晶体管单管放大电路的三种基本接法

通过对单管共射放大电路的分析和计算,使得放大电路的组成原则更明确和具体了.放大的关键是发挥晶体管的控制作用.在共射电路中,晶体管的b-e为输入端,c-e为输出端,利用iB对iC的控制作用,实现了电流放大和电压放大.有没有其他的控制关系呢?比如,能不能用iB去控制iE?用iE去控制iC?用iC去控制iE?在实现这些控制的过程中,电路能不能得到功率的放大?我们先把这几种电流控制关系的示意图表示在下图中,以便分析和比较.图a是iB对iC的控制,是以e极为公共端,这就是前面介绍过的共射接法;图b是iB对iE的控制,以c极为公共端,称为共集接法;图c和图d是共基接法.下面我们分别分析后两种接法组成的放大电路.

一、共集放大电路

1.电路的组成

如前所述,电路要能放大,晶体管应工作在放大区,即UBE>0,UBC<0,所以电源和电阻的设置要满足这些条件.其基本电路如图所示.VBB和Rb及Re相配合,给晶体管设置合适的基极电流;VCC提供了晶体管的集电极电流和输出电流.交流信号ui从基极输入,产生变化的基极电流iB,再通过晶体管得到了放大了的iE,而变化的iE流过电阻Re得到了变化的电压,从发射极输出.对于交流信号来说,集电极是公共端,所以是共集放大电路.

1. 静态工作点的计算

我们介绍用等效电路的方法来计算电路的静态工作点.我们先画出原电路的直流通路,如图所示,然后再将晶体管用简化直流模型代替,得到如图所示的等效电路.

根据图可以列出方程求解.

输入回路 VBB=IBQ*Rb+Uon+IEQ*Re=IBQ*Rb+Uon+(1+贝塔)*IBQ*Re

IBQ=(VBB-Uon)/(Rb+(1+贝塔)*Re)

输出回路 ICQ=贝塔*IBQ

UCEQ=VCC-IEQ*Re约=VCC-ICQ*Re

这样就很方便地求出静态工作点的数值.

1. 交流性能的计算

如图为原电路的交流通路,图b是将图a的样子变了一下,使之成为共集的形式.图c是将图b中的晶体管用如图所示的简化h参数模型代替后的等效电路.根据如图所示的等效电路可算出Au

Au=Uo/Ui=(Ie*Re)/(Ib*(Rb+rbe)+Ie*Re)=(1+贝塔)*Ib*Re/(Ib*(Rb+rbe)+(1+贝塔)*Ib*Re)

=(1+贝塔)*Re/(Rb+rbe+(1+贝塔)*Re)

我们发现:(1)Au是正值.这说明Uo和Ui是同相的;(2)Au是小于1的,但在(1+贝塔)*Re比(Rb+rbe)大得多的情况下,Au将接近于1.虽然Au略小于1,但它的输出电流Ie比输入电流Ib要大很多,因此这个电路仍有功率放大作用由于它的Uo近似等于Ui,二者同相,又因为是从发射极输出,所以也被称为射极输出电路,或称为射极跟随器.它的电压传输特性读者可自行画出.电路的输入电阻Ri是

Ri=Ui/Ii=Ui/Ib=(Ib*(Rb+rbe)+(1+贝塔)*Ib*Re)/Ib

Ri=Rb+rbe+(1+贝塔)*Re

可见共集电路的输入电阻与共射基本电路的输入电阻相比要大得多.输出电阻Ro的计算方法同共射放大电路.我们令Ui=0,在输出端加电压Uo,通过Io来求Ro.此时的等效电路如图所示.从图中可以看到输出电阻Ro可以看成是Re和Ro'的并联.其中Ro'是从Re左边向左看进去的等效电阻.

Ro'=Uo/(-Ie)=Uo/(-(1+贝塔)*Ib)

由于Uo是接在e-c之间的,Rb+rbe也是接在e-c之间,且流过的电流是Ib,按所设正方向Uo=-(Rb+rbe)*Ib,故

Ro'=(1/(1+贝塔))*(Uo/-Ib)=(1/(1+贝塔))*(Rb+rbe)

因此

Ro=Re//(Rb+rbe)/(1+贝塔)

从上式可以看出,由于发射极和基极之间有联系,Ro不是等于Re而是Re和(Rb+rbe)/(1+贝塔)的并联.当Rb,rbe都比较小而贝塔比较大时,Ro'将要比Re小得多.

