2.2 共发射极基本放大电路

2.2.1 共发射极放大电路的组成

如图2-3a所示为共发射极放大电路实际电路图，图中的直流电源用U_CC表示，它给放大电路提供能源，且通过与R_B和R_C的配合，晶体管发射结正偏，集电结反偏。习惯上会简化U_CC的画法，只在放大电路与U_CC相连的一端标出它对地的电压值U_CC和极性，如图2-3b所示。

在放大电路中，通常把公共端接“地”，设其电位为零，作为电路中其他各点电位的参考点；信号源接到放大电路输入端，e_S是交流信号源，作为待放大信号，R_S信号源内阻，输入电压为u_i；u_i经放大后在负载R_L两端得到输出电压u_o。

晶体管VT：被称为放大元件，是放大电路的核心器件，电路工作在放大状态下时，基极电流i_B与集电极电流i_C的关系为i_C=βi_B。

基极偏置电阻R_B：用来调节基极偏置电流I_B，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。

集电极偏置电阻R_C：将集电极电流i_C的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。

电容C₁和C₂：利用电容“隔直通交”作用，一方面用来传递交流信号，起到耦合的作用；另一方面使放大电路和信号源及负载间直流相隔离。C₁和C₂通常选用几微法至几十微法的电解电容器。

2.2.2 放大电路中符号规定

放大电路中存在着两类性质截然不同的电压源：交流信号源e_S和直流电压源。在分析放大电路时，必须将这两类信号各自讨论分析，不能混淆，常采用下述符号规定。

1）直流分量：用大写变量、大写下标表示，如I_B表示基极电流的直流分量。

2）交流分量：交流分量的瞬时值用小写变量、小写下标表示，如i_b表示基极电流的交流瞬时值；交流分量的有效值用大写变量、小写下标表示，如I_b表示基极电流i_b的有效值；正弦交流分量的相量用有效值上加一点来表示，如表示基极正弦交流电i_b的相量，但是。

3）叠加量：交流分量与直流分量叠加后的瞬时值用小写变量、大写下标表示，如i_B表示基极总电流，即i_B=I_B+i_b。表2-1列出了本章常用的几个电压和电流符号表示。

2.2.3 共发射极放大电路的静态分析

当e_S=0时，即没有信号源作用，放大电路中的输入电压u_i=0，此时电路中只有直流电压源U_CC起作用，放大电路中各处电压、电流都是直流分量，这种状态称为放大电路的直流工作状态或静止状态，简称静态。静态分析又称直流分析，用来确定晶体管是否工作在其输出特性曲线的放大区，在理论上，静态分析是动态分析的基础和先决条件。在实际调试电路时，也往往首先要确保电路的静态工作正常。

当放大电路处于静态时，电容视为开路，电感视为短路，电路中只有直流流过的路径称为放大电路的直流通路。图2-4a所示的共发射极放大电路的直流通路如图2-4b所示，图中的电压、电流用直流分量的符号可表示为I_B、I_C、U_BE和U_CE。

放大电路中的静态工作点用Q表示。在输出特性曲线上，静态工作点Q是由I_BQ、I_CQ和U_CEQ确定的，图2-5所示为静态工作点Q的计算电路。

图2-5a所示电路为I_BQ的计算电路。I_BQ称为基极偏置电流，是流过电阻R_B后流入晶体管的基极电流，由基尔霍夫电压定律可知，U_CC=I_BQR_B+U_BEQ，可得

式（2-1）中，硅晶体管的U_BE≈0.7V，锗晶体管的U_BE≈0.3V，在计算过程中可忽略不计，当U_CC和R_B选定后，I_BQ即固定不变，故图2-4a所示的放大电路又称为固定偏置放大电路。

当晶体管处于放大状态，由晶体管的电流放大原理可得流过电阻R_C的集电极电流I_CQ为

图2-5b所示电路为U_CEQ的计算电路。由基尔霍夫电压定律可知，U_CC=I_CQR_C+U_CEQ，可得

由式（2-3）可知，当U_CE=0时，；当I_C=0时，U_CE=U_CC。

在晶体管输出特性曲线的坐标系中，可以得到一条U_CE和I_C关系的直线，即输出回路的直流负载线，其与横轴的交点坐标为（U_CC，0），与纵轴的交点坐标为（0，），斜率为，如图2-6所示，它与由I_BQ确定的输出特性曲线相交于Q，Q点对应的集电极电流是I_CQ，对应的电压值是U_CEQ。

