共射極放大電路設(shè)計(jì)

本文所用的電路參考自日本的鈴木雅臣的《晶體管電路設(shè)計(jì)》。借此電路來(lái)講解三極管電路的分析與設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)。

圖 共射極放大電路原理圖

共射極放大電路的原理圖很容易找到，但是器件的參數(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，卻不一樣。算出電路中的4個(gè)電阻的阻值，是任務(wù)的關(guān)鍵。本節(jié)以放大5倍為例。

直流通路與交流通路

這個(gè)電路中，直流電源的作用與交流信號(hào)的作用是同時(shí)存在的。例如對(duì)于三極管的基極來(lái)說(shuō)，既有直流電源提供的工作電壓，又疊加了輸入信號(hào)的電壓，十分不利于分析工作狀態(tài)。因此，為了研究問(wèn)題方便起見(jiàn)，常常把直流電源對(duì)電路的作用和輸入信號(hào)對(duì)電路的作用區(qū)分開(kāi)來(lái)，分為直流通路與交流通路。

直流通路，顧名思義指的是直流電流流經(jīng)的通路，用于研究靜態(tài)工作點(diǎn)。由于電容具有“隔直通交”的作用，所以在分析直流通路的時(shí)候，認(rèn)為電容開(kāi)路。

圖 共射極放大電路直流通路

交流通路，是交流的輸入信號(hào)流經(jīng)的通路，用于研究動(dòng)態(tài)參數(shù)。此時(shí)認(rèn)為，(容值合適的)電容可以視為短路，Vcc與GND直接也視為短路。發(fā)射結(jié)導(dǎo)通以后，對(duì)于交流信號(hào)的阻抗可以忽略不計(jì)，故也視為短路。

圖 共射極放大電路交流通路

可以看出：直流通路對(duì)于交流的輸入信號(hào)沒(méi)有影響，它只用于確保三極管處于合適的工作狀態(tài);信號(hào)在輸出之前，經(jīng)過(guò)了C2，導(dǎo)致直流成分全部被阻擋，只有交流部分能輸出。 即靜態(tài)工作點(diǎn)看直流通路，交流信號(hào)路徑看交流通路。

一般來(lái)說(shuō)，習(xí)慣上把表示直流的物理量用大寫(xiě)字母表示，把表示交流的物理量用小寫(xiě)字母表示。例如

表示基極電流的直流分量，

表示基極電流的交流分量。

靜態(tài)工作點(diǎn)

所謂靜態(tài)工作點(diǎn)，是指三極管放大電路在電源供應(yīng)正常，輸入信號(hào)為零時(shí)，三極管引腳的電流及電壓的狀態(tài)。靜態(tài)工作點(diǎn)的所有物理量，都用一個(gè)下標(biāo)Q來(lái)表達(dá)(quiescent，靜止)。例如，在靜態(tài)工作時(shí)常用的幾個(gè)物理量可以表示為：

靜態(tài)時(shí)基極電流：

靜態(tài)時(shí)集電極電流：

靜態(tài)時(shí)基極與發(fā)射極電壓(發(fā)射結(jié)壓降)：

靜態(tài)時(shí)管壓降：

觀察9014的特性曲線，需要選擇一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，ic的變化量只取決于ib的變化量，與Uce沒(méi)有關(guān)系。

需要注意輸入信號(hào)的變化將導(dǎo)致基極電壓的變化。交直流疊加狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)壓降

直流的電壓需要保證疊加了變化著的交流電壓的時(shí)候，三極管仍然處于放大區(qū)。

放大倍數(shù)的計(jì)算

先說(shuō)結(jié)論，共射極放大電路的放大倍數(shù)可以由集電極與發(fā)射極的電阻比值決定：

對(duì)于此電路來(lái)說(shuō)就是：

如果需要5倍放大，那么R2的值就是R4的值的5倍。

這個(gè)結(jié)論的推導(dǎo)過(guò)程并不像數(shù)學(xué)推導(dǎo)一樣嚴(yán)密，結(jié)合了工程實(shí)踐，有些因素對(duì)結(jié)果影響較小，就省略了。還有些值是取了個(gè)范圍。以下為推導(dǎo)過(guò)程：

放大倍數(shù)Av=Vo/Vi

Vo是輸出電壓，由于耦合電容C2的存在，直流分量通不過(guò)，只有變化著的交流分量可以通過(guò)，所以Vo就是集電極的電壓變化量△Vc 。

由于分析交流通路的時(shí)候，認(rèn)為Vcc與GND是同一個(gè)點(diǎn)，所以△Vc同時(shí)也是R2上電壓的變化量。△Vc=△ic×R2

分析交流通路時(shí)，C1與發(fā)射極均認(rèn)為是短路，所以輸入信號(hào)Vi相當(dāng)于直接接在R4上。VI=△ie×R4

三極管處于放大區(qū)時(shí)，ic=β×ib，β是三極管的放大倍數(shù)，一般來(lái)說(shuō)是幾十到幾百，即基極電流遠(yuǎn)小于集電極電流，所以忽略基極電流，那么Vo/Vi≈R2/R4

阻容器件的取值

先根據(jù)手冊(cè)，取一個(gè)合適的集電極電流。我使用了9014的三極管，取Ic為1mA，也可以取別的值，不同的Ic與放大倍數(shù)，Vce，以及頻率響應(yīng)都有關(guān)系。此處1mA主要考慮功率小點(diǎn)。此時(shí)放大倍數(shù)為200多一點(diǎn)。那么基極電流就是5uA左右。

取R4上的電壓為0.5 V，那么R4的值為500Ω，取標(biāo)稱為470歐姆。那么R2可以取值為2.4K。

流過(guò)R1與R3的電流要遠(yuǎn)大于基極電流，否則在分析的時(shí)候就不能認(rèn)為基極電流可以忽略，也不能用分壓公式來(lái)大致計(jì)算出R1與R3的電阻值。由于發(fā)射結(jié)的壓降為0.6V，所以基極的直流電壓為1.1V，可以確定出R1與R3的比值。此處取R1為39K，R3為10K。

兩個(gè)電容都與頻率相關(guān)，在工作頻率下電容的等效容抗應(yīng)盡可能小。此案例取值為1uF。

這個(gè)電路的輸入阻抗為R1//R3，輸出阻抗為R2。

關(guān)鍵波形觀察

下圖展示了電路對(duì)1Khz，100mV正弦波的放大效果。

輸入耦合電容C1左右波形對(duì)比，可以看出輸入的交流信號(hào)幾乎無(wú)損通過(guò)了C1，到達(dá)基極時(shí)被直流分量抬高了1V多一點(diǎn)。

基極發(fā)射極波形對(duì)比，可以看出交流成分幾乎無(wú)損通過(guò)了發(fā)射結(jié)。直流成分經(jīng)過(guò)發(fā)射結(jié)時(shí)有0.6V的壓降。

發(fā)射極與集電極波形對(duì)比，三極管將電壓的變化量反相放大了5倍。