共射放大电路的原理及应用

1.共射放大电路的电路结构

共射放大电路是共发射极放大电路的简称，是三极管最重要的应用电路，既能放大信号电压，也能放大信号电流，信号的总功率能得到很大的提升。

共射放大电路如图2.9所示，图中电容C1和C2是隔离电容，用于防止直流电流流入信号源或者负载，电阻R1和R2为直流偏置电阻，用于确定三极管在输出特性曲线中的位置。

在电源电压不变的情况下，基极偏置电阻R1越大，IB越小，三极管工作状态越靠近截止区；反之，则靠近饱和区。一般小信号放大时，IB在微安到毫安的范围。集电极偏置电阻R2主要影响uCE的大小。一般而言，R2越大，uCE越小，越靠近饱和区。

2.共射放大电路的分析方法

图2.9　共射放大电路

在三极管中有输入信号的交流量和电源的直流量两种分量混合，直接分析比较困难。在交流信号很小的情况下，在放大区局部小范围内，三极管特性曲线线性度较好，采用线性化分析方法能简化分析。线性化的分析可以采用叠加定理，分别分析交流信号源和直流电源单独作用时的效果，最终将两者的结果相叠加，就是交流信号源和直流电源共同作用的结果。

因此，线性化分析的时候，可以将总电路图分别绘制出直流通路和交流通路两个电路图，直流通路仅考虑直流电源的作用，计算出的电压和电流被称为静态工作点，在表达式中一般加下标字母Q；交流通路仅考虑交流信号源的作用，计算出的结果就是输出的交流信号电压、电流和放大倍数。静态工作点在总输出中占据中心位置，稳定不变，交流信号围绕着静态工作点发生波动变化，叠加定理的运用效果，如图2.10所示。

图2.10　叠加定理的运用效果

包含信号源和负载的完整的共射放大电路，如图2.11所示，图中V1为交流信号源，RL为负载电阻。在绘制直流通路时，所有电容都被视作断路（开路），电感被视作短路，交流电流源被视作断路，交流电压源被视作短路。如果电感和交流电压源内有电阻，就需要保留电阻。其直流等效电路示意，如图2.12所示。

图2.11　完整的共射放大电路

图2.12　直流等效电路示意

直流等效电路非常简单，基极支路等于电阻R1与三极管内部PN结串联，三极管内部PN结可以按照二极管计算，硅管导通时压降基本稳定在0.5～0.7V，这样基极电流为

式中，用下标Q表示静态工作点。

集电极电流为

ICQ＝βIBQ

集电极和发射极之间的电压为

UCEQ＝VCC－ICQR2

在绘制交流通路时，所有大电容都被视作短路，大电感被视作断路，直流电流源被视作断路，直流电压源被视作短路，凡是两端电压恒定的器件都被视作短路。例如，稳压状态的稳压管也需要视为短路。如果电容和电感大小恰巧在工作频率具有一定阻抗，就需要保留。交流等效电路示意，如图2.13所示。

整理后的交流等效电路，如图2.14所示。

图2.13　交流等效电路示意

图2.14　整理后的交流等效电路

分别绘制直流等效电路和交流等效电路将有利于后续的分析计算。对于小信号，尤其是频率较高的小信号比较适合使用微变等效法进行计算，对于低频大信号更适合使用图解法进行分析。

3.微变等效法

图2.15　三极管简化h参数模型

微变等效法是在信号特别小的情况下，三极管满足线性工作条件，对三极管进行等效变换，以便于分析电路的工作原理。对三极管等效变换的方法有很多种，在频率不太高的场合常采用简化h参数法。简化的h参数法将三极管基极和发射极之间等效为一个电阻rbe，流过rbe的电流为ib，将集电极和发射极之间等效为一个受控电流源βib，基极和集电极之间等效开路，如图2.15所示。

