共用發(fā)射極放大器電路、電壓案例及曲線增益總結(jié)

NPN晶體管最常見的放大器配置是公共發(fā)射極放大器電路

在之前的放大器教程介紹中，我們看到一系列曲線通常稱為輸出特性曲線，將晶體管集電極電流（ Ic ）與其集電極電壓（ Vce ）相關(guān)聯(lián)，以獲得不同的晶體管基極電流值（ Ib ）。

所有類型的晶體管放大器均使用交流信號輸入工作，交流信號輸入在正值和負(fù)值之間交替因此需要一些“預(yù)置”放大器電路以在這兩個最大值或峰值之間工作的方法。這是使用稱為偏置的過程實現(xiàn)的。偏置在放大器設(shè)計中非常重要，因為它建立了準(zhǔn)確接收信號的晶體管放大器的正確工作點，從而減少了輸出信號的任何失真。

我們還看到靜態(tài)或直流負(fù)載線可以在這些輸出特性曲線上繪制，以顯示晶體管從完全“接通”到完全“斷開”的所有可能工作點，以及放大器的靜態(tài)工作點或Q點可以找到。

任何小信號放大器的目的都是放大所有輸入信號，使輸出信號的失真量最小，換句話說，輸出信號必須精確再現(xiàn)輸入信號但只是更大（放大）。

為了在用作放大器時獲得低失真，需要正確選擇工作靜態(tài)點。實際上，放大器的直流工作點及其位置可以通過合適的偏置裝置在負(fù)載線的任何位置建立。

此Q點的最佳位置接近于盡可能合理地加載負(fù)載線的中心位置，從而產(chǎn)生A類放大器操作，即。 Vce = 1 / 2Vcc ?？紤]下面顯示的公共發(fā)射極放大器電路。

公共發(fā)射極放大器電路

上面所示的單級共射極放大器電路使用通常所說的“分壓器偏置”。這種類型的偏置裝置使用兩個電阻器作為電源兩端的分壓器網(wǎng)絡(luò)，其中心點為晶體管提供所需的基極偏置電壓。分壓器偏置通常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計。

這種偏置晶體管的方法大大降低了不同Beta的影響，（β）通過將基極偏壓保持在恒定的穩(wěn)定電壓水平，從而實現(xiàn)最佳穩(wěn)定性。靜態(tài)基準(zhǔn)電壓（ Vb ）由兩個電阻器形成的分壓器網(wǎng)絡(luò)決定， R1 ， R2 和電源電壓 Vcc 如流過兩個電阻的電流所示。

然后總電阻 R T 將等于 R1 + R2 給出電流 i = Vcc / R T 。電阻 R1 和 R2 連接處產(chǎn)生的電壓電平將基極電壓（ Vb ）保持在低于電源電壓的值。

然后，共射極放大器電路中使用的分壓器網(wǎng)絡(luò)將電源電壓與電阻成比例地分開。可以使用下面的簡單分壓器公式輕松計算此偏置參考電壓：

晶體管偏置電壓

當(dāng)晶體管完全“接通”（飽和）， Vcc ）也決定了最大集電極電流 Ic > Vce = 0 。晶體管的基極電流 Ib 可從集電極電流 Ic 和晶體管的直流電流增益β，β中找到。

Beta值

Beta有時也稱為 h FE ，這是共發(fā)射極配置中的晶體管正向電流增益。 Beta沒有單位，因為它是兩個電流的固定比率， Ic 和 Ib ，因此基極電流的微小變化將導(dǎo)致集電極電流發(fā)生很大變化。

關(guān)于Beta的最后一點。相同類型和部件號的晶體管的Beta值變化很大，例如， BC107 NPN雙極晶體管的直流電流增益Beta值在110到450之間（數(shù)據(jù)表值）這是因為β是晶體管結(jié)構(gòu)的一個特征而不是它的工作特性。

由于基極/發(fā)射極結(jié)是正向偏置，發(fā)射極電壓 Ve 將是一個結(jié)電壓降低與基準(zhǔn)電壓不同。如果已知發(fā)射極電阻兩端的電壓，則可以使用歐姆定律輕松計算發(fā)射極電流 Ie 。集電極電流 Ic 可以近似，因為它與發(fā)射極電流幾乎相同。

公共發(fā)射極放大器示例No1

共發(fā)射極放大器電路的負(fù)載電阻 R L 1.2kΩ，電源電壓 12v 。當(dāng)晶體管完全“接通”（飽和）時，計算流經(jīng)負(fù)載電阻的最大集電極電流（ Ic ），假設(shè) Vce = 0 。如果它的電壓降為1v，也可以找到發(fā)射極電阻 R E 的值。假設(shè)NPN硅晶體管計算所有其他電路電阻的值。

然后建立點“A” “在特性曲線的收集器當(dāng)前垂直軸上，當(dāng) Vce = 0 時發(fā)生。當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時，它們在任一電阻上都沒有電壓降 R E 或 R L 因為沒有電流流過它們。然后，晶體管兩端的電壓降 Vce 等于電源電壓 Vcc 。這在特性曲線的水平軸上建立了點“B”。

