晶體管共射極放大器電路設計與步驟

2022-03-30

晶體管共射極放大器電路設計與步驟

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換為電壓。在小信號模型中，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。本文將介紹晶體管在共射極放大電路中的工作原理。

一、共射極放大電路公式

這里以共射極放大電路為例：

圖 1. 晶體管共射極放大器電路
△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輸出電壓可由相對正電源電位得到：
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
因此，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。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。在非極端情況下設計電路時(shí)，我們常常希望電路能夠與大多數通用晶體管一起工作，避免依賴(lài)于元件參數的參數如rbe。同時(shí)，在具體計算中考慮基極電流也很麻煩。因此，在一般的設計過(guò)程中，在近似計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動(dòng)，才能使電路正常工作）。此外，
其中，基射管壓降VBE也是一個(gè)很重要的參數，一般等于0.6V（硅管）。晶體管電路的參數都可以根據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)的設置。通常，粗心的設計會(huì )導致輸出波形的削波和失真。因此，一些實(shí)驗值的選取值可以作為參考?？傮w設計思路是：定量確定電壓和電流來(lái)計算電阻。 

二、共射極放大電路設計

共射放大電路是典型的反相放大器，應用范圍廣，效果穩定。先展示整體的設計思路，然后分步說(shuō)明設計的目的和原則。

2.1 設計步驟

1) 確定電源電壓VCC，根據頻率曲線(xiàn)/噪聲曲線(xiàn)/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VE和IE，計算發(fā)射極靜態(tài)電阻RE（IE≈IC）。
4) 確定放大倍數Av，并應用關(guān)系式Av=RC/RE計算靜態(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(mǎn)足要求：正輸出擺幅限制=VCC-IE·RC，負輸出擺幅限制=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) 確定基極偏置電壓如下： 根據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 被認為很小且可以忽略不計，因此流過(guò)基極分壓電阻（上圖中的 R1、R2）的電流 IB0 應該比 ib 大得多。ib 近似計算為IC/β，而IB0 大約比ib 大一個(gè)數量級，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)設計好的共射放大電路來(lái)直觀(guān)的了解下部分的波形：

圖 2. 晶體管共發(fā)射極放大器電路設計

如圖所示，電路采用2SC2240管，15V供電，輸入輸出交流耦合。輸出信號如下： 

圖 3. 4 通道信號波

淡藍色波形為輸入信號，選擇1kHz、1Vpp的正弦波。
綠色是輸出信號，放大5倍左右，反相。藍色
是基極信號，可以看出是因為受基極偏置電阻的影響，直流電平升高。
紅色是發(fā)射極信號，與基極信號只有一個(gè)固定值。

2.2 電路分析

首先，進(jìn)行直流分析，即確定靜態(tài)工作點(diǎn)。在最初的設計過(guò)程中，靜態(tài)工作點(diǎn)的設計和驗證也是最先進(jìn)行的。根據基極偏置電阻可以很容易地計算出基極的靜態(tài)電位，而發(fā)射極的靜態(tài)電位可以根據基極-發(fā)射極管的電壓降作為常數來(lái)確定。因此，根據發(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晶體管例如，相當于兩個(gè)背靠背的二極管。如果需要二極管工作，則必須給它適當的偏置以使其合理導電。在電路中，基-集二極管防止內部反饋，基-射二極管是實(shí)現放大的關(guān)鍵。換句話(huà)說(shuō)，只要設計一個(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。這個(gè)思路在射極跟隨器的承載能力分析中會(huì )提到。
求交流電壓增益。當輸入電壓變化△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，它對交流變化沒(méi)有貢獻，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)結論可以快速分析共射極電路的放大倍數。
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，一般沒(méi)有軌到軌輸出。根據輸出電源軌和交流放大系數，可以使用該電路。
當輸入和輸出不是交流耦合時(shí)，輸入（尤其是直流）會(huì )導致輸出波形失真。 

2.3 共射極電路設計

了解電路特性后，就可以按照本節開(kāi)頭的設計步驟設計共射極電路了。靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數在分析時(shí)已經(jīng)確定，其他部分設計如下。
電源電壓：根據輸出電壓的擺動(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：根據頻率特性，查閱器件手冊確定發(fā)射極電流的大小。
鋼筋混凝土和可再生能源：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VE確定，從而確定電源的分壓電阻。請注意，流經(jīng)分壓電阻器的電流應比基極電流高一到兩個(gè)數量級?；鶚O電流是通過(guò)將集電極-發(fā)射極電流除以 β 來(lái)計算的。
耦合電容：交流耦合電容一般為10uF。注意輸出級的耦合電容和下一級的輸入阻抗會(huì )形成一個(gè)高通濾波器。濾波器的截止頻率應小心處理。 