在图2.15所示中，rbe为三极管基极和发射极之间的等效动态电阻。在常温下，其计算公式可简化为

式中，IEQ是三极管发射极的直流电流，代入公式的时候需要以毫安为单位，计算出的rbe单位是欧姆。

在图2.14所示中，三极管用微变等效模型代替后，得到共射放大电路的微变等效电路，如图2.16所示。

图2.16　共射放大电路的微变等效电路

该电路输入信号有

ui＝rbeib

输出信号有

式中为R2和RL的并联等效电阻

所以

因为rbe中包括直流量IEQ，所以该放大倍数大小与直流量有关。式中的负号表示输出信号与输入信号反相。

由于

ICQ＝βIBQ

IEQ＝IBQ＋ICQ

所以

IEQ＝（1＋β）IBQ

在计算电压放大倍数时，需要先计算直流IBQ，得到IEQ后才能计算rbe，最后才能计算出电压放大倍数。

该电路的输入电阻等于R1和rbe并联，约等于rbe。输出电阻等于R2。

共射放大电路的输入信号波形和输出信号波形对比如图2.17所示。图中上面的波形为输入信号波形，下面的波形为输出信号波形，两者反相，输出比输入大约50倍。

共射放大电路的电流放大倍数也很大，集电极电流是基极电流的β倍，由集电极电阻和负载电阻进行分流，如果集电极电阻等于负载电阻，那么电流放大倍数能达到β的一半，负载阻值比集电极电阻小得越多，分得的电流越多，电流放大倍数也就越大。

结合电流放大倍数和电压放大倍数可知，共射放大电路的功率放大倍数还是很大的。

4.图解法(www.xing528.com)

图解法的思想根源和微变等效法的思想根源是相同的，即电路中的电压和电流既要满足电路回路方程（基尔霍夫电压定律、电流定律），又要满足元器件自身的特性方程，两种方法都是对这两个方程的联立求解。不同的是，微变等效是用计算的方法，图解法用的是绘图的方法。微变等效法用于小信号放大，图解法既能用于小信号放大，也能用于大信号放大。

图2.17　共射放大电路输入与输出波形对比

计算的方法优点是精确，前提是有很好的数学模型对实际情况进行拟合，有时候很难得到精准的数学模型，就难以采用计算的方法。比如，三极管在输出特性曲线不同的位置具有不同的电流放大系数，信号幅度很大时，信号在一个周期内电流放大系数就会变化很多，而这种电流放大系数的变化难以用数学模型精确描述。计算机辅助设计极大地减轻了计算工作量，使得很多复杂的数学模型被运用到电路计算中，扩展了计算方法的应用范围。

绘图的方法精度不高，精度依赖于原始数据和作图工具，优点是比较直观，常用于定性分析。

图解法先写出输入方程，将输入方程绘制到输入特性曲线图中去，取两条曲线的交叉点，即为输入静态工作点IBQ和UBEQ，也就是回路方程和器件特性方程的联立解。根据输入特性曲线交叉点的电流IBQ，找到输出特性曲线，在输出特性曲线图中绘制输出回路的回路方程，求两者的交叉点，即为输出静态工作点ICQ和UCEQ。

以图2.18为例，输入回路方程

VCC＝IBQR1＋UBEQ

该方程为一条直线，只需求出其在横坐标轴和纵坐标的交点，再用直线连接即可。

令UBEQ＝0可得

令IBQ＝0可得

UBEQ＝VCC

绘制的该直线如图2.18中输入回路负载线所示。输入回路负载线与三极管输入伏安特性曲线的交点Q即为静态工作点，对应的UBEQ和IBQ即为此时三极管中的直流电压和直流电流。电源电压VCC变化时将导致负载线位置变化，Q点将沿三极管特性曲线随之移动。

仍以图2.18为例，输出回路方程

VCC＝ICQR2＋UCEQ

该方程也是一条直线，绘制方法与输入回路方程一样，绘制在三极管输出特性曲线图中，如图2.19中直流负载线所示。输出负载线与IBQ对应的三极管输出伏安特性曲线的交点Q即为输出静态工作点，对应的UCEQ和ICQ即为此时三极管中的直流电压和直流电流。

