共发射极放大器的必备知识点

NPN晶体管最常见的放大器配置是共发射极放大器电路
晶体管放大器放大的交流输入信号之间的一些正值和相应的负值交替。然后需要一些方法来“预置”放大器的电路配置，以便晶体管能够在这两个最大值或峰值之间工作。这可以通过一个叫做偏置的过程来实现。
偏置在放大器设计中非常重要，因为它确定了准备接收信号的晶体管放大器的正确工作点，从而减少了对输出信号的任何失真。
此外，使用静态或直流负载线绘制到一个放大器的输出特性曲线允许我们看到所有可能的工作点晶体管从完全“ ON”到完全“ OFF”，并可以找到静态工作点或 q 点的放大器。
任何小信号放大器的目标都是以尽可能小的失真量放大所有的输入信号，换句话说，输出信号必须是输入信号的精确再现，但只是放大(放大)。
为了获得低失真时，作为一个放大器的工作静态点需要正确选择。这实际上是放大器的直流工作点，它的位置可以通过适当的偏置安排在负载线的任何一点上确定。
这个 q 点的最佳位置是尽可能接近负载线的中心位置，因此生产 a 类放大器的运作，即。Vce = 1/2Vcc.考虑下面所示的共发射极放大器电路。
共发射极放大电路


上面所示的单级共射放大器电路使用的是通常所说的“电压分压偏置”。这种类型的偏置安排使用两个电阻器作为一个电位分压网络的电源，其中心点向晶体管提供所需的基极偏置电压。分压偏置是双极性晶体管放大器电路设计中常用的方法。


这种偏置晶体管的方法大大降低了变化的贝塔，(β)的影响，通过保持在一个恒定的稳定电压水平的基础偏置，以获得最佳的稳定性。
静态基极电压(Vb)由两个电阻 R1、 r2和电源电压 Vcc 组成的电位分压网络决定，如图所示，电流通过两个电阻。
总电阻 RT 等于 R1 + R2，电流为 i = Vcc/RT。在电阻器 r1和 r2的交界处产生的电压水平使基准电压(Vb)保持在低于电源电压的一个值。
共发射极放大电路中使用的电位分配器网络按电阻比例分配电源电压。这个偏置基准电压可以很容易地用下面的简单分压器公式计算出来:
晶体管偏置电压


同样的电源电压，(Vcc)也决定了最大集电极电流，当晶体管开关完全“ ON”(饱和) ，Vce = 0。晶体管的基极电流 Ib 来自晶体管的集电极电流、集电极电流和直流电流增益 β。
贝塔值


晶体管的 Beta 值，在数据表中有时被称为 hFE，定义了晶体管在共同发射极配置中的正向电流增益。贝塔是在生产过程中内置在晶体管中的一个电参数。贝塔(hFE)没有单位，因为它是两个电流(Ic 和 Ib)的固定比例，所以基极电流的一个小变化就会引起集电极电流的一个大变化。
关于 Beta 的最后一点。相同类型和零件号的晶体管的 Beta 值会有很大的差异。例如，BC107 NPN 双极性晶体管的直流电流增益 β 值在110到450之间(数据表值)。因此，一个 bc107可能有110的贝塔值，而另一个可能有450的贝塔值，但他们都是 BC107 npn 晶体管。这是因为 β (β)是晶体管结构的固有特性，而不是其运行的特性。
由于基极/发射极结是正向偏置的，发射极电压 Ve 将是与基极电压不同的一个结电压降。如果发射极电阻上的电压已知，那么发射极电流就可以用欧姆定律简单地计算出来。集电极电流 Ic 可以近似，因为它与发射极电流的值几乎相同。
共发射极放大器示例1
共发射极放大电路具有负载电阻，RL 为1.2 kω，供电电压为12 v。假设 Vce = 0，计算当晶体管完全开关(饱和)时流过负载电阻的最大集电极电流(Ic)。还要找出发射电阻的值，如果电压降为1v，则为 RE。计算值的所有其他电路电阻假设一个标准 NPN 硅晶体管。


然后在特性曲线的集电极电流垂直轴上建立“ a”点，当 Vce = 0时发生。当晶体管是开关完全“关闭”，没有电压下降跨越电阻器 RE 或 RL，因为没有电流通过他们。然后整个晶体管的电压降，Vce 等于电源电压，Vcc。这就在特性曲线的水平轴上建立了“ b”点。
一般来说，放大器的静态 q 点是在零输入信号作用于基极的情况下，所以集电极大约在零伏特和电源电压(Vcc/2)之间的负载线上。因此，放大器 q 点的集电极电流如下:


