共基放大電路的直流分析

一個(gè)典型的BJT共基極放大器電路如下圖所示：

圖 3-4.01?

輸入端口vi和輸出端口vo共用BJT的基極端子，VEE和RE構(gòu)成發(fā)射結(jié)的偏置電壓，VCC和RC構(gòu)成集電結(jié)的偏置電壓。和上小節(jié)的共基組態(tài)相比，輸入端和輸出端多了兩個(gè)耦合電容C1和C2，稍后我們會(huì)解釋這兩個(gè)電容的作用。

下面我們一步一步對(duì)這個(gè)共基放大電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.?? 耦合電容

一般來(lái)說(shuō)，我們需要放大的原始信號(hào)通常為自然的不規(guī)則變化信號(hào)，而且原始信號(hào)的幅值非常微小（mV或uV級(jí)），在0V上下的很小范圍內(nèi)波動(dòng)，如下圖所示：

圖 3-4.02?

根據(jù)信號(hào)分析理論，任何不規(guī)則的非周期信號(hào)都可以由一系列幅值和頻率不同的正弦信號(hào)疊加得到。因此，只要分析了某個(gè)特定的正弦輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后的輸出信號(hào)的放大倍數(shù)，那么，放大電路對(duì)其他所有頻率和幅值的正弦信號(hào)都應(yīng)遵守這個(gè)放大倍數(shù)。輸出信號(hào)無(wú)非是對(duì)這一系列被放大的正弦信號(hào)的線性疊加，因此，輸出的不規(guī)則信號(hào)也會(huì)被放大相同倍數(shù)。

由于正弦信號(hào)通常又稱為“交流信號(hào)”，故我們將放大電路對(duì)正弦輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，稱為“交流放大倍數(shù)”。

但問(wèn)題是，這樣微弱的信號(hào)，如果不加偏置電壓，直接連接到共基組態(tài)電路的輸入端，BJT是無(wú)法工作的，因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)正半周，雖然發(fā)射結(jié)正偏，但輸入信號(hào)幅值通常遠(yuǎn)小于0.7V，無(wú)法使發(fā)射結(jié)導(dǎo)通；而在信號(hào)負(fù)半周，發(fā)射結(jié)更是進(jìn)入反偏狀態(tài)，完全無(wú)法工作。最好是將這個(gè)輸入信號(hào)疊加在0.7V左右的直流電平上，使發(fā)射結(jié)能夠正偏且產(chǎn)生一定的電流，如下圖所示：

圖 3-4.03?

回憶電容器的特性：電容阻礙直流電流通過(guò)，對(duì)直流信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路；但是對(duì)于交流信號(hào)相當(dāng)于短路，具有“隔直通交”的特性。因此，這就是耦合電容C1的作用，它可以將交流信號(hào)耦合疊加在一個(gè)獨(dú)立的直流偏置電源上，如下圖所示：

圖 3-4.04?

至于電容C1的值取多大，這個(gè)取決于你要放大多高頻率的輸入信號(hào)，這個(gè)我們?cè)诤竺嬷v頻率響應(yīng)的章節(jié)再詳細(xì)講?，F(xiàn)在你可以當(dāng)這個(gè)電容為一個(gè)理想的“隔直通交”器件：

如此這般，就可以在共基電路的發(fā)射結(jié)上，產(chǎn)生0.7V上下微小正弦波動(dòng)的電壓（VBE），進(jìn)而使發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生這樣的上下正弦波動(dòng)。如下圖所示：

圖 3-4.05?

一般0.7V的標(biāo)準(zhǔn)電源不太好找，我們可以用一個(gè)容易得到的標(biāo)準(zhǔn)電源（比如5V），再加一個(gè)分壓電阻來(lái)得到我們需要的0.7V偏置，至于這個(gè)分壓電阻阻值取多大，這個(gè)在下面的靜態(tài)工作點(diǎn)分析中會(huì)講。

2.?? 靜態(tài)工作點(diǎn)

（1） 輸入靜態(tài)工作點(diǎn)

我們將共基放大電路重畫(huà)于下，在直流分析（靜態(tài)分析）時(shí)，可將動(dòng)態(tài)輸入電壓vi視為0。

圖 3-4.06?

對(duì)于輸入端，在BJT的發(fā)射結(jié)正偏狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)可視為一個(gè)二極管PN結(jié)，我們采用簡(jiǎn)化分析模型，一般假設(shè)VBE固定為0.7V。

在輸入回路可得：

上式的IE即為輸入端的靜態(tài)工作電流，在上式中我們可以取合適的RE，而得到一個(gè)比較合理的IE值（一般為幾個(gè)毫安級(jí)）。

（2） 輸出靜態(tài)工作點(diǎn)

輸出靜態(tài)工作點(diǎn)，即為求IC和VCB，由于IC≈IE，因此，主要任務(wù)是求VCB。輸出回路的電壓電流關(guān)系如下圖所示：

圖 3-4.07?

在輸出回路可得：

在實(shí)際計(jì)算中，常可用IE近似IC代入上式進(jìn)行計(jì)算。

案例3-4-1： 求以下共基電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：IE、VCB、IB

解： 對(duì)于輸入回路：

對(duì)于輸出回路：

最后再來(lái)求IB：

3. 信號(hào)放大原理簡(jiǎn)述

（1） 正常放大

在掌握了輸入輸出靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算方法后，現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)要地看一看共基放大電路是如何放大電壓信號(hào)的，我們將前面的共基放大電路重畫(huà)于下，先看輸入部分：

圖3-4.09?

