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(jìn)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 (jìn)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。 |
