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，通過改變基極電流來控制集電極-發射極電流。在一般的電壓放大場合，這種放大效果來自于使用電阻將電流轉換為電壓。在小信號模型中，基極電流的來源是輸入電壓與基極-發射極動態電阻rbe的比值，通常為kΩ。所以基極電流很小，可能只有零點幾毫安。通過晶體管的放大，在集電極和發射極之間產生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，我們可以通過交流耦合和控制集電極電阻Re得到一個反相放大的電壓信號。但一般發射極都會有一個電阻來控制增益，所以上面的公式是不實用的。在非極端情況下設計電路時，我們常常希望電路能夠與大多數通用晶體管一起工作，避免依賴于元件參數的參數如rbe。同時，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，才能使電路正常工作）。此外，
其中，基射管壓降VBE也是一個很重要的參數，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工作點的設置。通常，粗心的設計會導致輸出波形的削波和失真。因此，一些實驗值的選取值可以作為參考。總體設計思路是：定量確定電壓和電流來計算電阻。 

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/噪聲曲線/其他確定靜態發射極電流IE。
2) 確定VE，這里選擇1~2V 來吸收溫度漂移。
3）根據VE和IE，計算發射極靜態電阻RE（IE≈IC）。
4) 確定放大倍數Av，并應用關系式Av=RC/RE計算靜態集電極電阻RC。至此，靜態工作點已經建立。
5）檢查靜態工作點是否滿足要求：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擺幅限制（通常擺幅限制較大）。如果 RC 太大，就會出現下行削波，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（通過電阻分壓來自電源的電壓）。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。
我們先用一個設計好的共射放大電路來直觀的了解下部分的波形：

圖 2. 晶體管共發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。
紅色是發射極信號，與基極信號只有一個固定值。

2.2 電路分析

首先，進行直流分析，即確定靜態工作點。在最初的設計過程中，靜態工作點的設計和驗證也是最先進行的。根據基極偏置電阻可以很容易地計算出基極的靜態電位，而發射極的靜態電位可以根據基極-發射極管的電壓降作為常數來確定。因此，根據發射極電阻的大小，可以得到集電極-發射極電流的大小，進而可以從電源電壓中得到集電極靜態電位。
為什么靜態工作點很重要？拿NPN晶體管例如，相當于兩個背靠背的二極管。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-射二極管是實現放大的關鍵。換句話說，只要設計一個外部電路，使電流在基極-發射極二極管中正常流動就足夠了。這個思路在射極跟隨器的承載能力分析中會提到。
求交流電壓增益。當輸入電壓變化△vi時，會引起發射極電流產生交流變化△ie。由于基極發射極壓降是恒定的，它對交流變化沒有貢獻，所以△ie=vi/RE。因此，發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，由工作時晶體管的電流特性決定，一般沒有軌到軌輸出。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，輸入（尤其是直流）會導致輸出波形失真。 

2.3 共射極電路設計

了解電路特性后，就可以按照本節開頭的設計步驟設計共射極電路了。靜態工作點和放大倍數在分析時已經確定，其他部分設計如下。
電源電壓：根據輸出電壓的擺動，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。
發射極電流：根據頻率特性，查閱器件手冊確定發射極電流的大小。
鋼筋混凝土和可再生能源：由發射極電壓和電流、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，流經分壓電阻器的電流應比基極電流高一到兩個數量級?；鶚O電流是通過將集電極-發射極電流除以 β 來計算的。
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形成一個高通濾波器。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值。在小信號分析中，基極發射極動態電阻rbe也應并聯。
輸出阻抗：確定輸出阻抗的方法是給電路加一個負載。當峰峰值輸出值降至空載的一半時，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，實際放大倍率比設計值低10%左右。所以設計公式比較實用。 

三、共射極放大電路擴展

通過改進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與發射極電阻RE之比決定。所以改變電阻的比例來改變增益是很常見的。但是，問題來了：這兩個電阻同時負責確定工作電流。因為任意改變直流工作點，電路很可能失真甚至不工作。
從另一個角度來看，電壓增益屬于“交流分析”的范疇，靜態工作點屬于“直流分析”的范疇。所以在電路中加入一些電抗元件來改變交流視角下的比例，直流分析時的電阻值不會改變。
這可以通過將發射極電阻并聯，或者使電阻與電容并聯來實現，即修改第一節中的電路：

圖 4. 共射極放大器電路

注意上圖中的發射器。在交流分析中，電阻R4被電容短路。此時等效地認為發射極電阻只有R7（330Ω）。從信號源和示波器看，此時信號已經放大了近50倍。遠大于原設計值（10k/2k=5），從而實現電壓增益的擴大。如果原發射極電阻不分流，而是整個電容并聯，此時會得到最大增益βRC/rbe。
如何選擇電容值？需要注意的是，電容并聯后，整個電路會有高通特性，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，但晶體管電路可以。關鍵是利用外部二極管的導通壓降來抵消基極-發射極電壓，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，適合驅動負載。反相輸出一般在驅動前連接到射極跟隨器。
此外，基極的靜態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導致電路的特性隨頻率而變化。我們可以利用這個特性來設計高頻電路中常用的LPF、HPF和調諧放大器。實際上，它是利用電抗元件的阻抗隨頻率變化的特性，進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生器的輸出端，因為輸入耦合電容會與輸入電阻形成高通濾波器，影響觀察效果），其截止頻率約為1.06kHz，由f=1/2πRcC計算得出。
從正弦穩態分析可知，RC并聯回路的阻抗為R/√(1+(wRC)^2)。隨著頻率的增加，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，構建了一個高通濾波器，其截止頻率的計算與LPF類似。
在增益峰值點，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網絡代替RC，可以得到頻率選擇放大器。如圖所示，10.7M時放大倍數為35dB，而失諧1MHz時放大倍數僅為12.6dB。缺點是通帶稍寬，矩形系數不夠好，環路等效品質因數在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兩個電阻的比值確定的特點，而共發射極放大器的增益也可以通過兩個電阻的比值來近似。