2.4 電路性能參數

通過(guò)交流分析的方法，可以得到所設計電路的一些特征參數，如輸入輸出阻抗、放大倍數等。
輸入阻抗：根據交流分析，輸入阻抗是基極偏置電阻的并聯(lián)值。在小信號分析中，基極發(fā)射極動(dòng)態(tài)電阻rbe也應并聯(lián)。
輸出阻抗：確定輸出阻抗的方法是給電路加一個(gè)負載。當峰峰值輸出值降至空載的一半時(shí)，負載阻抗即為輸出值。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)際放大倍率比設計值低10%左右。所以設計公式比較實(shí)用。 

三、共射極放大電路擴展

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用電路。本節介紹放大的手段、低壓電源電路、差動(dòng)輸出電路、調諧放大電路。

3.1 增加放大倍率

根據設計電路的介紹，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)改變增益是很常見(jiàn)的。但是，問(wèn)題來(lái)了：這兩個(gè)電阻同時(shí)負責確定工作電流。因為任意改變直流工作點(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，即修改第一節中的電路：

圖 4. 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)等效地認為發(fā)射極電阻只有R7（330Ω）。從信號源和示波器看，此時(shí)信號已經(jīng)放大了近50倍。遠大于原設計值（10k/2k=5），從而實(shí)現電壓增益的擴大。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具有溫度補償功能。

3.2 低壓低損耗電路

如果運放電路用干電池（1.5V）供電，那不太現實(shí)，但晶體管電路可以。關(guān)鍵是利用外部二極管的導通壓降來(lái)抵消基極-發(fā)射極電壓，并具有小而小。下圖電路即使在 1.5V 電源下仍能按設計放大小信號：

圖 5. 共射極放大器電路

但缺點(diǎn)是系統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

全差分運放可以提供雙模輸出，很多傳輸線(xiàn)也需要差分傳輸。晶體管電路也可以執行差分輸出。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。

圖 6. 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。集電極信號與輸入信號同相，發(fā)射極輸出信號與輸入信號同相。但是，由于引出位置不同，兩個(gè)信號的輸出阻抗也不同。反相輸出的輸出阻抗較高（RC），同相輸出的輸出阻抗較低，適合驅動(dòng)負載。反相輸出一般在驅動(dòng)前連接到射極跟隨器。
此外，基極的靜態(tài)電位應盡可能設置在VCC和GND之間，以擴大不失真的輸出范圍。 

3.4 濾波和調諧放大器電路

在電路中引入電抗元件會(huì )導致電路的特性隨頻率而變化。我們可以利用這個(gè)特性來(lái)設計高頻電路中常用的LPF、HPF和調諧放大器。實(shí)際上，它是利用電抗元件的阻抗隨頻率變化的特性，進(jìn)而改變當前頻率下的電壓增益。諧振頻率處的阻抗往往是純阻性的，具有極值以實(shí)現頻率選擇性放大。下圖顯示了特定頻率下的低通、高通和頻率選擇放大器：
① LPF

圖 7. 共射極放大器電路

如圖所示，構建了一個(gè)低通濾波器（波特測試儀的輸入端放置在基極而不是信號發(fā)生器的輸出端，因為輸入耦合電容會(huì )與輸入電阻形成高通濾波器，影響觀(guān)察效果），其截止頻率約為1.06kHz，由f=1/2πRcC計算得出。
從正弦穩態(tài)分析可知，RC并聯(lián)回路的阻抗為R/√(1+(wRC)^2)。隨著(zhù)頻率的增加，阻抗減小，因此電壓增益減小，形成低通特性。
② HPF

圖 8. 共射極放大器電路

如圖所示，構建了一個(gè)高通濾波器，其截止頻率的計算與LPF類(lèi)似。
在增益峰值點(diǎn)，電壓增益達到50dB，接近晶體管的β值。然后，由于晶體管頻率特性的惡化，增益會(huì )衰減。
③ 10.7MHz

圖 9. 共射極放大器電路

用諧振頻率為10.7MHz的LC網(wǎng)絡(luò )代替RC，可以得到頻率選擇放大器。如圖所示，10.7M時(shí)放大倍數為35dB，而失諧1MHz時(shí)放大倍數僅為12.6dB。缺點(diǎn)是通帶稍寬，矩形系數不夠好，環(huán)路等效品質(zhì)因數在65.2左右，比較大。另外，高頻去耦電容改為1uF。

諧振放大器電路示例：

圖 10. 諧振放大器電路示例

四、總結

晶體管放大電路是運算放大電路的基礎，共射極配置是最常用的形式。借鑒了放大器的放大倍數可以很容易地通過(guò)兩個(gè)電阻的比值確定的特點(diǎn)，而共發(fā)射極放大器的增益也可以通過(guò)兩個(gè)電阻的比值來(lái)近似。