三极管放大电路(共射极放大电路)
0 2022-12-07

共射极放大电路

共射极放大电路在电子电路中应用非常广泛,常用于小信号放大(电压放大)。它是一类输入阻抗较大(几千到几十千欧姆),输出阻抗较小(几百到几千欧姆)的放大器。它的基本电路如下


上图的偏置电路难以调试,且放大倍数受三极管温度影响巨大,作者能力有限,所以不去讨论如何设计,而改用稳定性更好的偏置讨论

为什么叫做共射极放大电路?

共射极指的是输入和输出的交流信号共同的通路是流经三极管的射极(E极)后流回源头的放大电路。如图绿色箭头表示的是输入信号的流向,红色箭头表示的是输出信号的流向,它们共同经过三极管射极

信号流向

交流等效电路和直流等效电路

在实际设计之前,我们先学习一下三极管放大电路的等效电路,它们的特点如下

  • 对于直流等效电路,电容相当于开路(隔直通交)

  • 对于交流等效电路,电容相当于短路,电源正负极相当于短路,引入发射极本征电阻re' = 25/Ic(mA),发射极本征电阻受三极管温度影响,发射极本征电阻和发射极串联

共射极放大电路

直流等效电路

交流等效电路

无旁路电容的共射极放大电路

特点:稳定性好,但放大倍数较低

共射极放大电路

直流等效电路

交流等效电路

实例:

输入信号幅度1V,频率1000Hz~20000Hz

要求:输入阻抗大于10kΩ,输出阻抗大于1kΩ,电压放大倍数5倍

  1. 电源电压的设定:因为输入信号幅度为1V,电压放大倍数为5倍,放大后电压幅度为5V,所以电源电源需大于5V,选择10V,如果选择接近5V非常容易失真

  2. 输出信号的静态电压(C极对地电压):VCC / 2 = 10V / 2 = 5V 输出静态电压设定在电源电压的一半时,即能保证放大信号不失真,因为输出最大电压等于5+2.5V等于7.5V,最小电压等于5-2.5 = 2.5V

  3. 电阻Rc的确定:根据交流等效电路可以看出,输出阻抗等于Rc,所以Rc = 1kΩ

  4. 电阻Re的确定:电压放大倍数Av = RC/(re'+Re),电压放大倍数为5,则re'+Re = Rc/Av = 1kΩ/5 = 200Ω, re' = 25/Ic(mA) = 25/(URc/Rc*0.001) = 25/(5V/1KΩ*0.001) = 5Ω, 则Re= 200Ω-re' = 195Ω

  5. 输入信号的静态电压(B极对地电压):首先三极管E极对地电压Ue = Ie * Re ,而Ie约等于Ic,所以Ue = Ic * Re = 5V/1kΩ*195Ω = 0.975V,三极管BE极电压降等于0.7V,所以三极管B极电压Ub = Ue+Ube = 0.975V + 0.7V = 1.675V

  6. 电阻Rb1和Rb2的确定:从直流等效电路可以看出,三极管B极电压等于Rb1和Rb2的分压,首先随便确定一个电阻的值先,比如Rb2 = 16.75KΩ,则Ub = VCC * (RB2/(Rb1 + Rb2)) = 1.675V,求得Rb1 = 83.25KΩ

  7. 输入阻抗:根据交流等效电路可看出,输入阻抗等于Rb1//Rb2//(HFE*(re' + Re)) = 16.75kΩ//83.25kΩ//(200*(5Ω+195Ω) ) ≈ 10.33KΩ 两条横杆//是并联的意思

  8. 输入电容和输出电容:输入电容和输入电阻构成一个RC高通滤波器,输出电容和输出电阻构成一个高通滤波器,根据高通滤波器公式f = 1/(2πRC)可求出在最小频率处,信号不衰减时的电容值为:输入电容应大于15nF,输出电容应大159nF

参数

射极电阻全旁路的共射极放大电路

特点:稳定性差,放大倍数大

共射极放大电路

直流等效电路

交流等效电路

实例:

输入信号幅度0.01V,频率20Hz~10000Hz

要求:输入阻抗大于10kΩ,输出阻抗大于2kΩ,电压放大倍数50倍

  1. 电阻Rc的确定:根据交流等效电路可以看出,输出阻抗等于Rc,所以Rc = 2kΩ

  2. 电源电压的设定:因为输入信号幅度为0.01V,在交流等效电路中可以看到,射极电阻Re已经被旁路掉了,所以电压放大倍数Av = Rc/re' 则re' = Rc / Av = 50/2000Ω = 40Ω 而re' = 25/Ic (mA)计算Ic = 25/40Ω = 0.625mA 又因放大电路把Vcc的一半设计成输出静态电压,所以Vcc = Rc*Ic*2 = 2000Ω*0.000625A*2 = 2.5V

  3. 电阻Re的确定:电阻Re根据经验一般选择为1/10Rc = 2000Ω*1/10 = 200Ω

  4. 输入信号的静态电压(B极对地电压):首先三极管E极对地电压Ue = Ie * Re ,而Ie约等于Ic,所以Ue = Ic * Re = 1.25V/2kΩ*200Ω = 0.125V,三极管BE极电压降等于0.7V,所以三极管B极电压Ub = Ue+Ube = 0.125V + 0.7V = 0.825V

  5. 电阻Rb1和Rb2的确定:从直流等效电路可以看出,三极管B极电压等于Rb1和Rb2的分压,首先随便确定一个电阻的值先,比如Rb2 = 8.25KΩ,因Ub = VCC * (RB2/(Rb1 + Rb2)) = 0.825V,求得Rb1 = 16.75KΩ

  6. 为了充分的把交流信号旁路(就是不经过电阻Re),旁路电容的容抗要大于10倍Re,有公式Xc >= 10Re 容抗公式为Xc = 1/(2πfc),合拼得C >= 5/(πfRe) 求得旁路电容需大于等于398uF,此处f为最小输入频率

  7. 输入阻抗:根据交流等效电路可看出,输入阻抗等于Rb1//Rb2//(HFE*re' ) = 8.25kΩ//16.75kΩ//(200*200Ω ) ≈ 4.856KΩ 两条横杆//是并联的意思

参数

射极电阻部分旁路的共射极放大电路

特点:较稳定,放大倍数适中

共射极放大电路

直流等效电路

交流等效电路

把这留给你们计算设计吧,前面两个理解了这个也不难,只看是没有用的,实际去尝试才能学到东西

输入信号幅度0.5V,频率100Hz~5000Hz

要求:输入阻抗大于10kΩ,输出阻抗大于1kΩ,电压放大倍数20倍

提示:电压放大倍数Av = Rc/(re' + Re1)

Rc等于10倍(Re1+Re2 )

旁路电容容抗大于10倍Re2

答案明天会在评论里面公布的,加油哦

总结

三极管放大倍数不稳定主要是受到射极本征电阻的影响,因为re' = 25/Ic(mA)这个值是受温度影响的,要想稳定高就得牺牲放大倍数,还有一点就是输出信号和输入信号反相!


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