图文 案例,秒懂晶体管共射极放大器电路

时间:2024-03-18作者:佚名

  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。

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