什么是共射放大器?手把手教你設(shè)計共射放大器
今天給大家分享一篇關(guān)于晶體管共射極放大器電路的文章(來源于凱尼克斯)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202407/461414.htm主要是以下幾個方面:
共射極放大電路工作原理
共射極放大電路設(shè)計步驟
共射極放大電路分析
共射極放大電路性能參數(shù)
共射極放大電路改進
增加放大倍率
低壓電源電路
差動輸出電路
調(diào)諧放大電路
眾所周知,晶體管是電流控制器件。例如,通過改變基極電流來控制集電極-發(fā)射極電流。在一般的電壓放大場合,這種放大效果來自于使用電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓。
在小信號模型中,基極電流的來源是輸入電壓與基極-發(fā)射極動態(tài)電阻(Rbe)的比值,通常為 kΩ,所以基極電流很小,可能只有零點幾毫安。
通過晶體管的放大,在集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生β倍的基極電流。這篇介紹晶體管在共射極放大電路中的工作原理。
一、共射極放大電路原理
下圖為共射極放大電路,下面為共射極放大電路公式
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
△Vi/rbe=△ib
因此,集電極產(chǎn)生β倍ib的電流:
△ie=β△
ib輸出電壓可由相對正電源電位得到:
△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
晶體管共射極放大器電路
我們可以通過交流耦合和控制集電極電阻Re得到一個反相放大的電壓信號,但一般發(fā)射極都會有一個電阻來控制增益,所以上面的公式是不實用的。
在非極端情況下設(shè)計電路時,我們常常希望電路能與大多數(shù)通用晶體管一起工作,避免依賴于元件參數(shù)的參數(shù)如rbe,同時,在具體計算中考慮基極電流也很麻煩。
因此,在一般的設(shè)計過程中,在近似計算中忽略了基極電流的存在(在某些電路中,雖然忽略了基極電流,但仍然需要給基極一定的電流驅(qū)動,才能使電路正常工作)。
此外,基射管壓降VBE也是一個很重要的參數(shù),一般等于0.6V(硅管)。晶體管電路的參數(shù)都可以根據(jù)VBE=0.6V和歐姆定律得到。
晶體管電路的繁瑣部分在于靜態(tài)工作點的設(shè)置。通常,粗心的設(shè)計會導(dǎo)致輸出波形的削波和失真??傮w設(shè)計思路是:定量確定電壓和電流來計算電阻。
二、共射極放大電路設(shè)計
共射放大電路是典型的反相放大器,應(yīng)用范圍廣,效果穩(wěn)定。這里先展示整體的設(shè)計思路,然后分步說明設(shè)計的目的和原則。
2.1 設(shè)計步驟
1) 確定電源電壓VCC
根據(jù)頻率曲線/噪聲曲線/其他確定靜態(tài)發(fā)射極電流IE。
2)確定VE
這里選擇1~2V 來吸收溫度漂移
3)根據(jù)VE和IE,計算發(fā)射極靜態(tài)電阻RE(IE≈IC)
4)確定放大倍數(shù)Av
應(yīng)用關(guān)系式Av=RC/RE計算靜態(tài)集電極電阻RC,至此,靜態(tài)工作點已經(jīng)建立。
5)檢查靜態(tài)工作點是否滿足要求
正輸出擺幅限制=VCC-IE·RC,負輸出擺幅限制=IE·RC-VE。
需要保證放大后的輸出電壓不超過擺幅限制(通常擺幅限制較大)。如果 RC 太大,就會出現(xiàn)下行削波,小 RC 也是如此。另外,判斷功率是否超限:PC=VCE·IC。
6)確定基極偏置電壓
根據(jù)VBE=0.6V,容易得到VB=VE+0.6(通過電阻分壓來自電源的電壓)。由于 ib 被認為很小且可以忽略不計,因此流過基極分壓電阻(上圖中的 R1、R2)的電流 IB0 應(yīng)該比 ib 大得多。
ib 近似計算為IC/β,而IB0 大約比ib 大一個數(shù)量級,所以R2=VB/IB0,R1=(VCC-VR2)/IB0。
7)最后確定交流耦合電容值和電源去耦電容值
我們先用一個設(shè)計好的共射放大電路來直觀地了解下部分的波形:
晶體管共發(fā)射極放大器電路設(shè)計
如上圖所示,電路采用2SC2240管,15V供電,輸入輸出交流耦合。輸出信號如下:
通道信號波
淡藍色波形為輸入信號,選擇1kHz、1Vpp 的正弦波。
綠色波形是輸出信號,放大5 倍左右,反相。
藍色波形是基極信號,可以看出是因為受基極偏置電阻的影響,直流電平升高。
紅色波形是發(fā)射極信號,與基極信號只有一個固定值。
2.2 共射放大器電路分析
首先,進行直流分析,即確定靜態(tài)工作點。在最初的設(shè)計過程中,靜態(tài)工作點的設(shè)計和驗證也是最先進行的。根據(jù)基極偏置電阻可以很容易地計算出基極的靜態(tài)電位,而發(fā)射極的靜態(tài)電位可以根據(jù)基極-發(fā)射極管的電壓降作為常數(shù)來確定。
因此,根據(jù)發(fā)射極電阻的大小,可以得到集電極-發(fā)射極電流的大小,進而可以從電源電壓中得到集電極靜態(tài)電位。
為什么靜態(tài)工作點很重要?