图2.18　求解输入静态工作点

图2.19　求解输出静态工作点

图2.20　交流负载线

直流通路分析完毕后就要分析交流通路了。交流信号源的电压加在三极管基极与发射极之间，随着信号电压瞬时幅度的变化，电流按照三极管输入特性曲线在Q点附近变化。

输出端复杂一些，交流负载与直流负载不同，直流负载只有R2一个电阻，直流负载线的斜率为－1/R2，而交流负载由R2和RL并联作为负载电阻，交流负载线的斜率为－，因此，交流负载线要更陡峭一些，同时，交流负载线显然也要过Q点，绘制出的交流负载线如图2.20所示。随着输入信号瞬时值的大小变化，输出的交流信号随之沿着交流负载线在静态工作点附近变化。

交流信号的动态分析如图2.21所示，其中（a）为输入分析，（b）为输出分析。

图2.21　交流信号的动态分析

用图解法便于定性分析大信号情况下的失真情况，如图2.22所示。静态工作点过于靠近饱和区将容易造成输出信号波形底部失真，称为饱和失真；静态工作点过于靠近截止区将容易造成输出信号顶部失真，称为截止失真。若静态工作点距离截止区和饱和区等距离，则将得到最大的不失真动态范围。

图2.22　失真分析

5.稳定静态工作点的共射放大电路

温度变化对三极管的工作状态有比较大的影响，如图2.23所示，温度升高会引起三极管参数的变化（ICEO↑，β↑，UBE↓），最终导致IC升高。因为电路工作时三极管会发热，所以，即使静态工作点选得很好，也会因温度T↑→ICQ↑→Q点上移→饱和失真。

图2.23　温度上升对静态工作点的影响

图2.24　稳定静态工作点的共射放大电路

稳定静态工作点常采用直流负反馈的方法，电路如图2.24所示。

在图2.24所示中，V1为信号源，RS为信号源内阻；C1和C2为耦合电容，为交流信号提供通路，阻断直流电流；Rb1、Rb2、Rc和Re构成三极管的直流偏置电路，使三极管工作在合适的静态工作点；Ce为旁路电容，Ce与Re并联，Ce的交流阻抗远小于Re，使交流电流和直流电流分两路走，交流信号从三极管发射极通过Ce流入接地点，避免交流信号流经Re，Re上只有直流电流；RL为负载。

图2.24的直流等效电路如图2.25（a）所示，交流等效电路如图2.25（b）所示。

图2.25　图2.24所示的等效电路

在直流等效电路中

Ib1＝IBQ＋Ib2

通常，IBQ很小，可忽略不计；VBQ相当于Rb1和Rb2串联分压，即

由于电阻很少受温度影响，所以VBQ基本不受温度影响，比较稳定。

当温度升高导致IBQ、ICQ和IEQ增大时，会导致VEQ升高，由于VBQ稳定，所以VEQ升高直接导致三极管UBEQ降低，从而减小了IBQ，由于ICQ和IBQ呈正比关系，所以ICQ也得到了降低，实现了负反馈，降低了温度对静态工作点的影响。

Re是负反馈的采样元件，该负反馈为直流电流串联负反馈。交流信号不经过Re，所以该负反馈对交流信号不起作用。

实际操作1：共射放大电路的仿真

（1）用Multisim软件绘制电路图，如图2.26所示。图中V1和RS可以用函数发生器代替。

（2）将运行仿真，用示波器观察波形，比较输出波形与输入波形的关系。用万用表或示波器测量电路的电压放大倍数。

图2.26　共射放大电路仿真

（3）调整电位器R7，观察波形变化，测量电压放大倍数。

（4）在电容C1和三极管基极之间串联万用表，同时在电容C2和负载RL之间也串联万用表，将这两个万用表都打到交流电流挡，分别测量输入信号电流和负载上的输出信号电流，并计算电流放大倍数。

（5）将Rc改为5kΩ，RL改为1kΩ，再次调整电位器R7，使电压放大倍数尽量大，测量电压放大倍数，同时测量电流放大倍数。将测量结果与前面的测量结果对比。

（6）增大输入信号，观察失真情况，改变各电阻的阻值，观察各电阻对失真的影响。

（7）改变电源电压，观察电源电压对放大电路的影响。

（8）用波特测试仪测量系统带宽。