共用发射极放大器电路、电压案例及曲线增益总结

NPN晶体管最常见的放大器配置是公共发射极放大器电路

在之前的放大器教程介绍中，我们看到一系列曲线通常称为输出特性曲线，将晶体管集电极电流（ Ic ）与其集电极电压（ Vce ）相关联，以获得不同的晶体管基极电流值（ Ib ）。

所有类型的晶体管放大器均使用交流信号输入工作，交流信号输入在正值和负值之间交替因此需要一些“预置”放大器电路以在这两个最大值或峰值之间工作的方法。这是使用称为偏置的过程实现的。偏置在放大器设计中非常重要，因为它建立了准确接收信号的晶体管放大器的正确工作点，从而减少了输出信号的任何失真。

我们还看到静态或直流负载线可以在这些输出特性曲线上绘制，以显示晶体管从完全“接通”到完全“断开”的所有可能工作点，以及放大器的静态工作点或Q点可以找到。

任何小信号放大器的目的都是放大所有输入信号，使输出信号的失真量最小，换句话说，输出信号必须精确再现输入信号但只是更大（放大）。

为了在用作放大器时获得低失真，需要正确选择工作静态点。实际上，放大器的直流工作点及其位置可以通过合适的偏置装置在负载线的任何位置建立。

此Q点的最佳位置接近于尽可能合理地加载负载线的中心位置，从而产生A类放大器操作，即。 Vce = 1 / 2Vcc 。考虑下面显示的公共发射极放大器电路。

公共发射极放大器电路

上面所示的单级共射极放大器电路使用通常所说的“分压器偏置”。这种类型的偏置装置使用两个电阻器作为电源两端的分压器网络，其中心点为晶体管提供所需的基极偏置电压。分压器偏置通常用于双极晶体管放大器电路的设计。

这种偏置晶体管的方法大大降低了不同Beta的影响，（β）通过将基极偏压保持在恒定的稳定电压水平，从而实现最佳稳定性。静态基准电压（ Vb ）由两个电阻器形成的分压器网络决定， R1 ， R2 和电源电压 Vcc 如流过两个电阻的电流所示。

然后总电阻 R T 将等于 R1 + R2 给出电流 i = Vcc / R T 。电阻 R1 和 R2 连接处产生的电压电平将基极电压（ Vb ）保持在低于电源电压的值。

然后，共射极放大器电路中使用的分压器网络将电源电压与电阻成比例地分开。可以使用下面的简单分压器公式轻松计算此偏置参考电压：

晶体管偏置电压

当晶体管完全“接通”（饱和）， Vcc ）也决定了最大集电极电流 Ic > Vce = 0 。晶体管的基极电流 Ib 可从集电极电流 Ic 和晶体管的直流电流增益β，β中找到。

Beta值

Beta有时也称为 h FE ，这是共发射极配置中的晶体管正向电流增益。 Beta没有单位，因为它是两个电流的固定比率， Ic 和 Ib ，因此基极电流的微小变化将导致集电极电流发生很大变化。

关于Beta的最后一点。相同类型和部件号的晶体管的Beta值变化很大，例如， BC107 NPN双极晶体管的直流电流增益Beta值在110到450之间（数据表值）这是因为β是晶体管结构的一个特征而不是它的工作特性。

由于基极/发射极结是正向偏置，发射极电压 Ve 将是一个结电压降低与基准电压不同。如果已知发射极电阻两端的电压，则可以使用欧姆定律轻松计算发射极电流 Ie 。集电极电流 Ic 可以近似，因为它与发射极电流几乎相同。

公共发射极放大器示例No1

共发射极放大器电路的负载电阻 R L 1.2kΩ，电源电压 12v 。当晶体管完全“接通”（饱和）时，计算流经负载电阻的最大集电极电流（ Ic ），假设 Vce = 0 。如果它的电压降为1v，也可以找到发射极电阻 R E 的值。假设NPN硅晶体管计算所有其他电路电阻的值。

然后建立点“A” “在特性曲线的收集器当前垂直轴上，当 Vce = 0 时发生。当晶体管完全“关断”时，它们在任一电阻上都没有电压降 R E 或 R L 因为没有电流流过它们。然后，晶体管两端的电压降 Vce 等于电源电压 Vcc 。这在特性曲线的水平轴上建立了点“B”。