这条静态直流负荷线产生一个直线方程，其斜率为:-1/(RL + RE) ，并且它与垂直 Ic 轴在一个等于 Vcc/(RL + RE)的点上交叉。Q 点在直流负载线上的实际位置由 Ib 的平均值确定。
作为集电极电流，晶体管的集电极电流也等于晶体管的直流增益(Beta) ，乘以基极电流(β * Ib) ，如果我们假设晶体管的 β (β)值为100，(100是低功率信号晶体管的合理平均值) ，流入晶体管的基极电流 Ib 将被给出如下:


与使用单独的基极偏置电源不同，通常通过一个跌落电阻 r1从主电源导轨(Vcc)提供基极偏置电压。现在可以选择 r1和 r2电阻器，给出适当的静态基电流45.8 μA 或46μa 四舍五入到最接近的整数。流过电位分压器电路的电流必须比实际的基极电流 Ib 大，这样分压器网络就不会受到基极电流的负载。
一般的经验法则是流过电阻器 r2的 Ib 值至少是 Ib 值的10倍。晶体管基极/发射极电压，Vbe 固定在0.7 v (硅晶体管) ，那么这个值为 R2:


如果流过电阻器 r2的电流是基极电流的10倍，那么流过分压器网络中电阻器 r1的电流必须是基极电流的11倍。也就是: IR2 + Ib。
因此，电阻 r1上的电压等于 Vcc-1.7 v (硅晶体管为 VRE + 0.7) ，等于10.3 v，因此 r1可以计算为:


用欧姆定律可以很容易地计算出发射电阻、 RE 的值。通过的电流是基极电流、 Ib 和集电极电流 Ic 的组合，给出如下:


电阻器，RE 被连接在晶体管发射极端子和地之间，我们之前说过在它上面有一个1伏特的电压降。因此，发射器电阻 RE 的值计算如下:


因此，就我们上面的例子而言，给出5% 公差(E24)的电阻器的首选值是:


然后，我们原来的共发射极放大器电路可以重写，以包括我们刚才计算的上述元件的值。
完成共发射极电路


放大器耦合电容器
在共发射极放大器电路中，采用 c1和 c2电容器作为耦合电容器，将交流信号与直流偏置电压分离。这样可以确保为电路正常工作而设置的偏置条件不会受到任何附加放大器级的影响，因为电容器只能通过交流信号并阻断任何直流元件。然后将输出的交流信号叠加到以下各级的偏置上。也是一个旁路电容器，CE 包括在发射端电路。
这种电容器在直流偏置条件下是一种有效的开路元件，这意味着偏置电流和电压不受电容器的加入的影响，保持了良好的 q 点稳定性。
然而，这种并联旁路电容器由于其电抗而有效地成为发射电阻高频信号的短路。因此，只有 RL 加上一个非常小的内阻作为晶体管负载增加电压增益到最大。一般来说，选择旁路电容器的值，即 CE，以提供最多的电抗，在最低工作信号频率下 RE 值的1/10。
输出特性曲线
好的，到目前为止还不错。我们现在可以构造一系列的曲线来显示集电极电流，集电极对集电极/发射极电压的电流，基极电流不同的 Vce，简单的共发射极放大电路的 Ib。
这些曲线被称为“输出特性曲线”，用来显示晶体管将如何在其动态范围内工作。在负载电阻 RL 为1.2 kω 的曲线上绘制一条静态或直流负载线，以显示所有可能的晶体管工作点。
当晶体管被切换为“ OFF”时，Vce 等于电源电压 Vcc，这是线路上的点“ b”。同样，当晶体管是完全“开”和饱和的集电极电流是由负载电阻决定的，RL 和这是点“ a”在线。
我们之前从晶体管的直流增益计算出，晶体管平均位置所需的基极电流为45.8 μA，这被标记为负载线上的 q 点，表示放大器的静态点或 q 点。我们可以很容易地让自己的生活变得简单，并且将这个值整到50μa，而不会对操作点产生任何影响。
输出特性曲线