通常，放大器的靜態(tài)Q點與基極施加零輸入信號，因此收集器位于大約一半的位置沿零線與電源電壓之間的負(fù)載線（ Vcc / 2 ）。因此，放大器Q點的集電極電流將給出：

此靜態(tài)DC載荷線產(chǎn)生一個直線方程，其斜率給定為： -1 /（R L + R E ）并且它與垂直方向交叉 Ic 軸等于 Vcc /（R L + R E ）。直流負(fù)載線上Q點的實際位置由 Ib 的平均值決定。

作為集電極電流， Ic 晶體管也等于晶體管的直流增益（Beta），乘以基極電流（β* Ib ），如果我們假設(shè)β（β）值為比方說100的晶體管（100是低功率信號晶體管的合理平均值）流入晶體管的基極電流 Ib 將給出如下：

通常通過降壓電阻器 R1 ?，F(xiàn)在可以選擇 R1 和 R2 的電阻，以提供45.8μA或46μA的合適靜態(tài)基極電流四舍五入到最接近的整數(shù)。與實際的基極電流 Ib 相比，流過分壓器電路的電流必須很大，因此分壓器網(wǎng)絡(luò)不會受到基極電流的影響。

一般的經(jīng)驗法則是流過電阻器 R2 的值至少為 Ib 的10倍。晶體管基極/發(fā)射極電壓， Vbe 固定為0.7V（硅晶體管），然后將 R2 的值設(shè)為：

如果流過電阻 R2 的電流是基極電流值的10倍，那么流過電阻 R1 的電流分頻器網(wǎng)絡(luò)必須是Base電流值的11倍。即： I R2 + Ib 。

因此，電阻 R1 兩端的電壓等于 Vcc - 1.7v （硅晶體管的V RE + 0.7），等于10.3V，因此 R1 可以計算為：

發(fā)射極電阻的值， R E 可以使用歐姆定律輕松計算。流過 R E 的電流是基極電流， Ib 和集電極電流 Ic 的組合，是給定為：

電阻， R E 連接在晶體管發(fā)射極端子之間和地面，我們之前說過，它的電壓降為1伏。因此，發(fā)射極電阻 R E 的值計算如下：

因此，對于上面的示例，選擇為公差為5％（E24）的電阻的首選值為：

然后，我們上面的原始公共發(fā)射極放大器電路可以重寫，以包含我們剛剛計算過的元件的值。

完成的公共發(fā)射極電路

放大器耦合電容

在公共發(fā)射極放大器電路中，電容 C1 和 C2 用作耦合電容，以將AC信號與DC偏置電壓分開。這確保了為電路正確操作而設(shè)置的偏置條件不受任何額外放大器級的影響，因為電容器僅通過AC信號并阻止任何DC分量。然后將輸出AC信號疊加在下一級的偏置上。此外，旁路電容 C E 包含在發(fā)射極支路中。

該電容實際上是用于直流偏置條件的開路元件，意味著偏置電流和電壓不受電容器添加的影響，保持良好的Q點穩(wěn)定性。

然而，這種并聯(lián)的旁路電容有效地成為高頻發(fā)射極電阻的短路信號由于其電抗。因此，只有 R L 加上非常小的內(nèi)部電阻，因為晶體管將增加的電壓增益加載到其最大值。通常，旁路電容的值 C E 被選擇為提供最多的電抗， R E <的值的1/10 / sub> 處于最低工作信號頻率。

輸出特性曲線

好了，到目前為止還不錯。我們現(xiàn)在可以構(gòu)建一系列曲線，顯示集電極電流， Ic 與集電極/發(fā)射極電壓， Vce ，具有不同的基極電流值， Ib 用于我們簡單的共射極放大器電路。

這些曲線稱為“輸出特性曲線”，用于顯示晶體管如何在其動態(tài)范圍內(nèi)工作。在1.2kΩ的負(fù)載電阻 RL 的曲線上繪制靜態(tài)或直流負(fù)載線，以顯示所有晶體管可能的工作點。

晶體管切換為“OFF”， Vce 等于電源電壓 Vcc ，這是線路上的“B”點。同樣，當(dāng)晶體管完全“導(dǎo)通”并且飽和時，集電極電流由負(fù)載電阻確定， R L ，這就是線上的“A”點。

我們之前通過晶體管的直流增益計算出晶體管平均位置所需的基極電流45.8μA，這標(biāo)記為點 Q 在負(fù)載線上，表示放大器的靜止點或Q點。我們可以很容易地讓自己的生活更輕松，并將此值精確地舍入到50μA，而不會對工作點產(chǎn)生任何影響。

輸出特性曲線

負(fù)載線上的點Q給出基極電流Q點Ib =45.8μA或46μA 。我們需要找到基極電流的最大和最小峰值擺幅，這將導(dǎo)致收集器電流成比例變化， Ic ，而不會對輸出信號造成任何失真。

