的。

　　但是，问题来了：这两个电阻同时负责确定工作电流。因为任意改变直流工作点，电路很可能失真甚至不工作。

　　从另一个角度来看，电压增益属于“交流分析”的范畴，静态工作点属于“直流分析”的范畴。所以在电路中加入一些电抗元件来改变交流视角下的比例，直流分析时的电阻值不会改变。

　　这可以通过将发射极电阻并联，或者使电阻与电容并联来实现，即修改第一节中的电路：

　　

　　共射极放大器电路

　　注意上图中的发射器。在交流分析中，电阻R4被电容短路，此时等效地认为发射极电阻只有R7（330Ω）。从信号源和示波器看，此时信号已经放大了近50倍，远大于原设计值（10k/2k=5），从而实现电压增益的扩大。

　　如果原发射极电阻不分流，而是整个电容并联，此时会得到最大增益βRC/rbe。

　　如何选择电容值？需要注意的是，电容并联后，整个电路会有高通特性，截止频率为f=1/2πRC。

　　如果不需要这种高通特性，C电容值可以选择47uF~100uF之间较大的值。此外，电容C6具有温度补偿功能。

　　3.2 低压低损耗电路

　　如果运放电路用干电池（1.5V）供电，那不太现实，但晶体管电路可以。关键是利用外部二极管的导通压降来抵消基极-发射极电压。

　　下图电路即使在 1.5V 电源下仍能按设计放大小信号：

　　

　　共射极放大器电路

　　但缺点是系统的最大电压总是低于供电电压。由于电路损耗小，适用于低功耗。

　　3.3 差分输出电路

　　全差分运放可以提供双模输出，很多传输线也需要差分传输。晶体管电路也可以执行差分输出。除了共射极放大电路的原理外，还采用射极跟随器的原理。下图显示了差分输出的电路连接。

　　

　　共射极放大器电路

　　可以看出，输出了两个形状相同、相位相反的差分信号。集电极信号与输入信号同相，发射极输出信号与输入信号同相。但是，由于引出位置不同，两个信号的输出阻抗也不同。反相输出的输出阻抗较高（RC），同相输出的输出阻抗较低，适合驱动负载。

　　反相输出一般在驱动前连接到射极跟随器。此外，基极的静态电位应尽可能设置在VCC和GND之间，以扩大不失真的输出范围。

　　3.4 滤波和调谐放大器电路

　　在电路中引入电抗元件会导致电路的特性随频率而变化，我们可以利用这个特性来设计高频电路中常用的LPF、HPF和调谐放大器。

　　实际上，它是利用电抗元件的阻抗随频率变化的特性，进而改变当前频率下的电压增益。

　　谐振频率处的阻抗往往是纯阻性的，具有极值以实现频率选择性放大。下图显示了特定频率下的低通、高通和频率选择放大器：

　　1） LPF-低通滤波器

　　

　　低通滤波器

　　如图所示，构建了一个低通滤波器（波特测试仪的输入端放置在基极而不是信号发生器的输出端，因为输入耦合电容会与输入电阻形成高通滤波器，影响观察效果），其截止频率约为 1.06kHz，由f=1/2πRcC 计算得出。

　　从正弦稳态分析可知，RC并联回路的阻抗为 R/√（1+（wRC）^2） 。随着频率的增加，阻抗减小，因此电压增益减小，形成低通特性。

　　2）HPF-高通滤波器

　　

　　高通滤波器

　　如上图所示，构建了一个高通滤波器，其截止频率的计算与LPF类似。在增益峰值点，电压增益达到50dB，接近晶体管的β值。然后，由于晶体管频率特性的恶化，增益会衰减。

　　3）10.7MHz-频率选择放大器

　　

　　频率选择放大器

　　用谐振频率为10.7MHz的LC网络代替RC，可以得到频率选择放大器。如上图所示，10.7M时放大倍数为35dB，而失谐1MHz时放大倍数仅为12.6dB。

　　缺点是通带稍宽，矩形系数不够好，环路等效品质因数在65.2左右，比较大。另外，高频去耦电容改为1uF。

　　4）谐振放大器电路

　　

　　谐振放大器电路示例

　　以上就是关于共射放大器电路的知识。