拿NPN晶體管來舉例,相當(dāng)于兩個背靠背的二極管。如果需要二極管工作,則必須給它適當(dāng)?shù)钠靡允蛊浜侠韺?dǎo)電。在電路中,基-集二極管防止內(nèi)部反饋,基-射二極管是實現(xiàn)放大的關(guān)鍵。換句話說,只要設(shè)計一個外部電路,使電流在基極-發(fā)射極二極管中正常流動就足夠了。
接著,求交流電壓增益。當(dāng)輸入電壓變化△vi時,會引起發(fā)射極電流產(chǎn)生交流變化△ie。由于基極發(fā)射極壓降是恒定的,它對交流變化沒有貢獻,所以△ie=vi/RE。
因此,發(fā)射極交流輸出電壓可以確定為vo=△ieRC=vi·RC/RE,交流增益為Av=RC/RE。這個結(jié)論可以快速分析共射極電路的放大倍數(shù)。
輸出電源軌分別為VCC和VE,由工作時晶體管的電流特性決定。根據(jù)輸出電源和交流放大系數(shù),可以使用該電路。當(dāng)輸入和輸出不是交流耦合時,輸入(尤其是直流)會導(dǎo)致輸出波形失真。
2.3 共射極電路設(shè)計
了解電路特性后,就可以按照上面的設(shè)計步驟設(shè)計共射極電路了。靜態(tài)工作點和放大倍數(shù)在分析時已經(jīng)確定,其他部分設(shè)計如下。
電源電壓:根據(jù)輸出電壓的擺動,我們可以確定電壓的大小。通常電源電壓大于輸出峰峰值。
晶體管:根據(jù)工作頻率、所需功率、噪聲水平和 β 等選擇合適的晶體管。
發(fā)射極電流:根據(jù)頻率特性,查閱器件手冊確定發(fā)射極電流的大小。
RC 和 RE:由發(fā)射極電壓和電流、倍率決定,注意查看擺幅上下限和額定功率。
基極偏置電阻:VB根據(jù)VE確定,從而確定電源的分壓電阻。請注意,流經(jīng)分壓電阻的電流應(yīng)比基極電流高一到兩個數(shù)量級。基極電流是通過將集電極-發(fā)射極電流除以 β 來計算的。
耦合電容:交流耦合電容一般為10uF。注意輸出級的耦合電容和下一級的輸入阻抗會形成一個高通濾波器。
2.4 共射放大器電路性能參數(shù)
通過交流分析的方法,可以得到所設(shè)計電路的一些特征參數(shù),如輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等。
輸入阻抗:根據(jù)交流分析,輸入阻抗是基極偏置電阻的并聯(lián)值。在小信號分析中,基極發(fā)射極動態(tài)電阻rbe也應(yīng)并聯(lián)。
輸出阻抗:確定輸出阻抗的方法是給電路加一個負載。當(dāng)峰峰值輸出值降至空載的一半時,負載阻抗即為輸出值。一般共射極放大電路的輸出阻抗為集電極電阻RC。
放大:由于基極電流的影響,實際放大倍率比設(shè)計值低10%左右。
三、共射極放大電路擴展
通過改進通用的共射極放大電路,可以獲得具有其他特性的各種應(yīng)用電路。下面將介紹放大的手段、低壓電源電路、差動輸出電路、調(diào)諧放大電路。
3.1 增加放大倍率
根據(jù)共射放大器電路設(shè)計電路的介紹,電壓增益主要由集電極電阻RC與發(fā)射極電阻RE之比決定,所以改變電阻的比例來改變增益是很常見的。
但是,問題來了:這兩個電阻同時負責(zé)確定工作電流。因為任意改變直流工作點,電路很可能失真甚至不工作。
從另一個角度來看,電壓增益屬于“交流分析”的范疇,靜態(tài)工作點屬于“直流分析”的范疇。所以在電路中加入一些電抗元件來改變交流視角下的比例,直流分析時的電阻值不會改變。
這可以通過將發(fā)射極電阻并聯(lián),或者使電阻與電容并聯(lián)來實現(xiàn),即修改第一節(jié)中的電路:
