第5节 共发射极放大器(修订中)
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在本章的开头，它说明了如何将[晶体管](https://www.allaboutcircuits.com/video- 放大器 (opens new window)。
# 1. 晶体管作为简单开关
___共发射极___先前研究的一种较简单的晶体管放大器电路说明了晶体管的开关能力。
NPN晶体管作为一个简单的开关。
之所以称为_共发射极_配置，是因为（忽略电源电池）信号源和负载共享发射极引线作为下图所示的公共连接点。正如我们将在本章后面的部分中看到的那样，这不是晶体管用作放大器的唯一方法。
共发射极放大器：输入和输出信号都共享到发射极的连接。
以前，一个小的太阳能电池电流使晶体管饱和，点亮一盏灯。现在知道晶体管可以__根据输入信号源提供的基极电流量“限制”其集电极电流，我们应该看到该电路中灯的亮度可以通过太阳能电池的曝光来控制__。当只有一点光照射在太阳能电池上时，灯就会发出微弱的光。随着更多的光落在太阳能电池上，灯的亮度将稳步增加。
假设我们有兴趣将太阳能电池用作光强度仪器。我们想通过使用太阳能电池的输出电流来驱动仪表移动来测量入射光的强度。为此，可以将仪表机芯直接连接到太阳能电池。最简单的摄影工作测光表就是这样设计的。
高强度光直接驱动测光表。
虽然这种方法可能适用于中等光强度测量，但它不适用于低光强度测量。由于太阳能电池必须满足仪表运动的电力需求，因此系统的灵敏度必然受到限制。假设我们这里需要测量非常低的光强度，我们被迫寻找另一种解决方案。
# 2. 晶体管作为放大器
对于这个测量问题，最直接的解决方案可能是使用晶体管__来_____放大___ 太阳能电池的电流，以便在入射光较少的情况下获得更多的仪表偏转。
对于低强度光，必须放大电池电流。
在这个电路中通过仪表运动的电流将是太阳能电池电流的 β 倍。对于 100 的晶体管 β，这表示测量灵敏度显著提高。谨慎地指出，移动仪表指针的额外电力来自电路最右侧的电池，而不是太阳能电池本身。太阳能电池的所有电流都是_控制_电池电流到仪表，以提供比太阳能电池单独提供的更大的仪表读数。
因为晶体管是一种电流调节装置，而且由于仪表的运动指示是基于通过动圈的电流，所以该电路中的仪表指示应该只取决于来自太阳能电池的电流，而不是由太阳能电池提供的电压量。电池。这意味着电路的精度将不受电池状况的影响，这是一个显著的特点！电池只需要一定的最小电压和电流输出能力来驱动仪表满量程。
# 3. 电流通过负载电阻产生的电压输出
可以使用共发射极配置的另一种方式是产生源自输入信号的输出_电压，而不是特定的输出__电流_。让我们用一个普通的电阻器代替仪表的运动，并测量集电极和发射极之间的电压。
由于电流通过负载电阻，共射极放大器产生电压输出。
随着太阳能电池变暗（无电流），晶体管将处于截止模式并表现为集电极和发射极之间的开路开关。这将在集电极和发射极之间产生最大电压降，以实现最大 V输出，等于电池的全电压。
在全功率（最大曝光量）下，太阳能电池将驱动晶体管进入饱和模式，使其表现为集电极和发射极之间的闭合开关。结果将是集电极和发射极之间的最小电压降，或几乎为零的输出电压。实际上，由于集电极电流必须通过两个 PN 结，饱和晶体管永远无法实现集电极和发射极之间的零电压降。然而，这个“集电极-发射极饱和电压”将相当低，大约为十分之几伏特，具体取决于所使用的具体晶体管。
对于介于零和最大太阳能电池输出之间的曝光水平，晶体管将处于活动模式，输出电压将介于零和电池满电压之间。这里需要注意的关于共射极配置的一个重要特性是输出电压相对于输入信号是_反相的。也就是说，输出电压随着输入信号的增加而降低。因此，共射极放大器配置被称为___反相_____放大器。_
下图电路的快速 SPICE 仿真（下图）将验证我们关于此放大器电路的定性结论。
*共发射极放大器 i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end
带有节点号和相应 SPICE 网表的共发射极原理图。
共发射极：集电极电压输出与基极电流输入。
