共基放大電路的直流分析

一個典型的BJT共基極放大器電路如下圖所示：

圖 3-4.01?

輸入端口vi和輸出端口vo共用BJT的基極端子，VEE和RE構成發(fā)射結的偏置電壓，VCC和RC構成集電結的偏置電壓。和上小節(jié)的共基組態(tài)相比，輸入端和輸出端多了兩個耦合電容C1和C2，稍后我們會解釋這兩個電容的作用。

下面我們一步一步對這個共基放大電路進行詳細分析。

1.?? 耦合電容

一般來說，我們需要放大的原始信號通常為自然的不規(guī)則變化信號，而且原始信號的幅值非常微?。╩V或uV級），在0V上下的很小范圍內波動，如下圖所示：

圖 3-4.02?

根據信號分析理論，任何不規(guī)則的非周期信號都可以由一系列幅值和頻率不同的正弦信號疊加得到。因此，只要分析了某個特定的正弦輸入信號經過放大器后的輸出信號的放大倍數，那么，放大電路對其他所有頻率和幅值的正弦信號都應遵守這個放大倍數。輸出信號無非是對這一系列被放大的正弦信號的線性疊加，因此，輸出的不規(guī)則信號也會被放大相同倍數。

由于正弦信號通常又稱為“交流信號”，故我們將放大電路對正弦輸入信號的放大倍數，稱為“交流放大倍數”。

但問題是，這樣微弱的信號，如果不加偏置電壓，直接連接到共基組態(tài)電路的輸入端，BJT是無法工作的，因為在輸入信號正半周，雖然發(fā)射結正偏，但輸入信號幅值通常遠小于0.7V，無法使發(fā)射結導通；而在信號負半周，發(fā)射結更是進入反偏狀態(tài)，完全無法工作。最好是將這個輸入信號疊加在0.7V左右的直流電平上，使發(fā)射結能夠正偏且產生一定的電流，如下圖所示：

圖 3-4.03?

回憶電容器的特性：電容阻礙直流電流通過，對直流信號相當于開路；但是對于交流信號相當于短路，具有“隔直通交”的特性。因此，這就是耦合電容C1的作用，它可以將交流信號耦合疊加在一個獨立的直流偏置電源上，如下圖所示：

圖 3-4.04?

至于電容C1的值取多大，這個取決于你要放大多高頻率的輸入信號，這個我們在后面講頻率響應的章節(jié)再詳細講。現在你可以當這個電容為一個理想的“隔直通交”器件：

如此這般，就可以在共基電路的發(fā)射結上，產生0.7V上下微小正弦波動的電壓（VBE），進而使發(fā)射極電流IE也產生這樣的上下正弦波動。如下圖所示：

圖 3-4.05?

一般0.7V的標準電源不太好找，我們可以用一個容易得到的標準電源（比如5V），再加一個分壓電阻來得到我們需要的0.7V偏置，至于這個分壓電阻阻值取多大，這個在下面的靜態(tài)工作點分析中會講。

2.?? 靜態(tài)工作點

（1）輸入靜態(tài)工作點

我們將共基放大電路重畫于下，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 3-4.06?

對于輸入端，在BJT的發(fā)射結正偏狀態(tài)下，發(fā)射結可視為一個二極管PN結，我們采用簡化分析模型，一般假設VBE固定為0.7V。

在輸入回路可得：

上式的IE即為輸入端的靜態(tài)工作電流，在上式中我們可以取合適的RE，而得到一個比較合理的IE值（一般為幾個毫安級）。

（2）輸出靜態(tài)工作點

輸出靜態(tài)工作點，即為求IC和VCB，由于IC≈IE，因此，主要任務是求VCB。輸出回路的電壓電流關系如下圖所示：

圖 3-4.07?