通常，放大器的静态Q点与基极施加零输入信号，因此收集器位于大约一半的位置沿零线与电源电压之间的负载线（ Vcc / 2 ）。因此，放大器Q点的集电极电流将给出：

此静态DC载荷线产生一个直线方程，其斜率给定为： -1 /（R L + R E ）并且它与垂直方向交叉 Ic 轴等于 Vcc /（R L + R E ）。直流负载线上Q点的实际位置由 Ib 的平均值决定。

作为集电极电流， Ic 晶体管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β（β）值为比方说100的晶体管（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 将给出如下：

通常通过降压电阻器 R1 。现在可以选择 R1 和 R2 的电阻，以提供45.8μA或46μA的合适静态基极电流四舍五入到最接近的整数。与实际的基极电流 Ib 相比，流过分压器电路的电流必须很大，因此分压器网络不会受到基极电流的影响。

一般的经验法则是流过电阻器 R2 的值至少为 Ib 的10倍。晶体管基极/发射极电压， Vbe 固定为0.7V（硅晶体管），然后将 R2 的值设为：

如果流过电阻 R2 的电流是基极电流值的10倍，那么流过电阻 R1 的电流分频器网络必须是Base电流值的11倍。即： I R2 + Ib 。

因此，电阻 R1 两端的电压等于 Vcc - 1.7v （硅晶体管的V RE + 0.7），等于10.3V，因此 R1 可以计算为：

发射极电阻的值， R E 可以使用欧姆定律轻松计算。流过 R E 的电流是基极电流， Ib 和集电极电流 Ic 的组合，是给定为：

电阻， R E 连接在晶体管发射极端子之间和地面，我们之前说过，它的电压降为1伏。因此，发射极电阻 R E 的值计算如下：

因此，对于上面的示例，选择为公差为5％（E24）的电阻的首选值为：

然后，我们上面的原始公共发射极放大器电路可以重写，以包含我们刚刚计算过的元件的值。

完成的公共发射极电路

放大器耦合电容

在公共发射极放大器电路中，电容 C1 和 C2 用作耦合电容，以将AC信号与DC偏置电压分开。这确保了为电路正确操作而设置的偏置条件不受任何额外放大器级的影响，因为电容器仅通过AC信号并阻止任何DC分量。然后将输出AC信号叠加在下一级的偏置上。此外，旁路电容 C E 包含在发射极支路中。

该电容实际上是用于直流偏置条件的开路元件，意味着偏置电流和电压不受电容器添加的影响，保持良好的Q点稳定性。

然而，这种并联的旁路电容有效地成为高频发射极电阻的短路信号由于其电抗。因此，只有 R L 加上非常小的内部电阻，因为晶体管将增加的电压增益加载到其最大值。通常，旁路电容的值 C E 被选择为提供最多的电抗， R E <的值的1/10 / sub> 处于最低工作信号频率。

输出特性曲线

好了，到目前为止还不错。我们现在可以构建一系列曲线，显示集电极电流， Ic 与集电极/发射极电压， Vce ，具有不同的基极电流值， Ib 用于我们简单的共射极放大器电路。

这些曲线称为“输出特性曲线”，用于显示晶体管如何在其动态范围内工作。在1.2kΩ的负载电阻 RL 的曲线上绘制静态或直流负载线，以显示所有晶体管可能的工作点。

晶体管切换为“OFF”， Vce 等于电源电压 Vcc ，这是线路上的“B”点。同样，当晶体管完全“导通”并且饱和时，集电极电流由负载电阻确定， R L ，这就是线上的“A”点。

我们之前通过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45.8μA，这标记为点 Q 在负载线上，表示放大器的静止点或Q点。我们可以很容易地让自己的生活更轻松，并将此值精确地舍入到50μA，而不会对工作点产生任何影响。

输出特性曲线

负载线上的点Q给出基极电流Q点Ib =45.8μA或46μA 。我们需要找到基极电流的最大和最小峰值摆幅，这将导致收集器电流成比例变化， Ic ，而不会对输出信号造成任何失真。

