初级模拟电路：3-4 共基放大电路（直流分析）

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      一个典型的BJT共基极放大器电路如下图所示：

图 3-4.01 

      输入端口v_i和输出端口v_o共用BJT的基极端子，V_EE和R_E构成发射结的偏置电压，V_CC和R_C构成集电结的偏置电压。和上小节的共基组态相比，输入端和输出端多了两个耦合电容C₁和C₂，稍后我们会解释这两个电容的作用。

      下面我们一步一步对这个共基放大电路进行详细分析。

 

1.   耦合电容

      一般来说，我们需要放大的原始信号通常为自然的不规则变化信号，而且原始信号的幅值非常微小（mV或uV级），在0V上下的很小范围内波动，如下图所示：

图 3-4.02 

      根据信号分析理论，任何不规则的非周期信号都可以由一系列幅值和频率不同的正弦信号叠加得到。因此，只要分析了某个特定的正弦输入信号经过放大器后的输出信号的放大倍数，那么，放大电路对其他所有频率和幅值的正弦信号都应遵守这个放大倍数。输出信号无非是对这一系列被放大的正弦信号的线性叠加，因此，输出的不规则信号也会被放大相同倍数。

      由于正弦信号通常又称为“交流信号”，故我们将放大电路对正弦输入信号的放大倍数，称为“交流放大倍数”。

      但问题是，这样微弱的信号，如果不加偏置电压，直接连接到共基组态电路的输入端，BJT是无法工作的，因为在输入信号正半周，虽然发射结正偏，但输入信号幅值通常远小于0.7V，无法使发射结导通；而在信号负半周，发射结更是进入反偏状态，完全无法工作。最好是将这个输入信号叠加在0.7V左右的直流电平上，使发射结能够正偏且产生一定的电流，如下图所示：

图 3-4.03 

      回忆电容器的特性：电容阻碍直流电流通过，对直流信号相当于开路；但是对于交流信号相当于短路，具有“隔直通交”的特性。因此，这就是耦合电容C₁的作用，它可以将交流信号耦合叠加在一个独立的直流偏置电源上，如下图所示：

图 3-4.04 

      至于电容C₁的值取多大，这个取决于你要放大多高频率的输入信号，这个我们在后面讲频率响应的章节再详细讲。现在你可以当这个电容为一个理想的“隔直通交”器件：

      如此这般，就可以在共基电路的发射结上，产生0.7V上下微小正弦波动的电压（V_BE），进而使发射极电流I_E也产生这样的上下正弦波动。如下图所示：

图 3-4.05 

      一般0.7V的标准电源不太好找，我们可以用一个容易得到的标准电源（比如5V），再加一个分压电阻来得到我们需要的0.7V偏置，至于这个分压电阻阻值取多大，这个在下面的静态工作点分析中会讲。

 

2.   静态工作点

 

（1） 输入静态工作点

      我们将共基放大电路重画于下，在直流分析（静态分析）时，可将动态输入电压v_i视为0。

图 3-4.06 

      对于输入端，在BJT的发射结正偏状态下，发射结可视为一个二极管PN结，我们采用简化分析模型，一般假设V_BE固定为0.7V。

      在输入回路可得：

      上式的I_E即为输入端的静态工作电流，在上式中我们可以取合适的R_E，而得到一个比较合理的I_E值（一般为几个毫安级）。

 

（2） 输出静态工作点

      输出静态工作点，即为求I_C和V_CB，由于I_C≈I_E，因此，主要任务是求V_CB。输出回路的电压电流关系如下图所示：

图 3-4.07 

      在输出回路可得：

      在实际计算中，常可用I_E近似I_C代入上式进行计算。

案例3-4-1： 求以下共基电路的静态工作点：I_E、V_CB、I_B

解： 对于输入回路：

      对于输出回路：

      最后再来求I_B：

 

3. 信号放大原理简述

 

