NPN晶體管最常見(jiàn)的放大器配置是公共發(fā)射極放大器電路

在之前的放大器教程介紹中，我們看到一系列曲線通常稱(chēng)為輸出特性曲線，將晶體管集電極電流（ Ic ）與其集電極電壓（ Vce ）相關(guān)聯(lián)，以獲得不同的晶體管基極電流值（ Ib ）。

所有類(lèi)型的晶體管放大器均使用交流信號(hào)輸入工作，交流信號(hào)輸入在正值和負(fù)值之間交替因此需要一些“預(yù)置”放大器電路以在這兩個(gè)最大值或峰值之間工作的方法。這是使用稱(chēng)為偏置的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。偏置在放大器設(shè)計(jì)中非常重要，因?yàn)樗⒘藴?zhǔn)確接收信號(hào)的晶體管放大器的正確工作點(diǎn)，從而減少了輸出信號(hào)的任何失真。

我們還看到靜態(tài)或直流負(fù)載線可以在這些輸出特性曲線上繪制，以顯示晶體管從完全“接通”到完全“斷開(kāi)”的所有可能工作點(diǎn)，以及放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)或Q點(diǎn)可以找到。

任何小信號(hào)放大器的目的都是放大所有輸入信號(hào)，使輸出信號(hào)的失真量最小，換句話說(shuō)，輸出信號(hào)必須精確再現(xiàn)輸入信號(hào)但只是更大（放大）。

為了在用作放大器時(shí)獲得低失真，需要正確選擇工作靜態(tài)點(diǎn)。實(shí)際上，放大器的直流工作點(diǎn)及其位置可以通過(guò)合適的偏置裝置在負(fù)載線的任何位置建立。

此Q點(diǎn)的最佳位置接近于盡可能合理地加載負(fù)載線的中心位置，從而產(chǎn)生A類(lèi)放大器操作，即。 Vce = 1 / 2Vcc 。考慮下面顯示的公共發(fā)射極放大器電路。

公共發(fā)射極放大器電路

上面所示的單級(jí)共射極放大器電路使用通常所說(shuō)的“分壓器偏置”。這種類(lèi)型的偏置裝置使用兩個(gè)電阻器作為電源兩端的分壓器網(wǎng)絡(luò)，其中心點(diǎn)為晶體管提供所需的基極偏置電壓。分壓器偏置通常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計(jì)。

這種偏置晶體管的方法大大降低了不同Beta的影響，（β）通過(guò)將基極偏壓保持在恒定的穩(wěn)定電壓水平，從而實(shí)現(xiàn)最佳穩(wěn)定性。靜態(tài)基準(zhǔn)電壓（ Vb ）由兩個(gè)電阻器形成的分壓器網(wǎng)絡(luò)決定， R1 ， R2 和電源電壓 Vcc 如流過(guò)兩個(gè)電阻的電流所示。

然后總電阻 R T 將等于 R1 + R2 給出電流 i = Vcc / R T 。電阻 R1 和 R2 連接處產(chǎn)生的電壓電平將基極電壓（ Vb ）保持在低于電源電壓的值。

然后，共射極放大器電路中使用的分壓器網(wǎng)絡(luò)將電源電壓與電阻成比例地分開(kāi)。可以使用下面的簡(jiǎn)單分壓器公式輕松計(jì)算此偏置參考電壓：

晶體管偏置電壓

當(dāng)晶體管完全“接通”（飽和）， Vcc ）也決定了最大集電極電流 Ic > Vce = 0 。晶體管的基極電流 Ib 可從集電極電流 Ic 和晶體管的直流電流增益β，β中找到。

Beta值

Beta有時(shí)也稱(chēng)為 h FE ，這是共發(fā)射極配置中的晶體管正向電流增益。 Beta沒(méi)有單位，因?yàn)樗莾蓚€(gè)電流的固定比率， Ic 和 Ib ，因此基極電流的微小變化將導(dǎo)致集電極電流發(fā)生很大變化。

關(guān)于Beta的最后一點(diǎn)。相同類(lèi)型和部件號(hào)的晶體管的Beta值變化很大，例如， BC107 NPN雙極晶體管的直流電流增益Beta值在110到450之間（數(shù)據(jù)表值）這是因?yàn)棣率蔷w管結(jié)構(gòu)的一個(gè)特征而不是它的工作特性。

