共射極放大電路設(shè)計(jì)步驟

一 NPN和PNP晶體管

晶體管有NPN和PNP兩種類型。上篇展示的電路都是NPN晶體管搭建的放大電路。使用PNP晶體管搭建電路，因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流流動(dòng)方向相反，所以偏置電壓方向也要反過(guò)來(lái)，因此將電源和GND進(jìn)行交換。如下是使用PNP晶體管搭建的兩種放大電路。

二 設(shè)計(jì)一個(gè)共射極放大電路

讓我們基于如下產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)一個(gè)共射ji極放大電路：

電壓增益：3倍

最大輸出電壓：6Vpp

頻率特性：暫不考慮

輸入輸出阻抗：暫不考慮

第一步：確定電源電壓V2

基于最大輸出電壓，選擇電源電壓V2。為了獲得不失真的6Vpp，電源電壓必須比信號(hào)最大電壓高。同時(shí)要考慮，為了使發(fā)射極有電流流過(guò)，在發(fā)射極上需要有電壓。因此電源電壓要大于信號(hào)電壓+發(fā)射極電壓的和。

而對(duì)發(fā)射極來(lái)說(shuō)，我們期望它的電壓在2V以上。因?yàn)殡m然Vbe≈0.6V，不過(guò)它有個(gè)溫度特性，元件溫度每升高一度，Vbe減小2.5mV。這樣的話，隨著電路工作時(shí)間變長(zhǎng)，Vbe的電壓會(huì)減小，導(dǎo)致Ve的電壓會(huì)減小。因此我們期望Re的直流電壓在2V以上。

基于以上的考慮，電源電壓V2應(yīng)該在8V以上。我們選擇15作為V2的輸出電壓。

第二步：選擇晶體管

晶體管的特性決定了放大電路的最終性能（噪聲、高頻特性等）。另外晶體管的最大額定電壓不能超過(guò)放大電路要求的。例如如果我們選擇電源（V2）是15V，，那么在集電極和基極之間、集電極和發(fā)射極之間有可能施加最大15V的電壓，因此選擇晶體管時(shí)，Vcbo和Vceo要大于15V。如下是ROHM的2SC2414K的spec，我們選擇它設(shè)計(jì)放大電路。

第三步：確定發(fā)射極工作電流

在確定發(fā)射極電流之前，先介紹一個(gè)參數(shù)fT。在上面的spec中出現(xiàn)。它是晶體管的特征頻率，表示交流電流放大系數(shù)為1時(shí)的頻率。它的值和發(fā)射極電流有關(guān)聯(lián)。如下圖。如果希望用此晶體管設(shè)計(jì)的放大電路頻率特性最好，必須是IE=30mA。

另外，放大電路的噪聲也和發(fā)射極電流有關(guān)。需要注意的是，同一顆晶體管頻率特性最好的IE和噪聲特性最好的IE是不一樣的。

如果放大電路對(duì)頻率和噪聲沒有嚴(yán)格要求，那么IE取值范圍就比較寬松了，只要不大于spec定義的最大額定電路150mA（下圖）即可。

我們?nèi)E=1mA，方便后續(xù)計(jì)算。

第四步：確定集電極電阻和發(fā)射極電阻

前一篇提到此放大電路的放大倍數(shù)是由集電極電阻和發(fā)射極電阻的比值決定的。因此如果Av=3，則R3:R4=3。

前面也提到我們?cè)O(shè)定VE=2V，

因此得到R4=VE/IE=2V/1mA=2KR

R3=Av x R4=6KR

VCE=VC-VE=V2 - IC x R3 - IE x R4 =15V - 1mA x 6KR -1mA x 2KR=7V

同時(shí)得到晶體管的集電極損耗Pc為

Pc=VCE x IE =4V x 1mA =4mW

它低于元件spec定義的Pd=200mW最大值。

另外，集電極電阻R3的取值也會(huì)影響輸出波形。如果R3取值太大，在其自身的壓降變大，集電極電位下降，在輸出大振幅信號(hào)時(shí)，輸出波形的下側(cè)會(huì)失真。最好是將集電極電位設(shè)置在V2和VE的中點(diǎn)。

注：V2的電壓會(huì)影響VE電壓和IE。如果V2不是15V，例如是12V，則VE不是2V，IE也不是1mA。

第五步：確定基極偏置電路

因?yàn)橐呀?jīng)設(shè)定VE=2V，又因?yàn)閂BE=0.6V，因此VB=2.6V。

VB的電壓是由R1和R2分壓得到。如果VB，也即R2上的分壓為2.6V，那么R1上的壓降為V2-VB=12.4V。

這顆晶體管的hFE在120~390之間，取個(gè)中間值hFE=200，那么基極電流大約在5uA。我們希望流過(guò)R1和R2的電流比基極電流大的多（10倍以上就可以），因此設(shè)定流過(guò)R1的電流是100uA，那么就可以得到R1和R2的阻值

R1=12.4V/100uA=124KR

R2=2.6V/100uA=26KR

不過(guò)這兩個(gè)電阻在電阻系列中不多見（E24系統(tǒng)數(shù)列），選擇和它倆比值一樣的另一組電阻100KR和22KR。不改變R1和R2的比值，是因?yàn)楸戎底兞?，VB就會(huì)變。

通過(guò)以上幾步，電路的基本框架就搭出來(lái)了。

如下圖是電路和它的各個(gè)直流電壓和電流，與計(jì)算基本一致。

信號(hào)放大比例是3倍

第六步：耦合電容C1和C2的選擇

C1和C2的作用是將基極/集電極的直流電壓擋住，只讓交流信號(hào)輸入/輸出。C1和電路的輸入阻抗、C2和負(fù)載分別組成高通濾波器。

輸入阻抗是R1和R2的并聯(lián)，因?yàn)閺慕涣餍盘?hào)的角度，電源和地是一樣的，又因?yàn)榛鶚O電流非常小，可以認(rèn)為晶體管本身的輸入阻抗非常大，因此輸入阻抗是R1和R2的并聯(lián)。輸出阻抗是由C2和RL構(gòu)成。

當(dāng)C1和C2取值太小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致截止頻率太高，在濾波效果上使低頻信號(hào)難于通過(guò)，此處選擇C1=C2=10uF

輸入端的高通濾波器截止頻率fC為：

第七步：電源去耦電容C3和C4的選擇

C3和C4是電源的去耦電容，降低電源和GND之間的交流阻抗，也稱為旁路電容。如果沒有這些電容存在，電路的交流特性會(huì)變差，嚴(yán)重時(shí)電路會(huì)產(chǎn)生振蕩。

電容的阻抗值是1/2πfC，信號(hào)頻率越高，阻抗越低?，F(xiàn)實(shí)中，由于電容結(jié)構(gòu)中寄生電感的影響，當(dāng)超過(guò)某一頻率時(shí)，電容阻抗反而會(huì)上升。如下圖三種不同容值的電容，它們各自的阻抗曲線。

在電源設(shè)計(jì)時(shí)，并聯(lián)容值大小不同的電容，使整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)對(duì)GND的交流阻抗在一定的頻率段內(nèi)都比較小。具體的頻率范圍，可以看負(fù)載端的需求。以TI的SOC J6為例，它的spec中對(duì)200MHz以內(nèi)的電源網(wǎng)絡(luò)交流阻抗有明確要求。

將這三顆電容并聯(lián)之后的阻抗曲線如下：可以看到在很寬的頻率范圍內(nèi)都下降了。小容值電容要布置在電源附近。否則寄生電感變大，影響阻抗和濾波效果。

至此，一個(gè)基本的共射極放大電路就搭建好了。