例2-6 如图所示电路中,VBB=7.2v,VCC=12v,Rb=22k,Re=5k,晶体管的rbb'=100,贝塔=50.试计算Q点及Au,Ri和Ro.

解:由前式可得 IBQ=(7.2-0.7)/(22+(50+1)*5)约=0.024mA

ICQ=1.2mA,UCEQ=VCC-IEQ*Re约=6v

rbe=rbb'+(1+贝塔)*UT/IEQ约=1.2k

Au=(1+贝塔)*Re/(Rb+rbe+(1+贝塔)*Re)=0.92

Ri=Rb+rbe+(1+贝塔)*Re=278.2k

Ro=Re||(Rb+rbe)/(1+贝塔)=410.

由于共集放大电路的输入电阻大,输出电阻小,所以常用来实现阻抗的转换.输入电阻大,可使流过信号的电流减小;输出电阻小,即带负载能力强;故常用于多级放大电路的输入级和输出级.

二、共基放大电路

以共基接法组成的放大电路称为共基放大电路.电路组成原则如前,分析计算方法也如前,故在这里只做简单的介绍.基本放大电路如图所示.VEE,VCC的极性保证晶体管处于放大状态,Re是信号回路的电阻.静态工作点可利用直流模型及直流等效电路来计算,这里不再说明,主要介绍交流性能的计算.交流通路和h参数等效电路如图所示.根据图可得

Au=Uo/Ui=-贝塔*Ib*Rc/-(Ib*rbe+Io*Re)=贝塔*Re/(rbe+(1+贝塔)*Re)

Ri=Ui/Ii=Ui/-Ie=(-Ie*Re-Ib*rbe)/-Ie=Re+rbe/(1+贝塔)

Ro=Rc||Ro' ,而Ro'=Uo/贝塔*Ib |Ui=0 = 无穷大. 因此

Ro=Rc

例2-7 电路如图所示.设Re=1k,Rc=5k,晶体管的贝塔=50,rbe=1.2k.试计算Au,Ri和Ro的值.

解: 利用前式可求出

Au=贝塔*Rc/(rbe+(1+贝塔)*Re)=4.8

Ri=Re+rbe/(1+贝塔)=1k

Ro=Rc=5k

根据上面的计算,共基电路有这几个特点:(1)当Re=0时,电压放大倍数和共射放大电路Rb=0时相同(绝对值均为 贝塔*Rc/rbe),而且是正值,表明输出与输入信号同相.(2)输入电阻比共射电路的小.(3)输出电阻与共射电路一样.共基电路还有一个优点,它的频率响应好,在要求频率特性高的场合多采用共基电路.在如图所示的电路中,若与前图相比较,可见发射极和集电极是对调了.除了极个别的晶体管具有发射结和集电结对称的特点,因此可以实现正常的放大作用外,一般的晶体管在这种情况下,它的贝塔值很小,故放大作用很小甚至不能放大.至于另外以基极作为信号输出端的接法,由于得不到电流放大所以不被采用.

三、三种接法的比较

利用晶体管的三种接法可以组成三种基本的放大电路.它们的主要特点及应用大致归纳如下:

1. 共射电路具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数,同时输入电阻和输出电阻适中.所以,在一般对输入电阻,输出电阻和频率响应没有特殊要求的地方,常被采用.例如低频电压放大电路的输入级,中间级或输出级.

2. 共集电路的特点是:输入电阻在三种基本电路中最大;输出电阻则最小;电压放大倍数是接近于1而小于1的正数,具有电压跟随的性质.由于具有这些特点,故应用很广泛.常用于放大电路的输入级,也常用于电路的功率输出级.

3. 共基电路的主要特点是输入电阻小,放大倍数和共射电路差不多,频率特性好.常用于宽频放大器.