什么是共射放大器？手把手教你設(shè)計(jì)共射放大器

作者：時(shí)間：2024-07-26 來(lái)源：李工談元器件

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今天給大家分享一篇關(guān)于晶體管共射極放大器電路的文章（來(lái)源于凱尼克斯）。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202407/461414.htm

主要是以下幾個(gè)方面：

共射極放大電路工作原理
共射極放大電路設(shè)計(jì)步驟
共射極放大電路分析
共射極放大電路性能參數(shù)
共射極放大電路改進(jìn)
增加放大倍率
低壓電源電路
差動(dòng)輸出電路
調(diào)諧放大電路

眾所周知，晶體管是電流控制器件。例如，通過(guò)改變基極電流來(lái)控制集電極-發(fā)射極電流。在一般的電壓放大場(chǎng)合，這種放大效果來(lái)自于使用電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓。

在小信號(hào)模型中，基極電流的來(lái)源是輸入電壓與基極-發(fā)射極動(dòng)態(tài)電阻（Rbe）的比值，通常為 kΩ，所以基極電流很小，可能只有零點(diǎn)幾毫安。

通過(guò)晶體管的放大，在集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生β倍的基極電流。這篇介紹晶體管在共射極放大電路中的工作原理。

一、共射極放大電路原理

下圖為共射極放大電路，下面為共射極放大電路公式

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

△Vi/rbe=△ib
因此，集電極產(chǎn)生β倍ib的電流：
△ie=β△

ib輸出電壓可由相對(duì)正電源電位得到：
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe

晶體管共射極放大器電路

我們可以通過(guò)交流耦合和控制集電極電阻Re得到一個(gè)反相放大的電壓信號(hào)，但一般發(fā)射極都會(huì)有一個(gè)電阻來(lái)控制增益，所以上面的公式是不實(shí)用的。

在非極端情況下設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們常常希望電路能與大多數(shù)通用晶體管一起工作，避免依賴于元件參數(shù)的參數(shù)如rbe，同時(shí)，在具體計(jì)算中考慮基極電流也很麻煩。

因此，在一般的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在近似計(jì)算中忽略了基極電流的存在（在某些電路中，雖然忽略了基極電流，但仍然需要給基極一定的電流驅(qū)動(dòng)，才能使電路正常工作）。

此外，基射管壓降VBE也是一個(gè)很重要的參數(shù)，一般等于0.6V（硅管）。晶體管電路的參數(shù)都可以根據(jù)VBE=0.6V和歐姆定律得到。

晶體管電路的繁瑣部分在于靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。通常，粗心的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致輸出波形的削波和失真?？傮w設(shè)計(jì)思路是：定量確定電壓和電流來(lái)計(jì)算電阻。

二、共射極放大電路設(shè)計(jì)

共射放大電路是典型的反相放大器，應(yīng)用范圍廣，效果穩(wěn)定。這里先展示整體的設(shè)計(jì)思路，然后分步說(shuō)明設(shè)計(jì)的目的和原則。

2.1 設(shè)計(jì)步驟

1) 確定電源電壓VCC

根據(jù)頻率曲線/噪聲曲線/其他確定靜態(tài)發(fā)射極電流IE。

2）確定VE

這里選擇1~2V 來(lái)吸收溫度漂移

3）根據(jù)VE和IE,計(jì)算發(fā)射極靜態(tài)電阻RE（IE≈IC）

4）確定放大倍數(shù)Av

應(yīng)用關(guān)系式Av=RC/RE計(jì)算靜態(tài)集電極電阻RC，至此，靜態(tài)工作點(diǎn)已經(jīng)建立。

5）檢查靜態(tài)工作點(diǎn)是否滿足要求

正輸出擺幅限制=VCC-IE·RC，負(fù)輸出擺幅限制=IE·RC-VE。

需要保證放大后的輸出電壓不超過(guò)擺幅限制（通常擺幅限制較大）。如果 RC 太大，就會(huì)出現(xiàn)下行削波，小 RC 也是如此。另外，判斷功率是否超限：PC=VCE·IC。

6）確定基極偏置電壓

根據(jù)VBE=0.6V，容易得到VB=VE+0.6（通過(guò)電阻分壓來(lái)自電源的電壓）。由于 ib 被認(rèn)為很小且可以忽略不計(jì)，因此流過(guò)基極分壓電阻（上圖中的 R1、R2）的電流 IB0 應(yīng)該比 ib 大得多。

ib 近似計(jì)算為IC/β，而IB0 大約比ib 大一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以R2=VB/IB0，R1=(VCC-VR2)/IB0。

