共射極放大電路設計

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

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)在不同的應用場景下，卻不一樣。算出電路中的4個電阻的阻值，是任務的關鍵。本節(jié)以放大5倍為例。

直流通路與交流通路

這個電路中，直流電源的作用與交流信號的作用是同時存在的。例如對于三極管的基極來說，既有直流電源提供的工作電壓，又疊加了輸入信號的電壓，十分不利于分析工作狀態(tài)。因此，為了研究問題方便起見，常常把直流電源對電路的作用和輸入信號對電路的作用區(qū)分開來，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的通路，用于研究靜態(tài)工作點。由于電容具有“隔直通交”的作用，所以在分析直流通路的時候，認為電容開路。

圖 共射極放大電路直流通路

交流通路，是交流的輸入信號流經的通路，用于研究動態(tài)參數(shù)。此時認為，(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)射結導通以后，對于交流信號的阻抗可以忽略不計，故也視為短路。

圖 共射極放大電路交流通路

可以看出：直流通路對于交流的輸入信號沒有影響，它只用于確保三極管處于合適的工作狀態(tài);信號在輸出之前，經過了C2，導致直流成分全部被阻擋，只有交流部分能輸出。 即靜態(tài)工作點看直流通路，交流信號路徑看交流通路。

一般來說，習慣上把表示直流的物理量用大寫字母表示，把表示交流的物理量用小寫字母表示。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

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

靜態(tài)時基極電流：

靜態(tài)時集電極電流：

靜態(tài)時基極與發(fā)射極電壓(發(fā)射結壓降)：

靜態(tài)時管壓降：

觀察9014的特性曲線，需要選擇一個區(qū)域，在這個區(qū)域內，ic的變化量只取決于ib的變化量，與Uce沒有關系。

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

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

放大倍數(shù)的計算

先說結論，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：

對于此電路來說就是：

如果需要5倍放大，那么R2的值就是R4的值的5倍。

這個結論的推導過程并不像數(shù)學推導一樣嚴密，結合了工程實踐，有些因素對結果影響較小，就省略了。還有些值是取了個范圍。以下為推導過程：

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，只有變化著的交流分量可以通過，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候，認為Vcc與GND是同一個點，所以△Vc同時也是R2上電壓的變化量?！鱒c=△ic×R2

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

三極管處于放大區(qū)時，ic=β×ib，β是三極管的放大倍數(shù)，一般來說是幾十到幾百，即基極電流遠小于集電極電流，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，取一個合適的集電極電流。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，以及頻率響應都有關系。此處1mA主要考慮功率小點。此時放大倍數(shù)為200多一點。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，取標稱為470歐姆。那么R2可以取值為2.4K。

流過R1與R3的電流要遠大于基極電流，否則在分析的時候就不能認為基極電流可以忽略，也不能用分壓公式來大致計算出R1與R3的電阻值。由于發(fā)射結的壓降為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。

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

這個電路的輸入阻抗為R1//R3，輸出阻抗為R2。

關鍵波形觀察

下圖展示了電路對1Khz，100mV正弦波的放大效果。

輸入耦合電容C1左右波形對比，可以看出輸入的交流信號幾乎無損通過了C1，到達基極時被直流分量抬高了1V多一點。

基極發(fā)射極波形對比，可以看出交流成分幾乎無損通過了發(fā)射結。直流成分經過發(fā)射結時有0.6V的壓降。

發(fā)射極與集電極波形對比，三極管將電壓的變化量反相放大了5倍。