由于基極/發(fā)射極結(jié)是正向偏置，發(fā)射極電壓 Ve 將是一個(gè)結(jié)電壓降低與基準(zhǔn)電壓不同。如果已知發(fā)射極電阻兩端的電壓，則可以使用歐姆定律輕松計(jì)算發(fā)射極電流 Ie 。集電極電流 Ic 可以近似，因?yàn)樗c發(fā)射極電流幾乎相同。

公共發(fā)射極放大器示例No1

共發(fā)射極放大器電路的負(fù)載電阻 R L 1.2kΩ，電源電壓 12v 。當(dāng)晶體管完全“接通”（飽和）時(shí)，計(jì)算流經(jīng)負(fù)載電阻的最大集電極電流（ Ic ），假設(shè) Vce = 0 。如果它的電壓降為1v，也可以找到發(fā)射極電阻 R E 的值。假設(shè)NPN硅晶體管計(jì)算所有其他電路電阻的值。

然后建立點(diǎn)“A” “在特性曲線的收集器當(dāng)前垂直軸上，當(dāng) Vce = 0 時(shí)發(fā)生。當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時(shí)，它們?cè)谌我浑娮枭隙紱](méi)有電壓降 R E 或 R L 因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)它們。然后，晶體管兩端的電壓降 Vce 等于電源電壓 Vcc 。這在特性曲線的水平軸上建立了點(diǎn)“B”。

通常，放大器的靜態(tài)Q點(diǎn)與基極施加零輸入信號(hào)，因此收集器位于大約一半的位置沿零線與電源電壓之間的負(fù)載線（ Vcc / 2 ）。因此，放大器Q點(diǎn)的集電極電流將給出：

此靜態(tài)DC載荷線產(chǎn)生一個(gè)直線方程，其斜率給定為： -1 /（R L + R E ）并且它與垂直方向交叉 Ic 軸等于 Vcc /（R L + R E ）。直流負(fù)載線上Q點(diǎn)的實(shí)際位置由 Ib 的平均值決定。

作為集電極電流， Ic 晶體管也等于晶體管的直流增益（Beta），乘以基極電流（β* Ib ），如果我們假設(shè)β（β）值為比方說(shuō)100的晶體管（100是低功率信號(hào)晶體管的合理平均值）流入晶體管的基極電流 Ib 將給出如下：

通常通過(guò)降壓電阻器 R1 。現(xiàn)在可以選擇 R1 和 R2 的電阻，以提供45.8μA或46μA的合適靜態(tài)基極電流四舍五入到最接近的整數(shù)。與實(shí)際的基極電流 Ib 相比，流過(guò)分壓器電路的電流必須很大，因此分壓器網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到基極電流的影響。

一般的經(jīng)驗(yàn)法則是流過(guò)電阻器 R2 的值至少為 Ib 的10倍。晶體管基極/發(fā)射極電壓， Vbe 固定為0.7V（硅晶體管），然后將 R2 的值設(shè)為：

如果流過(guò)電阻 R2 的電流是基極電流值的10倍，那么流過(guò)電阻 R1 的電流分頻器網(wǎng)絡(luò)必須是Base電流值的11倍。即： I R2 + Ib 。

因此，電阻 R1 兩端的電壓等于 Vcc - 1.7v （硅晶體管的V RE + 0.7），等于10.3V，因此 R1 可以計(jì)算為：

發(fā)射極電阻的值， R E 可以使用歐姆定律輕松計(jì)算。流過(guò) R E 的電流是基極電流， Ib 和集電極電流 Ic 的組合，是給定為：

電阻， R E 連接在晶體管發(fā)射極端子之間和地面，我們之前說(shuō)過(guò)，它的電壓降為1伏。因此，發(fā)射極電阻 R E 的值計(jì)算如下：