假設(shè)輸入信號(hào)vi為微小正弦信號(hào)，表達(dá)式為：

在靜態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)，E點(diǎn)的電壓VE為-0.7V，現(xiàn)在由于疊加了輸入微小正弦電壓vi，因此現(xiàn)在E點(diǎn)的電壓為在-0.7V的上下微小動(dòng)態(tài)變化，寫(xiě)成數(shù)學(xué)表達(dá)式就是：

此時(shí)，vBE即為：

（注意：原來(lái)在直流分析時(shí)我們用的都是大寫(xiě)的V表示直流電壓，現(xiàn)在由于E點(diǎn)電壓中在原來(lái)的直流基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)微小正弦交流分量，故按一般電路表示慣例：用小寫(xiě)的v表示既包含直流成份也包含交流成份的總電壓，下標(biāo)仍舊不變用大寫(xiě)。）

那么，輸入端的總電流iE寫(xiě)成數(shù)學(xué)表達(dá)式即為：

從上式可以看出，輸入總電流iE即為先前算出的靜態(tài)輸入電流IE加上一個(gè)動(dòng)態(tài)的交流成份，在輸入伏安特性曲線圖上可表示如下：

圖3-4.10?

再來(lái)看輸出部分，如下圖所示：

圖3-4.11?

輸出總電壓vCB的表達(dá)式為：

前面說(shuō)過(guò)，在輸出分析時(shí)，我們可以用到iC≈iE的關(guān)系式，那么將iE代入上式可得：

最終的輸出電壓vo為vCB通過(guò)C2去耦（去除直流成份）后，剩余的交流部分，即：

可見(jiàn)，最終輸出電壓vO相比輸入電壓vi放大了RC/RE倍，我們可以通過(guò)選取合適的RC和RE的阻值，來(lái)得到我們需要的放大倍數(shù)。

在輸出伏安特性曲線圖上，也可以看出類似的結(jié)果：

圖3-4.12?

在上圖中，Q點(diǎn)是直流輸出靜態(tài)工作點(diǎn)，在1-4小節(jié)負(fù)載線分析時(shí)我們講過(guò)，對(duì)于含非線性器件的回路（這里可以將vCB-iC看作是一個(gè)非線性器件），由于它必須遵守歐姆定律，所以它的電壓和電流必定在“負(fù)載線”上移動(dòng)（上圖中的斜直線）。至于具體在負(fù)載線上哪個(gè)位置，由瞬時(shí)電流iE決定：對(duì)于波動(dòng)電流iE，在每一個(gè)瞬間，都有一個(gè)不同的瞬時(shí)電流值，這個(gè)瞬時(shí)電流值對(duì)應(yīng)著輸出特性圖上一條唯一的輸出曲線。這條輸出曲線與前面的負(fù)載線的交點(diǎn)，即為每一個(gè)瞬間“輸出電壓vCB”和“輸出電流iC”的值。

在上圖中可以看到，當(dāng)輸出電流ic在靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ上下波動(dòng)時(shí)，使得輸出電壓vCB也在靜態(tài)工作點(diǎn)VCBQ上下產(chǎn)生波動(dòng)，最終產(chǎn)生了放大了的波動(dòng)輸出電壓vCB。

（2） 飽和區(qū)

術(shù)語(yǔ)“飽和”（saturation）是指某個(gè)量已達(dá)系統(tǒng)允許的最大值，不能再大了。對(duì)于放大電路來(lái)講，當(dāng)輸出電壓vCB增大到一定上限后，不能再按比例放大輸入信號(hào)，此時(shí)稱BJT晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。我們來(lái)看下圖：

圖3-4.13?

前面我們說(shuō)過(guò)，輸出電流iC和輸出電壓vCB必須在負(fù)載線和各輸出特性曲線的交點(diǎn)上。在上圖中我們可以看到，當(dāng)iC增大到圖中的飽和點(diǎn)時(shí)，雖然理論上還可以沿負(fù)載線繼續(xù)增大，但由于BJT固有的輸出特性曲線的限制，無(wú)法再與特性曲線相交了，故上圖中的“飽和點(diǎn)”即為電路中iC允許的最大值，再往左的區(qū)域iC已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)增大了，故稱為飽和區(qū)。

對(duì)于放大電路來(lái)講，靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)的設(shè)計(jì)是非常重要的。我們應(yīng)該使Q點(diǎn)盡量靠近放大區(qū)的中間位置，這樣能使放大電路最大限度范圍地放大輸入信號(hào)；如果Q點(diǎn)設(shè)計(jì)位置不當(dāng)，會(huì)使放大電路的放大范圍非常狹窄，我們看下圖：

圖3-4.14?

在上圖中Q點(diǎn)過(guò)于靠左，這樣會(huì)使得iC很容易到達(dá)飽和點(diǎn)而無(wú)法繼續(xù)增大，最終導(dǎo)致輸出電流iC和輸出電壓vCB波形變形。

事實(shí)上，在共基放大電路中，由于iE≈iC，iC受限會(huì)導(dǎo)致輸入端的iE也跟著受限而無(wú)法繼續(xù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致電阻RE上的電壓也無(wú)法隨著輸入波動(dòng)電壓的增大而增大，這些增量的輸入電壓最后都會(huì)加到晶體管的發(fā)射結(jié)上，過(guò)高的發(fā)射結(jié)電壓會(huì)導(dǎo)致晶體管損壞。