眾所周知，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(fā)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(zhuǎn)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(fā)射極動態(tài)電阻（Rbe）的比值，通常為 kΩ，所以基極電流很小，可能只有零點幾毫安。

　　通過晶體管的放大，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(fā)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(shè)計電路時，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，在具體計算中考慮基極電流也很麻煩。

　　因此，在一般的設(shè)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(qū)動，才能使電路正常工作）。

　　此外，基射管壓降VBE也是一個很重要的參數(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)工作點的設(shè)置。通常，粗心的設(shè)計會導(dǎo)致輸出波形的削波和失真。總體設(shè)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(shè)計

　　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)計思路，然后分步說明設(shè)計的目的和原則。

　　2.1 設(shè)計步驟

　　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 來吸收溫度漂移

　　3）根據(jù)VE和IE，計算發(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計算靜態(tài)集電極電阻RC，至此，靜態(tài)工作點已經(jīng)建立。

　　5）檢查靜態(tài)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(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(yīng)該比 ib 大得多。

　　ib 近似計算為IC/β，而IB0 大約比ib 大一個數(shù)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(shè)計好的共射放大電路來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

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

　　通道信號波

　　淡藍色波形為輸入信號，選擇1kHz、1Vpp 的正弦波。

　　綠色波形是輸出信號，放大5 倍左右，反相。

　　藍色波形是基極信號，可以看出是因為受基極偏置電阻的影響，直流電平升高。

　　紅色波形是發(fā)射極信號，與基極信號只有一個固定值。

　　2.2 共射放大器電路分析

　　首先，進行直流分析，即確定靜態(tài)工作點。在最初的設(shè)計過程中，靜態(tài)工作點的設(shè)計和驗證也是最先進行的。根據(jù)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(jù)基極-發(fā)射極管的電壓降作為常數(shù)來確定。

　　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)工作點很重要？

　　拿 NPN 晶體管來舉例，相當(dāng)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(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-射二極管是實現(xiàn)放大的關(guān)鍵。換句話說，只要設(shè)計一個外部電路，使電流在基極-發(fā)射極二極管中正常流動就足夠了。

　　接著，求交流電壓增益。當(dāng)輸入電壓變化△vi時，會引起發(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，輸入（尤其是直流）會導(dǎo)致輸出波形失真。

　　2.3 共射極電路設(shè)計

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

　　電源電壓：根據(jù)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(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。請注意，流經(jīng)分壓電阻的電流應(yīng)比基極電流高一到兩個數(shù)量級。基極電流是通過將集電極-發(fā)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。

　　2.4 共射放大器電路性能參數(shù)

　　通過交流分析的方法，可以得到所設(shè)計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。在小信號分析中，基極發(fā)射極動態(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負載。當(dāng)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(shè)計值低10%左右。

　　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(yīng)用電路。下面將介紹放大的手段、低壓電源電路、差動輸出電路、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改變增益是很常見的。

　　但是，問題來了：這兩個電阻同時負責(zé)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(tài)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(fā)射極電阻并聯(lián)，或者使電阻與電容并聯(lián)來實現(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，此時信號已經(jīng)放大了近50倍，遠大于原設(shè)計值（10k/2k=5），從而實現(xiàn)電壓增益的擴大。

　　如果原發(fā)射極電阻不分流，而是整個電容并聯(lián)，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(lián)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(xiàn)實，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)計放大小信號：

　　共射極放大器電路

　　但缺點是系統(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(qū)動負載。

　　反相輸出一般在驅(qū)動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，以擴大不失真的輸出范圍。

　　3.4 濾波和調(diào)諧放大器電路

　　在電路中引入電抗元件會導(dǎo)致電路的特性隨頻率而變化，我們可以利用這個特性來設(shè)計高頻電路中常用的LPF、HPF和調(diào)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(dāng)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(xiàn)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-低通濾波器

　　低通濾波器

　　如圖所示，構(gòu)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(fā)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(wěn)態(tài)分析可知，RC并聯(lián)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-高通濾波器

　　高通濾波器

　　如上圖所示，構(gòu)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-頻率選擇放大器

　　頻率選擇放大器

　　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。如上圖所示，10.7M時放大倍數(shù)為35dB，而失諧1MHz時放大倍數(shù)僅為12.6dB。

　　缺點是通帶稍寬，矩形系數(shù)不夠好，環(huán)路等效品質(zhì)因數(shù)在65.2左右，比較大。另外，高頻去耦電容改為1uF。

　　4）諧振放大器電路

　　諧振放大器電路示例

　　以上就是關(guān)于共射放大器電路的知識。