共射放大電路為什么會(huì)失真？為什么沒有放大？

除了前面2篇是偏理論的，后面4篇都是偏工程應(yīng)用的。其實(shí)也都是在圍繞一個(gè)電路在討論：為什么會(huì)失真？為什么沒有放大？

第6篇文章，我們指出了前面文章的問題點(diǎn)，也討論了電流放大倍數(shù)β、截止頻率fβ，特征頻率fT三者間的關(guān)系，但是還是沒講清楚輸入信號(hào)在100kHz、10MHz、100MHz、300MHz時(shí)有什么區(qū)別？

一道問題

照例，先拋出來一道問題：共射極三極管放大電路，為什么輸入信號(hào)的頻率不同，輸出信號(hào)的幅值不同呢？這里暫且不考慮飽和失真和截止失真的情況。這道題不會(huì)是面試題，面試官也不會(huì)問這么刁鉆。

交流通路的前置條件

說到共射極三極管放大電路的交流通路，我想很多小伙伴都不陌生。大學(xué)老師也講過，畫交流通路，需要：

（1）把（內(nèi)阻很小的）直流電壓源當(dāng)做短路，（內(nèi)阻很大的）直流電流源當(dāng)做開路；

（2）把（容值較大的）電容當(dāng)做短路；

對(duì)的，這里都沒錯(cuò)。但是這里面有個(gè)條件：輸入信號(hào)需要在CE(共射極)組態(tài)電路的中頻帶內(nèi)。在這個(gè)條件下，還有2塊內(nèi)容是被認(rèn)為已經(jīng)約定俗成了。

①三極管的結(jié)電容（Cb'c、Cb‘e）被當(dāng)做開路；

②放大電路中的耦合電容、旁路電容被當(dāng)做短路；

這里的②和前面畫交流通路中的（2）是對(duì)應(yīng)的。

可是，如果信號(hào)頻率超出中頻帶的上限頻率，進(jìn)入高頻帶，此時(shí)三極管的結(jié)電容（Cb'c、Cb'e）阻抗在減小，不能再被當(dāng)做開路。此時(shí)的交流通路就需要考慮Cb'c、Cb'e的影響。

同樣，如果信號(hào)頻率低于中頻帶的下限頻率，進(jìn)入低頻帶，此時(shí)三極管的耦合電容、旁路電路阻抗在增加，不能再被當(dāng)做短路。此時(shí)的交流通路就需要考慮耦合電容（如上圖中的C1、C2）的影響。

CE放大電路中頻帶的Av

在上一篇文章中提到，我有把電流放大倍數(shù)β和電壓放大倍數(shù)Av搞混淆。開頭展示出的CE組態(tài)放大電路的電壓放大倍數(shù)Av是怎樣的呢？

不妨，我們先畫一下CE組態(tài)放大電路的交流通路，如上圖右側(cè)所示。

有了交流通路，我們可以很方便的計(jì)算出Vo和Vi，如上圖所示。

當(dāng)(1+β)Re>>rbe時(shí)，rbe的影響可以忽略。β和1+β也可以近似約掉。

當(dāng)RL足夠大時(shí)，Rc||RL可以約等于Rc，則有：

咋一看，這個(gè)電壓放大倍數(shù)Av只與Rc和Re有關(guān)，和頻率沒有關(guān)系。對(duì)的，在中頻帶內(nèi)，確實(shí)可以有這樣的近似關(guān)系。

CE放大電路高頻等效電路

上面畫出的是CE放大電路在中頻帶內(nèi)的等效電路，那如果進(jìn)入到高頻帶，就需要考慮結(jié)電容Cb'c、Cb'e的影響，不能再當(dāng)做開路處理。

下圖左側(cè)方框內(nèi)電路，即為CE放大電路高頻等效電路。注意此時(shí)的Cb'c跨接在b'和C之間，相當(dāng)于既在輸入回路，又在輸出回路，這樣會(huì)使電路的計(jì)算變得復(fù)雜，我們需要做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

米勒（密勒）電容的等效可以把Cb'c轉(zhuǎn)化為輸入回路和輸出回路兩個(gè)部分。Cb'c等效到輸入回路的部分可以定量記作(1+gmR'L)Cb'c，Cb‘c等效到輸出回路的部分約等于Cb'c（容值很小，可忽略）。具體怎么等效的，這里不做展開討論。上圖的右側(cè)方框內(nèi)，即為米勒等效后的CE放大電路高頻等效電路。

