初級模擬電路：3-4 共基放大電路（直流分析）

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      一個典型的BJT共基極放大器電路以下圖所示：

圖 3-4.01 

      輸入端口v_i和輸出端口v_o共用BJT的基極端子，V_EE和R_E構成發射結的偏置電壓，V_CC和R_C構成集電結的偏置電壓。和上小節的共基組態相比，輸入端和輸出端多了兩個耦合電容C₁和C₂，稍後咱們會解釋這兩個電容的做用。

      下面咱們一步一步對這個共基放大電路進行詳細分析。

 

1.   耦合電容

      通常來講，咱們須要放大的原始信號一般爲天然的不規則變化信號，並且原始信號的幅值很是微小（mV或uV級），在0V上下的很小範圍內波動，以下圖所示：

圖 3-4.02 

      根據信號分析理論，任何不規則的非週期信號均可以由一系列幅值和頻率不一樣的正弦信號疊加獲得。所以，只要分析了某個特定的正弦輸入信號通過放大器後的輸出信號的放大倍數，那麼，放大電路對其餘全部頻率和幅值的正弦信號都應遵照這個放大倍數。輸出信號無非是對這一系列被放大的正弦信號的線性疊加，所以，輸出的不規則信號也會被放大相同倍數。

      因爲正弦信號一般又稱爲「交流信號」，故咱們將放大電路對正弦輸入信號的放大倍數，稱爲「交流放大倍數」。

      但問題是，這樣微弱的信號，若是不加偏置電壓，直接鏈接到共基組態電路的輸入端，BJT是沒法工做的，由於在輸入信號正半周，雖然發射結正偏，但輸入信號幅值一般遠小於0.7V，沒法使發射結導通；而在信號負半周，發射結更是進入反偏狀態，徹底沒法工做。最好是將這個輸入信號疊加在0.7V左右的直流電平上，使發射結可以正偏且產生必定的電流，以下圖所示：

圖 3-4.03 

      回憶電容器的特性：電容阻礙直流電流經過，對直流信號至關於開路；可是對於交流信號至關於短路，具備「隔直通交」的特性。所以，這就是耦合電容C₁的做用，它能夠將交流信號耦合疊加在一個獨立的直流偏置電源上，以下圖所示：

圖 3-4.04 

      至於電容C₁的值取多大，這個取決於你要放大多高頻率的輸入信號，這個咱們在後面講頻率響應的章節再詳細講。如今你能夠當這個電容爲一個理想的「隔直通交」器件：

      如此這般，就能夠在共基電路的發射結上，產生0.7V上下微小正弦波動的電壓（V_BE），進而使發射極電流I_E也產生這樣的上下正弦波動。以下圖所示：

圖 3-4.05 

      通常0.7V的標準電源不太好找，咱們能夠用一個容易獲得的標準電源（好比5V），再加一個分壓電阻來獲得咱們須要的0.7V偏置，至於這個分壓電阻阻值取多大，這個在下面的靜態工做點分析中會講。

 

2.   靜態工做點

 

（1） 輸入靜態工做點

      咱們將共基放大電路重畫於下，在直流分析（靜態分析）時，可將動態輸入電壓v_i視爲0。

圖 3-4.06 

      對於輸入端，在BJT的發射結正偏狀態下，發射結可視爲一個二極管PN結，咱們採用簡化分析模型，通常假設V_BE固定爲0.7V。

      在輸入迴路可得：

      上式的I_E即爲輸入端的靜態工做電流，在上式中咱們能夠取合適的R_E，而獲得一個比較合理的I_E值（通常爲幾個毫安級）。

 

（2） 輸出靜態工做點

      輸出靜態工做點，即爲求I_C和V_CB，因爲I_C≈I_E，所以，主要任務是求V_CB。輸出迴路的電壓電流關係以下圖所示：

圖 3-4.07 

      在輸出迴路可得：

      在實際計算中，常可用I_E近似I_C代入上式進行計算。

案例3-4-1： 求如下共基電路的靜態工做點：I_E、V_CB、I_B

解： 對於輸入迴路：

      對於輸出迴路：

      最後再來求I_B：

 

3. 信號放大原理簡述

 