在上图中的模拟开始时，电流源（太阳能电池）输出零电流，晶体管处于截止模式，电池的全部 15 伏电压显示在放大器输出端（节点 2 和 0 之间） . 随着太阳能电池的电流开始增加，输出电压按比例降低，直到晶体管在 30 µA 基极电流（3 mA 集电极电流）下达到饱和。请注意图表上的输出电压轨迹是如何完美线性的（从 15 伏到 1 伏的步长为 1 伏），直到饱和点，它永远不会完全达到零。这就是前面提到的效果，由于内部结效应，饱和晶体管永远无法在集电极和发射极之间实现完全零压降。我们看到的是输出电压从 1 伏急剧下降到 0。2261 伏特，输入电流从 28 µA 增加到 30 µA，然后输出电压从那时起持续下降（尽管步幅越来越小）。在这个模拟中得到的最低输出电压是 0.1299 伏，逐渐接近零。
# 4. 晶体管作为交流放大器
到目前为止，我们已经看到晶体管用作直流信号的放大器。在太阳能电池照度计示例中，我们对放大太阳能电池的直流输出以驱动直流电表移动或产生直流输出电压感兴趣。然而，这不是晶体管可以用作放大器的唯一方式。通常需要用于放大_交流_电流和电压信号的_交流放大器。_一种常见的应用是音频电子设备（收音机、电视和公共广播系统）。早些时候，我们看到了一个音叉激活晶体管开关的音频输出示例。让我们看看我们是否可以修改该电路以向扬声器而不是下图中的灯供电。
晶体管开关由音频激活。
在原电路中，使用全波桥式整流器 (opens new window)将麦克风的交流输出信号转换为直流电压，以驱动晶体管的输入。我们在这里关心的只是用麦克风发出的声音信号打开灯，这种安排就足够了。但现在我们要重现交流信号并驱动扬声器。这意味着我们无法再对麦克风的输出进行整流，因为我们需要一个不失真的交流信号来驱动晶体管，移除桥式整流器并用扬声器替换灯：
共射放大器以音频信号驱动扬声器。
由于麦克风产生的电压可能超过基极-发射极 PN（二极管）结的正向压降，因此必须在麦克风上串联一个电阻。用 SPICE 模拟电路。网表包含在（下图）
SPICE 版本的共发射极音频放大器。
共发射极放大器 vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1, 0) i(v1) .end
由于缺少 DC 基极偏置，信号在集电极处被削波。
仿真绘制了输入电压（1.5 伏峰值幅度和 2000 Hz 频率的交流信号）和通过 15 伏电池的电流，这与通过扬声器的电流相同。我们在这里看到的是一个在正负方向上交替的完整交流正弦波和一个仅在一个方向上脉冲的半波输出电流波形。如果我们用这种波形驱动扬声器，产生的声音会失真。
电路有什么问题？为什么它不能忠实地再现麦克风的整个交流波形？这个问题的答案是通过仔细检查下图中的晶体管二极管 (opens new window)电流源模型找到的。
该模型显示基极电流沿一个方向流动。
集电极电流通过恒流机制根据通过基极-发射极二极管的电流设定的速度进行控制或调节。请注意，通过晶体管的两条电流路径都是单向的：只有一种方式！尽管我们打算使用晶体管来放大_AC_信号，但它本质上是_DC_设备，能够处理单一方向的电流。我们可以在基极和发射极之间施加交流电压输入信号，但在使基极-发射极二极管结反向偏置的周期部分，电流不能在该电路中流动。因此，晶体管将在整个周期的那部分保持截止模式。只有当输入电压具有正确的极性以正向偏置基极-发射极二极管，并且只有当该电压足够高以克服二极管的正向压降时，它才会在其活动模式下“开启”。请记住，双极晶体管是_电流控制器件：它们根据基极到发射极电流的存在来调节集电极电流，而不是基极到发射极_电压。
当电流通过扬声器时，我们可以让晶体管再现整个波形的唯一方法是让晶体管始终处于活动模式。这意味着我们必须在整个输入波形周期内保持通过基极的电流。因此，基极-发射极二极管结必须始终保持正向偏置。幸运的是，这可以通过将直流_偏置电压_添加到输入信号来实现。通过将足够的直流电压与交流信号源串联，可以在整个波周期的所有点保持正向偏压。（下图）
Vbias 使晶体管保持在有源区。
共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot反式 v(1,0) i(v1) .end
由于 Vbias 导致的未失真输出电流 I(v(1)