負(fù)載線切斷直流特性曲線上的不同基極電流值，我們可以找到沿負(fù)載線等間距的基極電流峰值擺幅。這些值在線上標(biāo)記為點“N”和“M”，分別給出最小和最大基極電流20μA和80μA。

這些點，“N”和“M”可以是在我們選擇的負(fù)載線上的任何地方，只要它們與Q等距離。這就為我們提供了一個理論上的最大輸入信號到Base端子的60μA峰峰值（30μA峰值），而不會對輸出產(chǎn)生任何失真任何輸入信號給出大于此值的基極電流將驅(qū)動晶體管超過“N”點并進(jìn)入“截止”區(qū)域或超出“M”點并進(jìn)入其飽和度因此，以“削波”的形式導(dǎo)致輸出信號失真。

以點“N”和“M”為例，集電極電流的瞬時值和集電極 - 發(fā)射極的對應(yīng)值可以從負(fù)載線投射電壓。可以看出，集電極 - 發(fā)射極電壓與集電極電流反相（-180 o ）。

作為基極電流 Ib 從50μA到80μA的正方向變化，集電極 - 發(fā)射極電壓，也就是輸出電壓從其5.8伏的穩(wěn)態(tài)值降低到2.0伏。

然后單級公共發(fā)射極放大器也是“反相放大器”，因為基極電壓的增加導(dǎo)致Vout的減小和基極電壓的減小導(dǎo)致Vout的增加。換句話說，輸出信號與輸入信號的相位差為180 o 。

公共發(fā)射極電壓增益

電壓增益共發(fā)射極放大器的等于輸入電壓的變化與放大器輸出電壓的變化之比。那么ΔV L Vout 且ΔV B Vin 。但電壓增益也等于集電極中信號電阻與發(fā)射極中信號電阻的比值，并給出如下：

我們之前提到過，隨著信號頻率增加旁路電容， C E 由于其電抗而開始使發(fā)射極電阻短路。然后在高頻 R E = 0 ，使增益無限大。

然而，雙極晶體管的內(nèi)部電阻內(nèi)置于其發(fā)射區(qū)域，稱為 R e 。晶體管半導(dǎo)體材料對通過它的電流提供內(nèi)部電阻，通常由主晶體管符號內(nèi)部顯示的小電阻符號表示。

晶體管數(shù)據(jù)表告訴我們對于小信號雙極晶體管這個內(nèi)部電阻是 25mV÷Ie （25mV是發(fā)射極結(jié)層上的內(nèi)部電壓降）的乘積，那么對于我們常見的發(fā)射極放大器電路，這個電阻值將等于：

此內(nèi)部發(fā)射極腿電阻將與外部發(fā)射極電阻串聯(lián)， R E ，那么晶體管實際增益的等式將被修改為包括這個內(nèi)部電阻所以將是：

在低頻信號下，發(fā)射極支路中的總電阻等于 R E + R e 。在高頻時，旁路電容會使發(fā)射極電阻短路，只留下發(fā)射極中的內(nèi)部電阻 R e ，從而產(chǎn)生高增益。然后，對于上面的共發(fā)射極放大器電路，低信號和高信號頻率下的電路增益如下：

低頻增益

高頻增益

最后一點，電壓增益僅取決于收集器的值電阻， R L 和發(fā)射極電阻，（ R E + R e ）它不受晶體管的電流增益β，β（ h FE ）的影響。

所以，對于我們上面的簡單示例，我們現(xiàn)在可以總結(jié)我們?yōu)楣舶l(fā)射極放大器電路計算的所有值，它們是：

然后總結(jié)一下。公共發(fā)射極放大器電路的集電極電路中有一個電阻。流過該電阻的電流產(chǎn)生放大器的電壓輸出。選擇此電阻的值，使得在放大器靜態(tài)工作點，Q點，此輸出電壓位于晶體管負(fù)載線的一半。Common Emitter Amplifier Summary

晶體管的基極在共發(fā)射極放大器中使用的是使用兩個電阻器作為分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偏置。這種類型的偏置裝置通常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計中，并通過將基極偏置保持在恒定的穩(wěn)定電壓來大大降低變化β（β）的影響。這種類型的偏置產(chǎn)生最大的穩(wěn)定性。

發(fā)射極支路中可以包含一個電阻，在這種情況下，電壓增益變?yōu)?-R L / R ? 。如果沒有外部發(fā)射極電阻，則放大器的電壓增益不是無窮大，因為發(fā)射極支路中的內(nèi)部電阻非常小， R e 。此內(nèi)阻的值等于 25mV / I E

在下一個關(guān)于晶體管放大器的教程中，我們將看看結(jié)型場效應(yīng)放大器通常稱為JFET放大器。與晶體管一樣，JFET用于單級放大器電路，使其更易于理解。我們可以使用幾種不同類型的場效應(yīng)晶體管，但最容易理解的是結(jié)型場效應(yīng)晶體管，或具有非常高輸入阻抗的JFET，使其成為放大器電路的理想選擇。