晶体管共射极放大器电路设计与步骤

2022-03-30

晶体管共射极放大器电路设计与步骤

晶体管是电流控制器件。例如，通过改变基极电流来控制集电极-发射极电流。在一般的电压放大场合，这种放大效果来自于使用电阻将电流转换为电压。在小信号模型中，基极电流的来源是输入电压与基极-发射极动态电阻rbe的比值，通常为kΩ。所以基极电流很小，可能只有零点几毫安。通过晶体管的放大，在集电极和发射极之间产生β倍的基极电流。本文将介绍晶体管在共射极放大电路中的工作原理。

一、共射极放大电路公式

这里以共射极放大电路为例：

图 1. 晶体管共射极放大器电路
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
△Vi/rbe=△ib
因此，集电极产生β倍ib的电流：
△ie=β△
ib输出电压可由相对正电源电位得到：
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
因此，我们可以通过交流耦合和控制集电极电阻Re得到一个反相放大的电压信号。但一般发射极都会有一个电阻来控制增益，所以上面的公式是不实用的。在非极端情况下设计电路时，我们常常希望电路能够与大多数通用晶体管一起工作，避免依赖于元件参数的参数如rbe。同时，在具体计算中考虑基极电流也很麻烦。因此，在一般的设计过程中，在近似计算中忽略了基极电流的存在（在某些电路中，虽然忽略了基极电流，但仍然需要给基极一定的电流驱动，才能使电路正常工作）。此外，
其中，基射管压降VBE也是一个很重要的参数，一般等于0.6V（硅管）。晶体管电路的参数都可以根据VBE=0.6V和欧姆定律得到。
晶体管电路的繁琐部分在于静态工作点的设置。通常，粗心的设计会导致输出波形的削波和失真。因此，一些实验值的选取值可以作为参考。总体设计思路是：定量确定电压和电流来计算电阻。 

二、共射极放大电路设计

共射放大电路是典型的反相放大器，应用范围广，效果稳定。先展示整体的设计思路，然后分步说明设计的目的和原则。

2.1 设计步骤

1) 确定电源电压VCC，根据频率曲线/噪声曲线/其他确定静态发射极电流IE。
2) 确定VE，这里选择1~2V 来吸收温度漂移。
3）根据VE和IE，计算发射极静态电阻RE（IE≈IC）。
4) 确定放大倍数Av，并应用关系式Av=RC/RE计算静态集电极电阻RC。至此，静态工作点已经建立。
5）检查静态工作点是否满足要求：正输出摆幅限制=VCC-IE·RC，负输出摆幅限制=IE·RC-VE. 需要保证放大后的输出电压不超过摆幅限制（通常摆幅限制较大）。如果 RC 太大，就会出现下行削波，小 RC 也是如此。另外，判断功率是否超限：PC=VCE·IC。
6) 确定基极偏置电压如下： 根据VBE=0.6V，容易得到VB=VE+0.6（通过电阻分压来自电源的电压）。由于 ib 被认为很小且可以忽略不计，因此流过基极分压电阻（上图中的 R1、R2）的电流 IB0 应该比 ib 大得多。ib 近似计算为IC/β，而IB0 大约比ib 大一个数量级，所以R2=VB/IB0，R1=(VCC-VR2)/IB0。
7) 最后确定交流耦合电容值和电源去耦电容值。
我们先用一个设计好的共射放大电路来直观的了解下部分的波形：

图 2. 晶体管共发射极放大器电路设计

如图所示，电路采用2SC2240管，15V供电，输入输出交流耦合。输出信号如下： 

图 3. 4 通道信号波

淡蓝色波形为输入信号，选择1kHz、1Vpp的正弦波。
绿色是输出信号，放大5倍左右，反相。蓝色
是基极信号，可以看出是因为受基极偏置电阻的影响，直流电平升高。
红色是发射极信号，与基极信号只有一个固定值。

2.2 电路分析

首先，进行直流分析，即确定静态工作点。在最初的设计过程中，静态工作点的设计和验证也是最先进行的。根据基极偏置电阻可以很容易地计算出基极的静态电位，而发射极的静态电位可以根据基极-发射极管的电压降作为常数来确定。因此，根据发射极电阻的大小，可以得到集电极-发射极电流的大小，进而可以从电源电压中得到集电极静态电位。
为什么静态工作点很重要？拿NPN晶体管例如，相当于两个背靠背的二极管。如果需要二极管工作，则必须给它适当的偏置以使其合理导电。在电路中，基-集二极管防止内部反馈，基-射二极管是实现放大的关键。换句话说，只要设计一个外部电路，使电流在基极-发射极二极管中正常流动就足够了。这个思路在射极跟随器的承载能力分析中会提到。
求交流电压增益。当输入电压变化△vi时，会引起发射极电流产生交流变化△ie。由于基极发射极压降是恒定的，它对交流变化没有贡献，所以△ie=vi/RE。因此，发射极交流输出电压可以确定为vo=△ieRC=vi·RC/RE，交流增益为Av=RC/RE。这个结论可以快速分析共射极电路的放大倍数。
输出电源轨分别为VCC和VE，由工作时晶体管的电流特性决定，一般没有轨到轨输出。根据输出电源轨和交流放大系数，可以使用该电路。
当输入和输出不是交流耦合时，输入（尤其是直流）会导致输出波形失真。 