【例2-1】图2-7a所示的放大电路中，设U_CC=12V、R_C=3kΩ、R_B=600kΩ，晶体管VT的β=100，忽略U_BE，求：1）放大电路的静态工作点Q（I_BQ、I_CQ、U_CEQ）。2）在输出特性曲线中画出直流负载线。

解：

1）首先画出放大电路的直流通路如图2-7b所示。忽略U_BE，即取U_BEQ≈0V，得

2）由已知条件可知：U_CE=U_CC-I_CR_C

当U_CE=0时，；当I_C=0时，U_CE=U_CC=12V；

放大电路输出的直流负载线如图2-8所示，这条直线与I_BQ=20μA的交点就是静态工作点Q，Q点的I_CQ=2mA，U_CEQ=6V。

在静态工作点的计算过程中，忽略晶体管U_BE的取值，对静态工作点的数值是有一定的影响，但在工程应用上是允许的，本书中若不专门强调，均取U_BE≈0V。

2.2.4 共发射极放大电路的动态分析

1．共发射极放大电路的交流通路

在直流电压源U_CC和信号源e_S的共同作用下，放大电路的输入电压u_i≠0，晶体管各电极的电流和电压都是叠加量，即在静态值的基础上叠加有交流分量，可得

放大电路的这种状态称为动态，如图2-9所示。对放大电路的交流分量i_B、u_BE、i_C和u_CE的分析称为放大电路的交流分析。

为简化问题，便于交流分析，对如图2-9所示的共发射极放大电路作如下处理，便可以得到它的交流通路，如图2-10a所示，整理后可得到图2-10b所示的电路。

1）由于C₁和C₂容量通常很大，对中高频交流信号而言，其呈现的容抗就很小，交流分析时，可视为短路。

2）由于直流电压源U_CC视作理想电压源，对交流信号而言，其内阻很小，可视为交流短路。

2．晶体管的微变等效模型

由于晶体管是非线性元件，在进行放大电路的交流分析时，需要将晶体管线性化，等效为一个线性元件，进而将放大电路等效成为一个线性电路，即微变等效电路，这样就可用分析线性电路的方法，来分析晶体管放大电路，计算相关的动态性能指标。

如图2-11a所示，虽然晶体管的输入特性曲线是非线性的，但U_BE在Q点附近小范围内变化时，可以得到ΔU_BE的微小电压变化量，这个变化量在Q₁和Q₂之间的输入特性曲线近似为一条直线。当U_CE=U_CEQ时，电压变化量ΔU_BE与电流变化量ΔI_B成正比，即

r_be称为晶体管输入电阻，低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算：

式中，I_EQ为发射极电流的静态值，单位为mA。它与I_BQ和I_CQ存在一定的数量关系，因此I_EQ也可变换成I_BQ或者取I_CQ≈I_EQ进行计算。

在小信号的作用下，r_be是一常数，它是确定交流分量u_be和i_b之间关系的动态电阻。因此，晶体管的输入端口（B和E之间）可用r_be来等效代替；在晶体管的输出特性曲线组中，放大区内输出特性曲线可近似看作一簇等距离的平行直线。当U_CE=U_CEQ时，在ΔU_BE的作用下，会产生的电流变化量ΔI_B和ΔI_C，变化量ΔI_B和ΔI_C之比即为晶体管的电流放大系数β。在小信号的作用下，β是一常数，它表明i_c受i_b的控制，即：可等效成一个受i_b控制的受控电流源，如图2-12a所示。

在图2-12a中，晶体管C和E两端的电阻r_ce称为晶体管的输出电阻。在小信号作用下，r_ce是一个常数，相当于受控电流源βi_b的动态电阻。r_ce的阻值很高，约为几十千欧到几百千欧，在实际分析过程中可以忽略不计，所造成的误差是在工程估算的允许范围内。未特别说明，本书都采取忽略r_ce的微变等效电路，如图2-12b所示。

3．用微变等效电路法分析动态工作情况

在晶体管的微变等效模型的基础上，就可以把图2-13a转换成如图2-13b所示的晶体管共发射极放大电路的微变等效电路。晶体管放大电路的动态性能指标主要有：输入电阻r_i、输出电阻r_o和电压放大倍数A_u。

