BJT共射級電路放大器是比較常用的一種放大電路,不同于前面的共基級放大器單一的電路形式,共射級放大器的設(shè)計比較靈活,歷史上人們曾經(jīng)設(shè)計出過很多各種各樣的共射級放大器。最常用的是以下三種形式的共射放大電路(見下圖3-06.01)。一般只要掌握了這三種電路的共通分析方法,那以后再遇到其他比較偏門的共射電路時,我們也可以按照我們已掌握的共通方法,分析出其基本電路特性。
圖 3-6.01
1. 固定偏置
固定偏置(fixed-bias configuration)是最簡單的共射放大電路結(jié)構(gòu),我們現(xiàn)以npn型晶體管為例對齊進(jìn)行直流分析。
(1) 輸入靜態(tài)工作點
我們將固定偏置的共射放大電路重畫于下,在直流分析(靜態(tài)分析)時,可將動態(tài)輸入電壓vi視為0。
圖 3-6.02
對于輸入端回路,BJT的發(fā)射結(jié)正偏,我們采用簡化分析模型,假設(shè)VBE固定為0.7V。因此在輸入回路可得:
上式的IB即為輸入端的靜態(tài)工作電流,在上式中我們可以取合適得RB,而得到一個比較合理得IB值(一般為幾個微安級)。
(2) 輸出靜態(tài)工作點
輸出靜態(tài)工作點,即為求VCE和IC,我們將輸出回路的電壓電流關(guān)系畫于下圖:
圖 3-6.03
當(dāng)BJT工作于正常的放大區(qū)時:
上兩式中的VCE和IC即為輸出的靜態(tài)工作點。
(3) 飽和條件
在共射電路中的飽和條件與共基電路稍有不同,在共基電路中,VCE《0會進(jìn)入飽和,而在共射電路中,只要VCE《VCEsat(一般我們常近似取為0.3V),晶體管就會進(jìn)入飽和。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,
當(dāng)共射電路的進(jìn)入飽和時,輸入端IB的繼續(xù)增大不會使輸出電流IC繼續(xù)增大,雖然不會像共基電路那樣損壞晶體管,但會使基極電流IB與射極電流IC之間的放大倍數(shù)小于原來的β參數(shù)。
(4) 固定偏置的缺點
固定偏置的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單、概念清晰。但是我們一般很少將固定偏置電路直接應(yīng)用于實際設(shè)計,原因在于固定偏置電路有一個致命的缺點:就是工作點不穩(wěn)。
前面曾經(jīng)說過,由于半導(dǎo)體器件加工工藝的限制,一般參數(shù)都會偏離標(biāo)準(zhǔn)值,比如對某個BJT來說,放大系數(shù)β在50~200范圍內(nèi)都算正常,整整差了4倍。那么根據(jù)上式:
同樣的電路,輸出靜態(tài)電流IC就會差整整4倍,輸出靜態(tài)電壓VCE也會有較大范圍的變化,由此帶來的電路功耗、放大倍數(shù)等一系列性能也會跟著變化,這樣不穩(wěn)定的性能是無法在實際產(chǎn)品中使用的。
2. 改進(jìn)的固定偏置
(1) 負(fù)反饋的作用
在固定偏置的發(fā)射極增加一個射極電阻RE,可以大大提高電路的穩(wěn)定性,如下圖所示,這種形式的電路也可以稱為射極偏置(emitter-bias Configuration):
圖 3-6.04
這種設(shè)計稱為“負(fù)反饋”設(shè)計,負(fù)反饋設(shè)計是一個很龐大的話題,這里你可以先簡單將其理解為:負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的電路本身有一種穩(wěn)定作用,當(dāng)某種非正常因素(比如β值偏移,溫度影響等等)導(dǎo)致電路工作點偏移時,負(fù)反饋結(jié)構(gòu)會迫使電路工作點回向正常值方向移動,從而減小偏移值,提高穩(wěn)定性。
我們這里先粗略定性地看一下射極電阻RE對提高電路穩(wěn)定性的作用:
(1)當(dāng)放大系數(shù)β增大導(dǎo)致IC增大時,流過RE的電流IE也會增大,由此會導(dǎo)致E點的的電壓VE升高。
(2)當(dāng)VE升高,由于VBE保持固定值0.7V不變,因此結(jié)果導(dǎo)致B點電壓VB升高。
(3)VB升高,但VCC不變,由此導(dǎo)致RB兩端的壓降減小,從而導(dǎo)致輸入電流IB減小。
(4)IB的減小最終會導(dǎo)致IC的減小,抑制了前面因β增大導(dǎo)致IC增大的效應(yīng),因此提高了電路的穩(wěn)定性。
當(dāng)然,如果你若要深究的話,又會發(fā)現(xiàn):IC的減小會導(dǎo)致IE的減小,再導(dǎo)致VE的減小和VB的減小,然后又使得IB增大……那么,究竟哪個對最終結(jié)果的影響力更大些?這個就需要下面的定量分析了。
(2) 靜態(tài)工作點分析
圖 3-6.05
● 先看輸入回路:
輸入回路的關(guān)系式為:
解得:
● 再看輸出回路:
● 關(guān)于簡化運算的說明:
這里你可能還有一點小疑惑,為什么在輸入回路中,不把(1+β)簡化成≈β,不去掉那個1?而在輸出回路中,卻做了IE≈IC?的簡化,去掉了那個1呢。其實理由很簡單:輸入回路的計算式中,即便留著那個1,計算起來也不麻煩,所以就放著了。而在輸出回路的計算式中,留著那個1算起來稍微有點麻煩了,所以就把它給去掉了。
聽著是不是很隨意呢?其實這就是工程中模擬電路的魅惑點所在。因為實際的模擬電路要面臨很多的不確定參數(shù)的影響(比如,常規(guī)使用的電阻都是5%的誤差等級的;BJT等半導(dǎo)體器件的參數(shù)甚至?xí)?0%以上的偏差;受溫度影響,很多參數(shù)也會偏)。你辛辛苦苦算出來的精確解,僅一個5%的電阻阻值偏差就可以把結(jié)果給帶偏。所以,太精確的計算有時并不是很必要,很多計算都可以作簡化。那么,究竟對哪些部分可以做簡化,哪些部分不作簡化呢?這個在很大程度上取決于設(shè)計者本人的經(jīng)驗(或者說直覺)。
所以,有時你可以看到在一些不同的模電教材上,對于同樣形式的電路,不同的作者會給出稍微有點不同的公式,這個是因為他們各自取的簡化點不同。但是,分析原理肯定都是一樣的,而且他們的結(jié)果也都是可用的。這個隨著你本人經(jīng)驗的增長,就會理解他們各自的做法了。
案例3-6-1: 在下圖中,計算當(dāng)β=50和β=200時的IB, IC, VCE,并進(jìn)行比較。
解: (1)當(dāng)β=50時:
IC1和IC2只相差2.5倍,說明反饋電阻RE確實改善了電路的穩(wěn)定性。
另外,當(dāng)β=200時,VCE2僅比飽和閾值VCESat (0.7V)大一點點,已處于放大區(qū)的邊緣,還可以勉強工作。若是沒有反饋電阻RE,BJT會早早地就進(jìn)入飽和區(qū),而不能起正常放大作用了。
(3) 飽和條件
當(dāng)VCE《VCESat時,晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,
當(dāng)IC》ICsat時,晶體管進(jìn)入飽和。
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