电子设计教程16：共射极放大电路

  本文所用的电路参考自日本的铃木雅臣的《晶体管电路设计》。借此电路来讲解三极管电路的分析与设计中需要注意的事项。

图 共射极放大电路原理图
  共射极放大电路的原理图很容易找到，但是器件的参数在不同的应用场景下，却不一样。算出电路中的4个电阻的阻值，是任务的关键。本节以放大5倍为例。

直流通路与交流通路

  这个电路中，直流电源的作用与交流信号的作用是同时存在的。例如对于三极管的基极来说，既有直流电源提供的工作电压，又叠加了输入信号的电压，十分不利于分析工作状态。因此，为了研究问题方便起见，常常把直流电源对电路的作用和输入信号对电路的作用区分开来，分为直流通路与交流通路。
  直流通路，顾名思义指的是直流电流流经的通路，用于研究静态工作点。由于电容具有“隔直通交”的作用，所以在分析直流通路的时候，认为电容开路。

图 共射极放大电路直流通路
  交流通路，是交流的输入信号流经的通路，用于研究动态参数。此时认为，（容值合适的）电容可以视为短路，Vcc与GND直接也视为短路。发射结导通以后，对于交流信号的阻抗可以忽略不计，故也视为短路。

图 共射极放大电路交流通路
  可以看出：直流通路对于交流的输入信号没有影响，它只用于确保三极管处于合适的工作状态；信号在输出之前，经过了C2，导致直流成分全部被阻挡，只有交流部分能输出。 即静态工作点看直流通路，交流信号路径看交流通路。
  一般来说，习惯上把表示直流的物理量用大写字母表示，把表示交流的物理量用小写字母表示。例如
表示基极电流的直流分量，
表示基极电流的交流分量。

静态工作点

  所谓静态工作点，是指三极管放大电路在电源供应正常，输入信号为零时，三极管引脚的电流及电压的状态。静态工作点的所有物理量，都用一个下标Q来表达（quiescent，静止）。例如，在静态工作时常用的几个物理量可以表示为：

  静态时基极电流：
  静态时集电极电流：
  静态时基极与发射极电压（发射结压降）：
  静态时管压降：
  观察9014的特性曲线，需要选择一个区域，在这个区域内，ic的变化量只取决于ib的变化量，与Uce没有关系。

  需要注意输入信号的变化将导致基极电压的变化。交直流叠加状态下，发射结压降

  直流的电压需要保证叠加了变化着的交流电压的时候，三极管仍然处于放大区。

放大倍数的计算

  先说结论，共射极放大电路的放大倍数可以由集电极与发射极的电阻比值决定：

  对于此电路来说就是：

  如果需要5倍放大，那么R2的值就是R4的值的5倍。
  这个结论的推导过程并不像数学推导一样严密，结合了工程实践，有些因素对结果影响较小，就省略了。还有些值是取了个范围。以下为推导过程：

放大倍数Av=Vo/Vi
  Vo是输出电压，由于耦合电容C2的存在，直流分量通不过，只有变化着的交流分量可以通过，所以Vo就是集电极的电压变化量△Vc 。
  由于分析交流通路的时候，认为Vcc与GND是同一个点，所以△Vc同时也是R2上电压的变化量。△Vc=△ic×R2
  分析交流通路时，C1与发射极均认为是短路，所以输入信号Vi相当于直接接在R4上。VI=△ie×R4
  三极管处于放大区时，ic=β×ib，β是三极管的放大倍数，一般来说是几十到几百，即基极电流远小于集电极电流，所以忽略基极电流，那么Vo/Vi≈R2/R4

阻容器件的取值

  先根据手册，取一个合适的集电极电流。我使用了9014的三极管，取Ic为1mA，也可以取别的值，不同的Ic与放大倍数，Vce，以及频率响应都有关系。此处1mA主要考虑功率小点。此时放大倍数为200多一点。那么基极电流就是5uA左右。

  取R4上的电压为0.5 V，那么R4的值为500Ω，取标称为470欧姆。那么R2可以取值为2.4K。
  流过R1与R3的电流要远大于基极电流，否则在分析的时候就不能认为基极电流可以忽略，也不能用分压公式来大致计算出R1与R3的电阻值。由于发射结的压降为0.6V，所以基极的直流电压为1.1V，可以确定出R1与R3的比值。此处取R1为39K，R3为10K。
  两个电容都与频率相关，在工作频率下电容的等效容抗应尽可能小。此案例取值为1uF。
这个电路的输入阻抗为R1//R3，输出阻抗为R2。

关键波形观察

  下图展示了电路对1Khz，100mV正弦波的放大效果。

  输入耦合电容C1左右波形对比，可以看出输入的交流信号几乎无损通过了C1，到达基极时被直流分量抬高了1V多一点。

  基极发射极波形对比，可以看出交流成分几乎无损通过了发射结。直流成分经过发射结时有0.6V的压降。

  发射极与集电极波形对比，三极管将电压的变化量反相放大了5倍。