2.3 共射极电路设计

了解电路特性后，就可以按照本节开头的设计步骤设计共射极电路了。静态工作点和放大倍数在分析时已经确定，其他部分设计如下。
电源电压：根据输出电压的摆动，我们可以确定电压的大小。通常电源电压大于输出峰峰值。
晶体管：根据工作频率、所需功率、噪声水平和β等选择合适的晶体管。
发射极电流：根据频率特性，查阅器件手册确定发射极电流的大小。
钢筋混凝土和可再生能源：由发射极电压和电流、倍率决定，注意查看摆幅上下限和额定功率。
基极偏置电阻：VB根据VE确定，从而确定电源的分压电阻。请注意，流经分压电阻器的电流应比基极电流高一到两个数量级。基极电流是通过将集电极-发射极电流除以 β 来计算的。
耦合电容：交流耦合电容一般为10uF。注意输出级的耦合电容和下一级的输入阻抗会形成一个高通滤波器。滤波器的截止频率应小心处理。 

2.4 电路性能参数

通过交流分析的方法，可以得到所设计电路的一些特征参数，如输入输出阻抗、放大倍数等。
输入阻抗：根据交流分析，输入阻抗是基极偏置电阻的并联值。在小信号分析中，基极发射极动态电阻rbe也应并联。
输出阻抗：确定输出阻抗的方法是给电路加一个负载。当峰峰值输出值降至空载的一半时，负载阻抗即为输出值。一般共射极放大电路的输出阻抗为集电极电阻RC。
放大：由于基极电流的影响，实际放大倍率比设计值低10%左右。所以设计公式比较实用。 

三、共射极放大电路扩展

通过改进通用的共射极放大电路，可以获得具有其他特性的各种应用电路。本节介绍放大的手段、低压电源电路、差动输出电路、调谐放大电路。

3.1 增加放大倍率

根据设计电路的介绍，电压增益主要由集电极电阻RC与发射极电阻RE之比决定。所以改变电阻的比例来改变增益是很常见的。但是，问题来了：这两个电阻同时负责确定工作电流。因为任意改变直流工作点，电路很可能失真甚至不工作。
从另一个角度来看，电压增益属于“交流分析”的范畴，静态工作点属于“直流分析”的范畴。所以在电路中加入一些电抗元件来改变交流视角下的比例，直流分析时的电阻值不会改变。
这可以通过将发射极电阻并联，或者使电阻与电容并联来实现，即修改第一节中的电路：

图 4. 共射极放大器电路

注意上图中的发射器。在交流分析中，电阻R4被电容短路。此时等效地认为发射极电阻只有R7（330Ω）。从信号源和示波器看，此时信号已经放大了近50倍。远大于原设计值（10k/2k=5），从而实现电压增益的扩大。如果原发射极电阻不分流，而是整个电容并联，此时会得到最大增益βRC/rbe。
如何选择电容值？需要注意的是，电容并联后，整个电路会有高通特性，截止频率为f=1/2πRC. 如果不需要这种高通特性，C电容值可以选择47uF~100uF之间较大的值。
此外，电容C6具有温度补偿功能。

3.2 低压低损耗电路

如果运放电路用干电池（1.5V）供电，那不太现实，但晶体管电路可以。关键是利用外部二极管的导通压降来抵消基极-发射极电压，并具有小而小。下图电路即使在 1.5V 电源下仍能按设计放大小信号：

图 5. 共射极放大器电路

但缺点是系统的最大电压总是低于供电电压。由于电路损耗小，适用于低功耗。

3.3 差分输出电路

全差分运放可以提供双模输出，很多传输线也需要差分传输。晶体管电路也可以执行差分输出。除了共射极放大电路的原理外，还采用射极跟随器的原理。下图显示了差分输出的电路连接。

图 6. 共射极放大器电路

可以看出，输出了两个形状相同、相位相反的差分信号。集电极信号与输入信号同相，发射极输出信号与输入信号同相。但是，由于引出位置不同，两个信号的输出阻抗也不同。反相输出的输出阻抗较高（RC），同相输出的输出阻抗较低，适合驱动负载。反相输出一般在驱动前连接到射极跟随器。
此外，基极的静态电位应尽可能设置在VCC和GND之间，以扩大不失真的输出范围。 

3.4 滤波和调谐放大器电路

在电路中引入电抗元件会导致电路的特性随频率而变化。我们可以利用这个特性来设计高频电路中常用的LPF、HPF和调谐放大器。实际上，它是利用电抗元件的阻抗随频率变化的特性，进而改变当前频率下的电压增益。谐振频率处的阻抗往往是纯阻性的，具有极值以实现频率选择性放大。下图显示了特定频率下的低通、高通和频率选择放大器：
① LPF

图 7. 共射极放大器电路

如图所示，构建了一个低通滤波器（波特测试仪的输入端放置在基极而不是信号发生器的输出端，因为输入耦合电容会与输入电阻形成高通滤波器，影响观察效果），其截止频率约为1.06kHz，由f=1/2πRcC计算得出。
从正弦稳态分析可知，RC并联回路的阻抗为R/√(1+(wRC)^2)。随着频率的增加，阻抗减小，因此电压增益减小，形成低通特性。
② HPF

图 8. 共射极放大器电路

如图所示，构建了一个高通滤波器，其截止频率的计算与LPF类似。
在增益峰值点，电压增益达到50dB，接近晶体管的β值。然后，由于晶体管频率特性的恶化，增益会衰减。
③ 10.7MHz

图 9. 共射极放大器电路

用谐振频率为10.7MHz的LC网络代替RC，可以得到频率选择放大器。如图所示，10.7M时放大倍数为35dB，而失谐1MHz时放大倍数仅为12.6dB。缺点是通带稍宽，矩形系数不够好，环路等效品质因数在65.2左右，比较大。另外，高频去耦电容改为1uF。

谐振放大器电路示例：

图 10. 谐振放大器电路示例

四、总结

晶体管放大电路是运算放大电路的基础，共射极配置是最常用的形式。借鉴了放大器的放大倍数可以很容易地通过两个电阻的比值确定的特点，而共发射极放大器的增益也可以通过两个电阻的比值来近似。