（1） 正常放大

      在掌握了输入输出静态工作点的计算方法后，现在我们来简要地看一看共基放大电路是如何放大电压信号的，我们将前面的共基放大电路重画于下，先看输入部分：

图3-4.09 

      假设输入信号v_i为微小正弦信号，表达式为：

      在静态工作点的时，E点的电压V_E为-0.7V，现在由于叠加了输入微小正弦电压v_i，因此现在E点的电压为在-0.7V的上下微小动态变化，写成数学表达式就是：

      此时，v_BE即为：

      （注意：原来在直流分析时我们用的都是大写的V表示直流电压，现在由于E点电压中在原来的直流基础上叠加了一个微小正弦交流分量，故按一般电路表示惯例：用小写的v表示既包含直流成份也包含交流成份的总电压，下标仍旧不变用大写。）

      那么，输入端的总电流i_E写成数学表达式即为：

      从上式可以看出，输入总电流i_E即为先前算出的静态输入电流I_E加上一个动态的交流成份，在输入伏安特性曲线图上可表示如下：

图3-4.10 

      再来看输出部分，如下图所示：

图3-4.11 

      输出总电压v_CB的表达式为：

      前面说过，在输出分析时，我们可以用到i_C≈i_E的关系式，那么将i_E代入上式可得：

      最终的输出电压v_o为v_CB通过C₂去耦（去除直流成份）后，剩余的交流部分，即：

      可见，最终输出电压vO相比输入电压v_i放大了R_C/R_E倍，我们可以通过选取合适的R_C和R_E的阻值，来得到我们需要的放大倍数。

      在输出伏安特性曲线图上，也可以看出类似的结果：

图3-4.12 

      在上图中，Q点是直流输出静态工作点，在1-4小节负载线分析时我们讲过，对于含非线性器件的回路（这里可以将v_CB-i_C看作是一个非线性器件），由于它必须遵守欧姆定律，所以它的电压和电流必定在“负载线”上移动（上图中的斜直线）。至于具体在负载线上哪个位置，由瞬时电流i_E决定：对于波动电流i_E，在每一个瞬间，都有一个不同的瞬时电流值，这个瞬时电流值对应着输出特性图上一条唯一的输出曲线。这条输出曲线与前面的负载线的交点，即为每一个瞬间“输出电压v_CB”和“输出电流i_C”的值。

      在上图中可以看到，当输出电流i_c在静态工作点I_CQ上下波动时，使得输出电压v_CB也在静态工作点V_CBQ上下产生波动，最终产生了放大了的波动输出电压v_CB。

 

（2） 饱和区

      术语“饱和”（saturation）是指某个量已达系统允许的最大值，不能再大了。对于放大电路来讲，当输出电压v_CB增大到一定上限后，不能再按比例放大输入信号，此时称BJT晶体管进入饱和区。我们来看下图：

图3-4.13 

      前面我们说过，输出电流i_C和输出电压v_CB必须在负载线和各输出特性曲线的交点上。在上图中我们可以看到，当i_C增大到图中的饱和点时，虽然理论上还可以沿负载线继续增大，但由于BJT固有的输出特性曲线的限制，无法再与特性曲线相交了，故上图中的“饱和点”即为电路中i_C允许的最大值，再往左的区域i_C已经无法继续增大了，故称为饱和区。

      对于放大电路来讲，静态工作点Q点的设计是非常重要的。我们应该使Q点尽量靠近放大区的中间位置，这样能使放大电路最大限度范围地放大输入信号；如果Q点设计位置不当，会使放大电路的放大范围非常狭窄，我们看下图：

图3-4.14 

      在上图中Q点过于靠左，这样会使得i_C很容易到达饱和点而无法继续增大，最终导致输出电流i_C和输出电压v_CB波形变形。

      事实上，在共基放大电路中，由于i_E≈i_C，i_C受限会导致输入端的i_E也跟着受限而无法继续增大，进而导致电阻R_E上的电压也无法随着输入波动电压的增大而增大，这些增量的输入电压最后都会加到晶体管的发射结上，过高的发射结电压会导致晶体管损坏。

     

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（ end of 3-4 ）

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