（1） 正常放大

      在掌握了輸入輸出靜態工做點的計算方法後，如今咱們來簡要地看一看共基放大電路是如何放大電壓信號的，咱們將前面的共基放大電路重畫於下，先看輸入部分：

圖3-4.09 

      假設輸入信號v_i爲微小正弦信號，表達式爲：

      在靜態工做點的時，E點的電壓V_E爲-0.7V，如今因爲疊加了輸入微小正弦電壓v_i，所以如今E點的電壓爲在-0.7V的上下微小動態變化，寫成數學表達式就是：

      此時，v_BE即爲：

      （注意：原來在直流分析時咱們用的都是大寫的V表示直流電壓，如今因爲E點電壓中在原來的直流基礎上疊加了一個微小正弦交流份量，故按通常電路表示慣例：用小寫的v表示既包含直流成份也包含交流成份的總電壓，下標仍舊不變用大寫。）

      那麼，輸入端的總電流i_E寫成數學表達式即爲：

      從上式能夠看出，輸入總電流i_E即爲先前算出的靜態輸入電流I_E加上一個動態的交流成份，在輸入伏安特性曲線圖上可表示以下：

圖3-4.10 

      再來看輸出部分，以下圖所示：

圖3-4.11 

      輸出總電壓v_CB的表達式爲：

      前面說過，在輸出分析時，咱們能夠用到i_C≈i_E的關係式，那麼將i_E代入上式可得：

      最終的輸出電壓v_o爲v_CB經過C₂去耦（去除直流成份）後，剩餘的交流部分，即：

      可見，最終輸出電壓vO相比輸入電壓v_i放大了R_C/R_E倍，咱們能夠經過選取合適的R_C和R_E的阻值，來獲得咱們須要的放大倍數。

      在輸出伏安特性曲線圖上，也能夠看出相似的結果：

圖3-4.12 

      在上圖中，Q點是直流輸出靜態工做點，在1-4小節負載線分析時咱們講過，對於含非線性器件的迴路（這裏能夠將v_CB-i_C看做是一個非線性器件），因爲它必須遵照歐姆定律，因此它的電壓和電流一定在「負載線」上移動（上圖中的斜直線）。至於具體在負載線上哪一個位置，由瞬時電流i_E決定：對於波動電流i_E，在每個瞬間，都有一個不一樣的瞬時電流值，這個瞬時電流值對應着輸出特性圖上一條惟一的輸出曲線。這條輸出曲線與前面的負載線的交點，即爲每個瞬間「輸出電壓v_CB」和「輸出電流i_C」的值。

      在上圖中能夠看到，當輸出電流i_c在靜態工做點I_CQ上下波動時，使得輸出電壓v_CB也在靜態工做點V_CBQ上下產生波動，最終產生了放大了的波動輸出電壓v_CB。

 

（2） 飽和區

      術語「飽和」（saturation）是指某個量已達系統容許的最大值，不能再大了。對於放大電路來說，當輸出電壓v_CB增大到必定上限後，不能再按比例放大輸入信號，此時稱BJT晶體管進入飽和區。咱們來看下圖：

圖3-4.13 

      前面咱們說過，輸出電流i_C和輸出電壓v_CB必須在負載線和各輸出特性曲線的交點上。在上圖中咱們能夠看到，當i_C增大到圖中的飽和點時，雖然理論上還能夠沿負載線繼續增大，但因爲BJT固有的輸出特性曲線的限制，沒法再與特性曲線相交了，故上圖中的「飽和點」即爲電路中i_C容許的最大值，再往左的區域i_C已經沒法繼續增大了，故稱爲飽和區。

      對於放大電路來說，靜態工做點Q點的設計是很是重要的。咱們應該使Q點儘可能靠近放大區的中間位置，這樣能使放大電路最大限度範圍地放大輸入信號；若是Q點設計位置不當，會使放大電路的放大範圍很是狹窄，咱們看下圖：

圖3-4.14 

      在上圖中Q點過於靠左，這樣會使得i_C很容易到達飽和點而沒法繼續增大，最終致使輸出電流i_C和輸出電壓v_CB波形變形。

      事實上，在共基放大電路中，因爲i_E≈i_C，i_C受限會致使輸入端的i_E也跟着受限而沒法繼續增大，進而致使電阻R_E上的電壓也沒法隨着輸入波動電壓的增大而增大，這些增量的輸入電壓最後都會加到晶體管的發射結上，太高的發射結電壓會致使晶體管損壞。

     

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（ end of 3-4 ）