共射極放大器電路
注意上圖中的發(fā)射器。在交流分析中,電阻R4被電容短路,此時等效地認為發(fā)射極電阻只有R7(330Ω)。從信號源和示波器看,此時信號已經(jīng)放大了近50倍,遠大于原設(shè)計值(10k/2k=5),從而實現(xiàn)電壓增益的擴大。
如果原發(fā)射極電阻不分流,而是整個電容并聯(lián),此時會得到最大增益βRC/rbe。
如何選擇電容值?需要注意的是,電容并聯(lián)后,整個電路會有高通特性,截止頻率為f=1/2πRC。
如果不需要這種高通特性,C電容值可以選擇47uF~100uF之間較大的值。此外,電容C6具有溫度補償功能。
3.2 低壓低損耗電路
如果運放電路用干電池(1.5V)供電,那不太現(xiàn)實,但晶體管電路可以。關(guān)鍵是利用外部二極管的導(dǎo)通壓降來抵消基極-發(fā)射極電壓。
下圖電路即使在 1.5V 電源下仍能按設(shè)計放大小信號:
共射極放大器電路
但缺點是系統(tǒng)的最大電壓總是低于供電電壓。由于電路損耗小,適用于低功耗。
3.3 差分輸出電路
全差分運放可以提供雙模輸出,很多傳輸線也需要差分傳輸。晶體管電路也可以執(zhí)行差分輸出。除了共射極放大電路的原理外,還采用射極跟隨器的原理。下圖顯示了差分輸出的電路連接。
共射極放大器電路
可以看出,輸出了兩個形狀相同、相位相反的差分信號。集電極信號與輸入信號同相,發(fā)射極輸出信號與輸入信號同相。但是,由于引出位置不同,兩個信號的輸出阻抗也不同。反相輸出的輸出阻抗較高(RC),同相輸出的輸出阻抗較低,適合驅(qū)動負載。
反相輸出一般在驅(qū)動前連接到射極跟隨器。此外,基極的靜態(tài)電位應(yīng)盡可能設(shè)置在VCC和GND之間,以擴大不失真的輸出范圍。
3.4 濾波和調(diào)諧放大器電路
在電路中引入電抗元件會導(dǎo)致電路的特性隨頻率而變化,我們可以利用這個特性來設(shè)計高頻電路中常用的LPF、HPF和調(diào)諧放大器。
實際上,它是利用電抗元件的阻抗隨頻率變化的特性,進而改變當(dāng)前頻率下的電壓增益。
諧振頻率處的阻抗往往是純阻性的,具有極值以實現(xiàn)頻率選擇性放大。下圖顯示了特定頻率下的低通、高通和頻率選擇放大器:
1) LPF-低通濾波器
低通濾波器
如圖所示,構(gòu)建了一個低通濾波器(波特測試儀的輸入端放置在基極而不是信號發(fā)生器的輸出端,因為輸入耦合電容會與輸入電阻形成高通濾波器,影響觀察效果),其截止頻率約為1.06kHz,由f=1/2πRcC計算得出。
從正弦穩(wěn)態(tài)分析可知,RC并聯(lián)回路的阻抗為R/√(1+(wRC)^2)。隨著頻率的增加,阻抗減小,因此電壓增益減小,形成低通特性。
2)HPF-高通濾波器
高通濾波器
如上圖所示,構(gòu)建了一個高通濾波器,其截止頻率的計算與LPF類似。在增益峰值點,電壓增益達到50dB,接近晶體管的β值。然后,由于晶體管頻率特性的惡化,增益會衰減。
3)10.7MHz-頻率選擇放大器
頻率選擇放大器
用諧振頻率為10.7MHz的LC網(wǎng)絡(luò)代替RC,可以得到頻率選擇放大器。如上圖所示,10.7M時放大倍數(shù)為35dB,而失諧1MHz時放大倍數(shù)僅為12.6dB。
缺點是通帶稍寬,矩形系數(shù)不夠好,環(huán)路等效品質(zhì)因數(shù)在65.2左右,比較大。另外,高頻去耦電容改為1uF。
4)諧振放大器電路
諧振放大器電路示例
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