7）最后確定交流耦合電容值和電源去耦電容值

我們先用一個(gè)設(shè)計(jì)好的共射放大電路來(lái)直觀地了解下部分的波形：

晶體管共發(fā)射極放大器電路設(shè)計(jì)

如上圖所示，電路采用2SC2240管，15V供電，輸入輸出交流耦合。輸出信號(hào)如下：

通道信號(hào)波

淡藍(lán)色波形為輸入信號(hào)，選擇1kHz、1Vpp 的正弦波。

綠色波形是輸出信號(hào)，放大5 倍左右，反相。

藍(lán)色波形是基極信號(hào)，可以看出是因?yàn)槭芑鶚O偏置電阻的影響，直流電平升高。

紅色波形是發(fā)射極信號(hào)，與基極信號(hào)只有一個(gè)固定值。

2.2 共射放大器電路分析

首先，進(jìn)行直流分析，即確定靜態(tài)工作點(diǎn)。在最初的設(shè)計(jì)過(guò)程中，靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證也是最先進(jìn)行的。根據(jù)基極偏置電阻可以很容易地計(jì)算出基極的靜態(tài)電位，而發(fā)射極的靜態(tài)電位可以根據(jù)基極-發(fā)射極管的電壓降作為常數(shù)來(lái)確定。

因此，根據(jù)發(fā)射極電阻的大小，可以得到集電極-發(fā)射極電流的大小，進(jìn)而可以從電源電壓中得到集電極靜態(tài)電位。

為什么靜態(tài)工作點(diǎn)很重要？

拿NPN晶體管來(lái)舉例，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的二極管。如果需要二極管工作，則必須給它適當(dāng)?shù)钠靡允蛊浜侠韺?dǎo)電。在電路中，基-集二極管防止內(nèi)部反饋，基-射二極管是實(shí)現(xiàn)放大的關(guān)鍵。換句話說(shuō)，只要設(shè)計(jì)一個(gè)外部電路，使電流在基極-發(fā)射極二極管中正常流動(dòng)就足夠了。

接著，求交流電壓增益。當(dāng)輸入電壓變化△vi時(shí)，會(huì)引起發(fā)射極電流產(chǎn)生交流變化△ie。由于基極發(fā)射極壓降是恒定的，它對(duì)交流變化沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以△ie=vi/RE。

因此，發(fā)射極交流輸出電壓可以確定為vo=△ieRC=vi·RC/RE，交流增益為Av=RC/RE。這個(gè)結(jié)論可以快速分析共射極電路的放大倍數(shù)。

輸出電源軌分別為VCC和VE，由工作時(shí)晶體管的電流特性決定。根據(jù)輸出電源和交流放大系數(shù)，可以使用該電路。當(dāng)輸入和輸出不是交流耦合時(shí)，輸入（尤其是直流）會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真。

2.3 共射極電路設(shè)計(jì)

了解電路特性后，就可以按照上面的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)共射極電路了。靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數(shù)在分析時(shí)已經(jīng)確定，其他部分設(shè)計(jì)如下。

電源電壓：根據(jù)輸出電壓的擺動(dòng)，我們可以確定電壓的大小。通常電源電壓大于輸出峰峰值。

晶體管：根據(jù)工作頻率、所需功率、噪聲水平和 β 等選擇合適的晶體管。

發(fā)射極電流：根據(jù)頻率特性，查閱器件手冊(cè)確定發(fā)射極電流的大小。

RC 和 RE：由發(fā)射極電壓和電流、倍率決定，注意查看擺幅上下限和額定功率。

基極偏置電阻：VB根據(jù)VE確定，從而確定電源的分壓電阻。請(qǐng)注意，流經(jīng)分壓電阻的電流應(yīng)比基極電流高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)?；鶚O電流是通過(guò)將集電極-發(fā)射極電流除以 β 來(lái)計(jì)算的。

耦合電容：交流耦合電容一般為10uF。注意輸出級(jí)的耦合電容和下一級(jí)的輸入阻抗會(huì)形成一個(gè)高通濾波器。

2.4 共射放大器電路性能參數(shù)