因此，對(duì)于上面的示例，選擇為公差為5％（E24）的電阻的首選值為：

然后，我們上面的原始公共發(fā)射極放大器電路可以重寫(xiě)，以包含我們剛剛計(jì)算過(guò)的元件的值。

完成的公共發(fā)射極電路

放大器耦合電容

在公共發(fā)射極放大器電路中，電容 C1 和 C2 用作耦合電容，以將AC信號(hào)與DC偏置電壓分開(kāi)。這確保了為電路正確操作而設(shè)置的偏置條件不受任何額外放大器級(jí)的影響，因?yàn)?a target="_blank">電容器僅通過(guò)AC信號(hào)并阻止任何DC分量。然后將輸出AC信號(hào)疊加在下一級(jí)的偏置上。此外，旁路電容 C E 包含在發(fā)射極支路中。

該電容實(shí)際上是用于直流偏置條件的開(kāi)路元件，意味著偏置電流和電壓不受電容器添加的影響，保持良好的Q點(diǎn)穩(wěn)定性。

然而，這種并聯(lián)的旁路電容有效地成為高頻發(fā)射極電阻的短路信號(hào)由于其電抗。因此，只有 R L 加上非常小的內(nèi)部電阻，因?yàn)榫w管將增加的電壓增益加載到其最大值。通常，旁路電容的值 C E 被選擇為提供最多的電抗， R E <的值的1/10 / sub> 處于最低工作信號(hào)頻率。

輸出特性曲線

好了，到目前為止還不錯(cuò)。我們現(xiàn)在可以構(gòu)建一系列曲線，顯示集電極電流， Ic 與集電極/發(fā)射極電壓， Vce ，具有不同的基極電流值， Ib 用于我們簡(jiǎn)單的共射極放大器電路。

這些曲線稱(chēng)為“輸出特性曲線”，用于顯示晶體管如何在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作。在1.2kΩ的負(fù)載電阻 RL 的曲線上繪制靜態(tài)或直流負(fù)載線，以顯示所有晶體管可能的工作點(diǎn)。

晶體管切換為“OFF”， Vce 等于電源電壓 Vcc ，這是線路上的“B”點(diǎn)。同樣，當(dāng)晶體管完全“導(dǎo)通”并且飽和時(shí)，集電極電流由負(fù)載電阻確定， R L ，這就是線上的“A”點(diǎn)。

我們之前通過(guò)晶體管的直流增益計(jì)算出晶體管平均位置所需的基極電流45.8μA，這標(biāo)記為點(diǎn) Q 在負(fù)載線上，表示放大器的靜止點(diǎn)或Q點(diǎn)。我們可以很容易地讓自己的生活更輕松，并將此值精確地舍入到50μA，而不會(huì)對(duì)工作點(diǎn)產(chǎn)生任何影響。

輸出特性曲線

負(fù)載線上的點(diǎn)Q給出基極電流Q點(diǎn)Ib =45.8μA或46μA 。我們需要找到基極電流的最大和最小峰值擺幅，這將導(dǎo)致收集器電流成比例變化， Ic ，而不會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成任何失真。

負(fù)載線切斷直流特性曲線上的不同基極電流值，我們可以找到沿負(fù)載線等間距的基極電流峰值擺幅。這些值在線上標(biāo)記為點(diǎn)“N”和“M”，分別給出最小和最大基極電流20μA和80μA。

這些點(diǎn)，“N”和“M”可以是在我們選擇的負(fù)載線上的任何地方，只要它們與Q等距離。這就為我們提供了一個(gè)理論上的最大輸入信號(hào)到Base端子的60μA峰峰值（30μA峰值），而不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生任何失真任何輸入信號(hào)給出大于此值的基極電流將驅(qū)動(dòng)晶體管超過(guò)“N”點(diǎn)并進(jìn)入“截止”區(qū)域或超出“M”點(diǎn)并進(jìn)入其飽和度因此，以“削波”的形式導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。

以點(diǎn)“N”和“M”為例，集電極電流的瞬時(shí)值和集電極 - 發(fā)射極的對(duì)應(yīng)值可以從負(fù)載線投射電壓。可以看出，集電極 - 發(fā)射極電壓與集電極電流反相（-180 o ）。

