共射極放大器的直流分析、交流分析及仿真電路驗證

這一期是三極管放大器的分析和設(shè)計，共射極放大器的特點是發(fā)射極通過電阻連接到共地端，因此稱為“共射極”，并且以集電極作為輸出端，共射極放大器具有較高的電壓和電流增益，同時，在實際分析中根據(jù)經(jīng)驗可以簡化輸入電阻和三極管內(nèi)阻。

關(guān)鍵詞：共射極放大器;

01共射極放大器的直流分析

如圖1-1是共射極放大器的基本電路圖：

圖1-1 共射極放大器電路圖

圖1-1就是共射極放大器的典型電路，其中電容C1、C3分別作為輸入、輸出耦合電容，電容C2與射極電阻RE2并聯(lián)，稱為旁路電容(bypass
capacitor)。旁路電容的存在，使得交流狀態(tài)下電阻RE2被短路，而降低三極管射極串聯(lián)電阻的阻抗，從而提供放大器的增益。圖1-1中，把10mV的正弦信號Vs作為輸入信號Vin通過耦合電容C1送進(jìn)放大器中，經(jīng)過放大器的放大，期望從輸入端負(fù)載RL兩端獲得輸出信號Vout。

為了確定圖1-1所示共射極放大器的靜態(tài)工作點，先把直流等效電路畫出來，由于電容C1、C2、C3在直流分析中相當(dāng)于斷開，所以輸入信號Vs、輸出負(fù)載RL、旁路電容C2自身都被排除在直流等效電路之外，如圖1-2所示：

圖1-2 共射極放大器的直流等效電路

首先需要判斷并計算分壓器提供的基極電壓VB：

根據(jù)經(jīng)驗得輸入電阻為：

如果并聯(lián)的兩個電阻中有一個阻值是另一個的10倍或者以上，則并聯(lián)總電阻狠接近阻值很小的那個電阻，所以，如果三極管的輸入阻抗Rin>=10R2，那么式(1.1)可簡化為：

所以式(1.2)可為：

所以可得分壓器偏置的靜態(tài)工作點電壓VBQ為：

那么三極管射極的靜態(tài)工作點為：

那么根據(jù)歐姆定律可得三極管發(fā)射極、集電極靜態(tài)工作點電流IEQ、ICQ為：

所以，可計算三極管集電極靜態(tài)工作點VCQ為：

VCQ=5.3V說明，沒有交流信號輸出時，三極管的集電極上的靜態(tài)工作電壓為5.3V，一旦有交流信號輸入放大器，將會在集電極輸出上形成一個5.3V上、下變化的輸出信號，如圖1-3所示：

圖1-3 輸出交流信號波形圖

02共射極放大器的交流分析

放大器的電壓增益需要在交流環(huán)境中考慮，所以在進(jìn)行交流分析之前，需要了解以下3條法則：

1、假設(shè)在交流信號下，耦合電容和旁路電容的容抗都為0，在交流分析中，電容可以視為短路;

2、假設(shè)電源Vcc內(nèi)阻為0，僅在交流分析中，Vcc視為與地短路;

3、僅在交流分析中，需要考慮三極管的內(nèi)阻re’.根據(jù)以上三條法則就可以得到共射極放大器的交流等效電路，如圖1-4所示：

圖1-4 共射極放大器的交流等效電路

圖1-4對比圖1-1，由于耦合電容C1和C3視為短路，所以輸入信號Vs直接進(jìn)入放大器的b極、輸出信號Vout直接進(jìn)入負(fù)載RL，又因為旁路電容C2也視為短路，所以射極上的電阻RE2被短路，只剩下了RE1.由于Vcc視為與地短路，原來與Vcc相連的電阻R1和Rc的一端接地。另外，三極管的呢組re’出現(xiàn)在等效電路中。

由圖1-4可以計算電壓增益為：

式(1.9)中Rc||RL代表的是電阻Rc與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的總電阻，re’為三極管的內(nèi)阻，RE1為射極串聯(lián)的電阻。

在直流環(huán)境中，三極管并存在阻抗，而到了交流環(huán)境中，情況略有不同，在射極和基極之間出現(xiàn)了一個三極管內(nèi)阻re’，如圖1-5所示：

圖1-5 三極管內(nèi)阻re’

re’在分析放大器的增益、輸入阻抗時都會涉及，是一個比較重要的物理量，re’的阻值并不固定，而是由射極電流IE決定，近似計算為：

在直流分析中算的IEQ=0.47mA，所以可以計算：

所以代入式(1.9)可以求得增益為：

即圖1-1所示的共射極放大器電壓增益為35，就是說，如果輸入10mV的正弦信號，則從輸出端就可以獲得一個10mV×35=350mV的正弦信號，且輸入、輸出信號之間有180°的相位差。

03仿真電路驗證

如圖3-1是根據(jù)圖1-1搭建的仿真電路模型：

圖3-1 仿真電路模型

如圖3-1是輸入信號10mV(有效值)、1KHz，經(jīng)過放大電路并使用示波器測量的電壓波形如圖3-2所示：

圖3-2 測量波形圖

如圖3-2所示，輸入信號幅值約為28mV，輸出信號為971mV，放大倍數(shù)為：

同時通過觀察波形，發(fā)現(xiàn)輸入信號經(jīng)過放大的同時還產(chǎn)生了180°的相差，即輸入、輸出信號之間反相，同時驗證了電路的正確性。