通過(guò)交流分析的方法，可以得到所設(shè)計(jì)電路的一些特征參數(shù)，如輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等。

輸入阻抗：根據(jù)交流分析，輸入阻抗是基極偏置電阻的并聯(lián)值。在小信號(hào)分析中，基極發(fā)射極動(dòng)態(tài)電阻rbe也應(yīng)并聯(lián)。

輸出阻抗：確定輸出阻抗的方法是給電路加一個(gè)負(fù)載。當(dāng)峰峰值輸出值降至空載的一半時(shí)，負(fù)載阻抗即為輸出值。一般共射極放大電路的輸出阻抗為集電極電阻RC。

放大：由于基極電流的影響，實(shí)際放大倍率比設(shè)計(jì)值低10%左右。

三、共射極放大電路擴(kuò)展

通過(guò)改進(jìn)通用的共射極放大電路，可以獲得具有其他特性的各種應(yīng)用電路。下面將介紹放大的手段、低壓電源電路、差動(dòng)輸出電路、調(diào)諧放大電路。

3.1 增加放大倍率

根據(jù)共射放大器電路設(shè)計(jì)電路的介紹，電壓增益主要由集電極電阻RC與發(fā)射極電阻RE之比決定，所以改變電阻的比例來(lái)改變?cè)鲆媸呛艹Ｒ?jiàn)的。

但是，問(wèn)題來(lái)了：這兩個(gè)電阻同時(shí)負(fù)責(zé)確定工作電流。因?yàn)槿我飧淖冎绷鞴ぷ鼽c(diǎn)，電路很可能失真甚至不工作。

從另一個(gè)角度來(lái)看，電壓增益屬于“交流分析”的范疇，靜態(tài)工作點(diǎn)屬于“直流分析”的范疇。所以在電路中加入一些電抗元件來(lái)改變交流視角下的比例，直流分析時(shí)的電阻值不會(huì)改變。

這可以通過(guò)將發(fā)射極電阻并聯(lián)，或者使電阻與電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即修改第一節(jié)中的電路：

共射極放大器電路

注意上圖中的發(fā)射器。在交流分析中，電阻R4被電容短路，此時(shí)等效地認(rèn)為發(fā)射極電阻只有R7（330Ω）。從信號(hào)源和示波器看，此時(shí)信號(hào)已經(jīng)放大了近50倍，遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)值（10k/2k=5），從而實(shí)現(xiàn)電壓增益的擴(kuò)大。

如果原發(fā)射極電阻不分流，而是整個(gè)電容并聯(lián)，此時(shí)會(huì)得到最大增益βRC/rbe。

如何選擇電容值？需要注意的是，電容并聯(lián)后，整個(gè)電路會(huì)有高通特性，截止頻率為f=1/2πRC。

如果不需要這種高通特性，C電容值可以選擇47uF~100uF之間較大的值。此外，電容C6具有溫度補(bǔ)償功能。

3.2 低壓低損耗電路

如果運(yùn)放電路用干電池（1.5V）供電，那不太現(xiàn)實(shí)，但晶體管電路可以。關(guān)鍵是利用外部二極管的導(dǎo)通壓降來(lái)抵消基極-發(fā)射極電壓。

下圖電路即使在 1.5V 電源下仍能按設(shè)計(jì)放大小信號(hào)：

共射極放大器電路

但缺點(diǎn)是系統(tǒng)的最大電壓總是低于供電電壓。由于電路損耗小，適用于低功耗。

3.3 差分輸出電路

全差分運(yùn)放可以提供雙模輸出，很多傳輸線也需要差分傳輸。晶體管電路也可以執(zhí)行差分輸出。除了共射極放大電路的原理外，還采用射極跟隨器的原理。下圖顯示了差分輸出的電路連接。

共射極放大器電路

可以看出，輸出了兩個(gè)形狀相同、相位相反的差分信號(hào)。集電極信號(hào)與輸入信號(hào)同相，發(fā)射極輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。但是，由于引出位置不同，兩個(gè)信號(hào)的輸出阻抗也不同。反相輸出的輸出阻抗較高（RC），同相輸出的輸出阻抗較低，適合驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

反相輸出一般在驅(qū)動(dòng)前連接到射極跟隨器。此外，基極的靜態(tài)電位應(yīng)盡可能設(shè)置在VCC和GND之間，以擴(kuò)大不失真的輸出范圍。