作為基極電流 Ib 從50μA到80μA的正方向變化，集電極 - 發(fā)射極電壓，也就是輸出電壓從其5.8伏的穩(wěn)態(tài)值降低到2.0伏。

然后單級(jí)公共發(fā)射極放大器也是“反相放大器”，因?yàn)榛鶚O電壓的增加導(dǎo)致Vout的減小和基極電壓的減小導(dǎo)致Vout的增加。換句話說(shuō)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差為180 o 。

公共發(fā)射極電壓增益

電壓增益共發(fā)射極放大器的等于輸入電壓的變化與放大器輸出電壓的變化之比。那么ΔV L Vout 且ΔV B Vin 。但電壓增益也等于集電極中信號(hào)電阻與發(fā)射極中信號(hào)電阻的比值，并給出如下：

我們之前提到過(guò)，隨著信號(hào)頻率增加旁路電容， C E 由于其電抗而開(kāi)始使發(fā)射極電阻短路。然后在高頻 R E = 0 ，使增益無(wú)限大。

然而，雙極晶體管的內(nèi)部電阻內(nèi)置于其發(fā)射區(qū)域，稱(chēng)為 R e 。晶體管半導(dǎo)體材料對(duì)通過(guò)它的電流提供內(nèi)部電阻，通常由主晶體管符號(hào)內(nèi)部顯示的小電阻符號(hào)表示。

晶體管數(shù)據(jù)表告訴我們對(duì)于小信號(hào)雙極晶體管這個(gè)內(nèi)部電阻是 25mV÷Ie （25mV是發(fā)射極結(jié)層上的內(nèi)部電壓降）的乘積，那么對(duì)于我們常見(jiàn)的發(fā)射極放大器電路，這個(gè)電阻值將等于：

此內(nèi)部發(fā)射極腿電阻將與外部發(fā)射極電阻串聯(lián)， R E ，那么晶體管實(shí)際增益的等式將被修改為包括這個(gè)內(nèi)部電阻所以將是：

在低頻信號(hào)下，發(fā)射極支路中的總電阻等于 R E + R e 。在高頻時(shí)，旁路電容會(huì)使發(fā)射極電阻短路，只留下發(fā)射極中的內(nèi)部電阻 R e ，從而產(chǎn)生高增益。然后，對(duì)于上面的共發(fā)射極放大器電路，低信號(hào)和高信號(hào)頻率下的電路增益如下：

低頻增益

高頻增益

最后一點(diǎn)，電壓增益僅取決于收集器的值電阻， R L 和發(fā)射極電阻，（ R E + R e ）它不受晶體管的電流增益β，β（ h FE ）的影響。

所以，對(duì)于我們上面的簡(jiǎn)單示例，我們現(xiàn)在可以總結(jié)我們?yōu)楣舶l(fā)射極放大器電路計(jì)算的所有值，它們是：

然后總結(jié)一下。公共發(fā)射極放大器電路的集電極電路中有一個(gè)電阻。流過(guò)該電阻的電流產(chǎn)生放大器的電壓輸出。選擇此電阻的值，使得在放大器靜態(tài)工作點(diǎn)，Q點(diǎn)，此輸出電壓位于晶體管負(fù)載線的一半。Common Emitter Amplifier Summary

晶體管的基極在共發(fā)射極放大器中使用的是使用兩個(gè)電阻器作為分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偏置。這種類(lèi)型的偏置裝置通常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計(jì)中，并通過(guò)將基極偏置保持在恒定的穩(wěn)定電壓來(lái)大大降低變化β（β）的影響。這種類(lèi)型的偏置產(chǎn)生最大的穩(wěn)定性。

發(fā)射極支路中可以包含一個(gè)電阻，在這種情況下，電壓增益變?yōu)?-R L / R ? 。如果沒(méi)有外部發(fā)射極電阻，則放大器的電壓增益不是無(wú)窮大，因?yàn)榘l(fā)射極支路中的內(nèi)部電阻非常小， R e 。此內(nèi)阻的值等于 25mV / I E

在下一個(gè)關(guān)于晶體管放大器的教程中，我們將看看結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)放大器通常稱(chēng)為JFET放大器。與晶體管一樣，JFET用于單級(jí)放大器電路，使其更易于理解。我們可以使用幾種不同類(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，但最容易理解的是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或具有非常高輸入阻抗的JFET，使其成為放大器電路的理想選擇。