CE放大電路的高頻截頻fh

上面說了CE放大電路的高頻等效電路，可以怎么才算是高頻區(qū)，怎么才算是中頻區(qū)呢？我們需要計(jì)算出中頻區(qū)的上限頻率fh。

計(jì)算起來是比較復(fù)雜的，需要在米勒等效后的電路再進(jìn)行2次戴維寧等效，如下圖紅框所示，為戴維寧等效后的電路。

等效后的電路，看著是不是很熟悉！輸入回路就相當(dāng)于是一個(gè)RC電路，此時(shí)的R和C都有一長(zhǎng)串的計(jì)算關(guān)系式。

有了R、C的參數(shù)，我們就很容易得出等效后的電路的截止頻率fh

實(shí)際推導(dǎo)計(jì)算

上面說了一大通，都是公式，一點(diǎn)也不切合實(shí)際。我們還是實(shí)際動(dòng)手計(jì)算一下。小黑板已準(zhǔn)備好，下圖為“硬件微講堂”號(hào)主手動(dòng)推導(dǎo)計(jì)算的過程。

先把Cb1，Cb2，Rb1，Rb2，Rc，Re，RL數(shù)值羅列清楚，再把VBEQ，β0，Cb'c，fT，rbb'數(shù)值假設(shè)(或查詢)一下。

①計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)IEQ，計(jì)算rb'e需要用；

②計(jì)算跨導(dǎo)gm，發(fā)射極電阻Re等效到輸入回路的電阻rb'e，結(jié)電容Cb'e；

③計(jì)算米勒等效和戴維寧等效后的R和C。

由于原來電路中沒有考慮電壓源Vs的內(nèi)阻Rs，計(jì)算時(shí)也暫且先忽略其數(shù)據(jù)。這樣計(jì)算出來fh約為1MHz?？紤]到有些參數(shù)的數(shù)值為估算值，計(jì)算過程中也有很多近似，這個(gè)數(shù)值和實(shí)際可能有一些偏差。

TINA-TI仿真

我們?cè)儆肨INA-TI做下仿真看看頻率響應(yīng)的效果?？梢酝ㄟ^兩個(gè)渠道來仿真。

①分析--交流分析--選擇“振幅”；

②T&M--信號(hào)分析儀--選擇“dB Magnitude”；

上圖，即為CE組態(tài)放大電路的中高頻的頻率響應(yīng)，和低通濾波的頻響有些類似哈。圖中可以看出，放出來的fh=7.26MHz。和我們計(jì)算的1MHz雖然有差異，但不遠(yuǎn)。

這個(gè)圖，也可以解釋前面提到的為什么10MHz、100MHz、200MHz、300MHz時(shí)，輸出的信號(hào)幅值不同。因?yàn)榇藭r(shí)的信號(hào)頻率已超過中頻帶的上限頻率，已進(jìn)入高頻區(qū)，放大電路的增益隨著頻率上升一直在下降。

在f=100MHz時(shí) ，Gain=1.15dB，換算為電壓放大倍數(shù)Av=1.14156；

在f=200MHz時(shí)，Gain=0.662dB，換算為電壓放大倍數(shù)Av=1.079195；

在f=300MHz時(shí)，Gain=0.423dB，換算為電壓放大倍數(shù)Av=1.049905。

所以，當(dāng)頻率為100M、200M、300MHz的信號(hào)輸入時(shí)，由于電壓放大倍數(shù)Av太小，放大電路整體表現(xiàn)為失去了放大作用。

在f=85kHz時(shí)，Gaim=13.69dB，換算為電壓放大倍數(shù)Av=4.83。接近于5倍，而正好是我們前面推導(dǎo)的中頻帶，Rc/Re=5的增益關(guān)系。

總結(jié)

寫到這里，終于把前面共射極放大電路為什么不放大的原因說清楚了。

現(xiàn)在梳理下今天討論的內(nèi)容：

①提出問題：共射極三極管放大電路，為什么輸入信號(hào)的頻率不同，輸出信號(hào)的幅值不同呢？

②畫交流通路的前置條件；

③CE放大電路中頻帶的Av的推導(dǎo)過程及近似結(jié)果；

④CE放大電路的高頻等效電路及其高頻截頻fh推導(dǎo)過程；

⑤用TINA-TI仿真CE放大電路的中高頻帶的幅頻相應(yīng)；

⑥基于仿真結(jié)果，分析在不同頻率輸入信號(hào)的增益效果。

審核編輯：劉清