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
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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:
![wKgZomW0czCAW_CmAAPm-FuntiM242.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BE/A5/wKgZomW0czCAW_CmAAPm-FuntiM242.png)
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:
![wKgZomW0czSAZ1s1AALbwcuiRf0980.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BE/A5/wKgZomW0czSAZ1s1AALbwcuiRf0980.png)
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:
![wKgaomW0czyAfE2NAALtDrQg7Bo368.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BF/91/wKgaomW0czyAfE2NAALtDrQg7Bo368.png)
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:
![wKgaomW0c0GAF0qEAAK6Wh4tNRw029.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BF/91/wKgaomW0c0GAF0qEAAK6Wh4tNRw029.png)
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。
![wKgZomW0c0aAGWoWAAMgMLDX6aA148.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BE/A6/wKgZomW0c0aAGWoWAAMgMLDX6aA148.png)
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
![wKgaomW0c02AAH-RAAK2X9FMpHM345.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BF/91/wKgaomW0c02AAH-RAAK2X9FMpHM345.png)
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
![wKgZomW0c1KAbMK-AAK_AkUlkq0726.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BE/A6/wKgZomW0c1KAbMK-AAK_AkUlkq0726.png)
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
![wKgZomW0c1iAPQbbAAMSIeC-IKA311.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BE/A6/wKgZomW0c1iAPQbbAAMSIeC-IKA311.png)
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
![wKgaomW0c12AEnczAALtLjV0tN8467.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/BF/91/wKgaomW0c12AEnczAALtLjV0tN8467.png)
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。
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