（1）输入电阻r_i

对信号源而言，放大电路是一个负载，如图2-13b所示。从输入信号两端看进去，放大电路可以等效为一个电阻，这就是放大电路输入电阻r_i，可得

因为R_B＞＞r_be，所以可得

输入电压与信号源电压的关系为

由式（2-8）可知，输入电阻的大小决定了放大电路输入端从信号源获得的信号电压的大小，关系到对信号源电压是否有效利用。为减小信号源在其内阻R_S上的损失，一般要求放大电路的输入电阻r_i越大越好。

（2）输出电阻r_o

如图2-13b所示，对负载而言，放大电路可等效为一个信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻r_o，它就是从放大电路输出端看进去的等效电阻。

由图2-14a可得，去掉负载电阻R_L后，R_C两端的开路电压，由图2-14b可得短路电流，所以输出电阻r_o为

此外，也可用除源观察法求输出电阻如图2-15所示。电压信号短路，流过动态电阻r_be上的电流为零，即，故受控电流源，等同于受控电流源开路。从原来R_L的位置向左看进去，也可得放大电路的输出电阻r_o=R_C。

（3）电压放大倍数A_u

在如图2-13所示的共射极放大电路的微变等效电路中，电压放大倍数A_u为输入信号与输出信号之比，在这里要提醒读者注意，晶体管放大电路的带载情况对电路的放大倍数是有影响的，首先来分析晶体管放大电路空载（即：电路无R_L的情况）。设信号源电压e_S的输入信号为正弦电压信号，则微变等效电路的输入回路为

由输出回路为

则

当电路接入负载电阻时，输入信号不受影响，而交流负载电阻为R_C与R_L并联，即

此时，输出回路有为

则

由A_u的计算公式可知，A_u与β、R_C、R_L和r_be有关，式（2-12）和式（2-15）中的负号表示输出电压与输入电压反向。

【例2-2】如图2-16a所示的放大电路中，设U_CC=12V、R_C=3kΩ、R_B=300kΩ，晶体管VT的β=50、R_L=3kΩ，忽略发射结正向压降，信号源e_S=40sin314tmV，其内阻R_S=510Ω。试求：1）放大电路的静态工作点Q（I_BQ、I_CQ、U_CEQ）。2）晶体管的输入电阻r_be。3）放大电路的输入电阻r_i、输出电阻r_o和电压放大倍数A_u。4）输入电压u_i和输出电压u_o。

解：1）首先画出放大电路的直流通路如图2-16b所示。

忽略发射结正向压降U_BE，即取U_BEQ≈0V，得

2）取：I_EQ≈I_CQ=2mA

3）放大电路的输入电阻为

放大电路的输出电阻为

r_o≈R_C=3kΩ

放大电路的电压放大倍数为

4）输入电压为

输出电压为

u_o=A_u·u_i≈-86.9×25.1sin314tmV=-2.18sin314t V

综上所述可得：共发射极放大电路的输入端从信号源e_S获得按正弦规律变化的输入电压u_i，经电容C₁耦合到晶体管的基极，与静态基极电流叠加成i_B，i_B的变化使集电极电流i_C随之变化，进而在集电极电阻R_C上产生压降，集电极电压u_CE=U_CC-i_CR_C，u_CE的变化与i_C的变化相反。u_CE中的交流分量经过C₂耦合到输出端获得与输入电压u_i反向的输出电压u_o。共发射极放大电路中各点的电压波形如图2-17所示。

2.2.5 放大电路的非线性失真

正常工作的放大电路要求输出信号不能失真。所谓失真是指输出信号偏离输入信号的波形。当放大电路的静态工作点Q设置不合适或者当信号源电压e_S过大，就会使输出信号超出了晶体管的线性放大区，产生非线性失真，放大电路的失真包括饱和失真和截止失真两种情况。

失真现象是在电路动态状态下出现的，在这里需要提到的是交流负载线的概念。当电路有信号源输入，并带有负载电阻R_L时，电路动态状态下的i_C和u_CE的关系是一条经过Q点的斜率为的一条直线，称为交流负载线，如图2-18所示中的直线MN。

当静态工作点Q设置过低，在信号源e_S的正半周可以正常工作，但在信号源e_S的负半周时，输入信号电压的波形进入了截止区，导致输出电压u_o的正半周波形失真，称为截止失真，如图2-18所示。

当静态工作点Q设置过高时，就会出现与截止失真完全相反的现象。在信号源e_S的正半周，有些工作点已进入饱和区，引起输出电压u_o的负半周波形失真，称为饱和失真，如图2-19所示。

此外当信号源e_S的电压过大时也会导致截止失真和饱和失真的情况，请读者自行分析。