负载线切断直流特性曲线上的不同基极电流值，我们可以找到沿负载线等间距的基极电流峰值摆幅。这些值在线上标记为点“N”和“M”，分别给出最小和最大基极电流20μA和80μA。

这些点，“N”和“M”可以是在我们选择的负载线上的任何地方，只要它们与Q等距离。这就为我们提供了一个理论上的最大输入信号到Base端子的60μA峰峰值（30μA峰值），而不会对输出产生任何失真任何输入信号给出大于此值的基极电流将驱动晶体管超过“N”点并进入“截止”区域或超出“M”点并进入其饱和度因此，以“削波”的形式导致输出信号失真。

以点“N”和“M”为例，集电极电流的瞬时值和集电极 - 发射极的对应值可以从负载线投射电压。可以看出，集电极 - 发射极电压与集电极电流反相（-180 o ）。

作为基极电流 Ib 从50μA到80μA的正方向变化，集电极 - 发射极电压，也就是输出电压从其5.8伏的稳态值降低到2.0伏。

然后单级公共发射极放大器也是“反相放大器”，因为基极电压的增加导致Vout的减小和基极电压的减小导致Vout的增加。换句话说，输出信号与输入信号的相位差为180 o 。

公共发射极电压增益

电压增益共发射极放大器的等于输入电压的变化与放大器输出电压的变化之比。那么ΔV L Vout 且ΔV B Vin 。但电压增益也等于集电极中信号电阻与发射极中信号电阻的比值，并给出如下：

我们之前提到过，随着信号频率增加旁路电容， C E 由于其电抗而开始使发射极电阻短路。然后在高频 R E = 0 ，使增益无限大。

然而，双极晶体管的内部电阻内置于其发射区域，称为 R e 。晶体管半导体材料对通过它的电流提供内部电阻，通常由主晶体管符号内部显示的小电阻符号表示。

晶体管数据表告诉我们对于小信号双极晶体管这个内部电阻是 25mV÷Ie （25mV是发射极结层上的内部电压降）的乘积，那么对于我们常见的发射极放大器电路，这个电阻值将等于：

此内部发射极腿电阻将与外部发射极电阻串联， R E ，那么晶体管实际增益的等式将被修改为包括这个内部电阻所以将是：

在低频信号下，发射极支路中的总电阻等于 R E + R e 。在高频时，旁路电容会使发射极电阻短路，只留下发射极中的内部电阻 R e ，从而产生高增益。然后，对于上面的共发射极放大器电路，低信号和高信号频率下的电路增益如下：

低频增益

高频增益

最后一点，电压增益仅取决于收集器的值电阻， R L 和发射极电阻，（ R E + R e ）它不受晶体管的电流增益β，β（ h FE ）的影响。

所以，对于我们上面的简单示例，我们现在可以总结我们为公共发射极放大器电路计算的所有值，它们是：

然后总结一下。公共发射极放大器电路的集电极电路中有一个电阻。流过该电阻的电流产生放大器的电压输出。选择此电阻的值，使得在放大器静态工作点，Q点，此输出电压位于晶体管负载线的一半。Common Emitter Amplifier Summary

晶体管的基极在共发射极放大器中使用的是使用两个电阻器作为分压器网络进行偏置。这种类型的偏置装置通常用于双极晶体管放大器电路的设计中，并通过将基极偏置保持在恒定的稳定电压来大大降低变化β（β）的影响。这种类型的偏置产生最大的稳定性。

发射极支路中可以包含一个电阻，在这种情况下，电压增益变为 -R L / R ë 。如果没有外部发射极电阻，则放大器的电压增益不是无穷大，因为发射极支路中的内部电阻非常小， R e 。此内阻的值等于 25mV / I E

在下一个关于晶体管放大器的教程中，我们将看看结型场效应放大器通常称为JFET放大器。与晶体管一样，JFET用于单级放大器电路，使其更易于理解。我们可以使用几种不同类型的场效应晶体管，但最容易理解的是结型场效应晶体管，或具有非常高输入阻抗的JFET，使其成为放大器电路的理想选择。