负载线上的 q 点给出的基准电流 q 点为 Ib = 45.8 μA 或46μa。我们需要找到最大和最小峰值摆动的基础电流，将导致成比例的变化，集电极电流，集成电路没有任何失真的输出信号。
当负载线穿过直流特性曲线上不同的基极电流值时，我们可以发现基极电流的峰值波动在负载线上的间隔是相等的。这些值标记为直线上的点“ n”和点“ m”，给出最小和最大基极电流分别为20μa 和80μa。
这些点，“ n”和“ m”可以沿着我们选择的载荷线的任何地方，只要它们与 q 之间的间距相等。然后给出了一个理论上最大输入信号峰峰值为60μa，(30μA 峰值)的基本终端，并且输出信号没有任何失真。
任何输入信号的基极电流大于这个值将驱动晶体管超过点“ n”，进入其“截止”区域或超过点“ m”，并进入其饱和区域，从而导致失真的形式的“削波”输出信号。
以“ n”和“ m”点为例，从负载线投影出集电极电流的瞬时值和相应的集电极-发射极电压的瞬时值。可以看出，集电极-发射极电压与集电极电流处于反相(- 180o)。
当基极电流 Ib 从50μa 正向变化到80μa 时，集电极-发射极电压，也就是输出电压，从5.8伏的稳态值降低到2.0伏。
然后，一个单级共射放大器也是一个“反相放大器”，因为基准电压的增加导致 Vout 的下降，而基准电压的下降导致 Vout 的上升。换句话说，输出信号与输入信号180o 相位不一致。
共发射极电压增益
共射放大器的电压增益等于输入电压变化与放大器输出电压变化的比值。然后 ΔVL 是 Vout，ΔVB 是 Vin。但是电压增益也等于集电极中的信号电阻与发射极中的信号电阻之比，给出如下:


我们前面提到过，当信号频率增加旁路电容时，毛细管电泳开始短路发射电阻由于其电抗。然后在高频下 RE = 0，使增益无穷大。


然而，双极晶体管在发射极区域内部有一个很小的内阻，叫做 Re。晶体管半导体材料对流过它的电流提供内阻，通常用在主晶体管符号内显示的一个小电阻符号来表示。
晶体管数据表告诉我们，对于小信号双极晶体管，这个内阻是25mv Ie 的产物(25mV 是穿过发射极结层的内部伏特下降) ，那么对于我们的共用发射极放大器电路，高于这个电阻值的值等于:


这个内部发射极电阻将与外部发射极电阻 RE 串联，然后晶体管实际增益的方程将被修改为包含这个内部电阻，所以:


在低频信号下，发射极支路的总电阻等于 RE + RE。在高频时，旁路电容短路发射电阻，只留下内阻 Re 在发射器支路，导致高增益。然后对于我们上面的共发射极放大器电路，电路的增益在低和高信号频率都给出如下:
低频增益


高频增益


最后一点，电压增益仅取决于集电极电阻、 RL 和发射极电阻的值，(RE + RE)不受晶体管电流增益 β、 β (hFE)的影响。
因此，对于上面的简单例子，我们现在可以总结出我们已经计算出的共射极放大器电路的所有值，这些值是:

基流	20μA	50μA	80μA
集电极电流	2.0mA 2.0 mA	4.8mA 4.8 mA	7.7mA 7.7 mA
输出电压摆动	2.0V 2.0 v	5.8V 5.8 v	9.3V 9.3 v
放大器增益	-5.32		-218

共发射极放大器综述
然后总结一下。共发射极放大器电路的集电极电路中有一个电阻。流过这个电阻器的电流产生放大器的电压输出。选择这个电阻的值，使得在放大器静态工作点，q 点的输出电压位于晶体管负载线的一半。
用于共射极放大器的晶体管基极使用两个电阻器作为电位分频网络进行偏置。这种类型的偏置安排通常用于双极性晶体管放大器电路的设计，通过将基极偏置保持在恒定的稳态电压，大大降低了变化的 β，(β)的影响。这种类型的偏置产生最大的稳定性。
在电压增益为 -RL/RE 的情况下，可以在发射极腿中包含一个电阻器。如果没有外部发射极电阻，放大器的电压增益就不是无穷大，因为在发射极端有一个很小的内阻，即 Re。这个内阻值等于25mv/IE
在关于晶体管放大器的下一个教程中，我们将看到通常称为 JFET 放大器的结场效应放大器。和晶体管一样，JFET 用于单级放大器电路，使其更容易理解。有几种不同的场效应晶体管，我们可以使用，但最容易理解的是结场效应晶体管，或 JFET，具有非常高的输入阻抗，使其成为放大器电路的理想选择。
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