在輸出回路可得：

在實際計算中，?？捎肐E近似IC代入上式進行計算。

案例3-4-1： 求以下共基電路的靜態(tài)工作點：IE、VCB、IB

解：對于輸入回路：

對于輸出回路：

最后再來求IB：

3. 信號放大原理簡述

（1）正常放大

在掌握了輸入輸出靜態(tài)工作點的計算方法后，現在我們來簡要地看一看共基放大電路是如何放大電壓信號的，我們將前面的共基放大電路重畫于下，先看輸入部分：

圖3-4.09?

假設輸入信號vi為微小正弦信號，表達式為：

在靜態(tài)工作點的時，E點的電壓VE為-0.7V，現在由于疊加了輸入微小正弦電壓vi，因此現在E點的電壓為在-0.7V的上下微小動態(tài)變化，寫成數學表達式就是：

此時，vBE即為：

（注意：原來在直流分析時我們用的都是大寫的V表示直流電壓，現在由于E點電壓中在原來的直流基礎上疊加了一個微小正弦交流分量，故按一般電路表示慣例：用小寫的v表示既包含直流成份也包含交流成份的總電壓，下標仍舊不變用大寫。）

那么，輸入端的總電流iE寫成數學表達式即為：

從上式可以看出，輸入總電流iE即為先前算出的靜態(tài)輸入電流IE加上一個動態(tài)的交流成份，在輸入伏安特性曲線圖上可表示如下：

圖3-4.10?

再來看輸出部分，如下圖所示：

圖3-4.11?

輸出總電壓vCB的表達式為：

前面說過，在輸出分析時，我們可以用到iC≈iE的關系式，那么將iE代入上式可得：

最終的輸出電壓vo為vCB通過C2去耦（去除直流成份）后，剩余的交流部分，即：

可見，最終輸出電壓vO相比輸入電壓vi放大了RC/RE倍，我們可以通過選取合適的RC和RE的阻值，來得到我們需要的放大倍數。

在輸出伏安特性曲線圖上，也可以看出類似的結果：

圖3-4.12?

在上圖中，Q點是直流輸出靜態(tài)工作點，在1-4小節(jié)負載線分析時我們講過，對于含非線性器件的回路（這里可以將vCB-iC看作是一個非線性器件），由于它必須遵守歐姆定律，所以它的電壓和電流必定在“負載線”上移動（上圖中的斜直線）。至于具體在負載線上哪個位置，由瞬時電流iE決定：對于波動電流iE，在每一個瞬間，都有一個不同的瞬時電流值，這個瞬時電流值對應著輸出特性圖上一條唯一的輸出曲線。這條輸出曲線與前面的負載線的交點，即為每一個瞬間“輸出電壓vCB”和“輸出電流iC”的值。

在上圖中可以看到，當輸出電流ic在靜態(tài)工作點ICQ上下波動時，使得輸出電壓vCB也在靜態(tài)工作點VCBQ上下產生波動，最終產生了放大了的波動輸出電壓vCB。

（2）飽和區(qū)

術語“飽和”（saturation）是指某個量已達系統(tǒng)允許的最大值，不能再大了。對于放大電路來講，當輸出電壓vCB增大到一定上限后，不能再按比例放大輸入信號，此時稱BJT晶體管進入飽和區(qū)。我們來看下圖：

圖3-4.13?

前面我們說過，輸出電流iC和輸出電壓vCB必須在負載線和各輸出特性曲線的交點上。在上圖中我們可以看到，當iC增大到圖中的飽和點時，雖然理論上還可以沿負載線繼續(xù)增大，但由于BJT固有的輸出特性曲線的限制，無法再與特性曲線相交了，故上圖中的“飽和點”即為電路中iC允許的最大值，再往左的區(qū)域iC已經無法繼續(xù)增大了，故稱為飽和區(qū)。

對于放大電路來講，靜態(tài)工作點Q點的設計是非常重要的。我們應該使Q點盡量靠近放大區(qū)的中間位置，這樣能使放大電路最大限度范圍地放大輸入信號；如果Q點設計位置不當，會使放大電路的放大范圍非常狹窄，我們看下圖：