使用 2.3 伏的偏置电压源，晶体管在整个波形周期内都保持在其活动模式，从而忠实地再现扬声器的波形。请注意，输入电压（在节点 1 和 0 之间测量）在大约 0.8 伏和 3.8 伏之间波动，正如预期的那样，峰峰值电压为 3 伏（源电压 = 1.5 伏峰值）。输出（扬声器）电流在零和几乎 300 mA 之间变化，与输入（麦克风）信号相差 180°。
下图中的插图是同一电路的另一个视图，这次在关键点连接了几个示波器（“示波器”）以显示所有相关信号。
输入在底部向上偏置。输出反相。
# 5. 偏向
需要对晶体管放大器电路进行偏置以获得全波形再现是一个重要的考虑因素。本章的一个单独部分将完全致力于偏置和偏置技术的主题。就目前而言，了解偏置对于放大器的正确电压和电流输出可能是必要的就足够了。
现在我们有了一个正常工作的放大器电路，我们可以研究它的电压、电流和功率增益。这些 SPICE 分析中使用的通用晶体管的 β 为 100，如下表文本输出中包含的短晶体管统计打印输出所示（为简洁起见，这些统计数据从最后两个分析中删除）。
BJT SPICE 模型参数。
npn 类型为 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000
β 列在缩写“bf”下，实际上代表“beta, forward”。如果我们想插入我们自己的 β 比率进行分析，我们可以在 SPICE 网表的 .model 行中这样做。
由于 β 是集电极电流与基极电流之比，并且我们的负载与晶体管的集电极端子串联，源极与基极串联，因此输出电流与输入电流之比等于 beta。因此，此示例放大器的当前增益为 100 或 40 dB。
# 6. 电压增益
该电路的电压增益比电流增益更复杂一些。与往常一样，电压增益定义为输出电压除以输入电压的比率。为了通过实验确定这一点，我们修改了最后的 SPICE 分析以绘制输出电压而不是输出电流，因此我们在下图中有两个电压图进行比较。
共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot反式 v(1,0) v(3) .end
V(3)，r spkr__两端的输出电压_，与输入相比。_
以相同的比例（从 0 到 4 伏）绘制，我们看到上图中的输出波形具有比输入波形更小的峰峰值幅度，除了处于较低的偏置电压，而不是从0伏，如输入。由于交流放大器的电压增益由交流幅度的比率定义，因此我们可以忽略分隔两个波形的任何直流偏置。即便如此，输入波形仍然大于输出，这告诉我们电压增益小于 1（负 dB 数字）。
低电压增益并不是_所有_共射极放大器的特点。这是输入电阻和负载电阻之间存在巨大差异的结果。此处的输入电阻 (R1) 为 1000 Ω，而负载（扬声器）仅为 8 Ω。由于该放大器的电流增益仅由晶体管的 β 决定，并且由于该 β 值是固定的，因此该放大器的电流增益不会随着这些电阻的变化而改变。然而，电压增益_取决于_这些电阻。如果我们改变负载电阻，使其值更大，它将在其负载电流范围内按比例下降更大的电压，从而产生更大的输出波形。尝试另一个模拟，只是这次使用下图中的 30 Ω 负载而不是 8 Ω 负载。
共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot反式 v(1,0) v(3) .end
将r spkr增加到 30 Ω 会增加输出电压
这次上图中的输出电压波形在幅度上明显大于输入波形。仔细观察，我们可以看到输出波形的峰值在 0 到大约 9 伏之间：大约是输入电压幅度的 3 倍。
我们可以对该电路进行另一次计算机分析，这一次指示 SPICE 从交流的角度对其进行分析，为我们提供输入和输出的峰值电压图，而不是基于时间的波形图。（下表）
用于打印交流输入和输出电压的 SPICE 网表。
共发射极放大器 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(4,3) . 结束频率 v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00
输入和输出的峰值电压测量显示输入为 1.5 伏，输出为 4.418 伏。这为我们提供了 2.9453 (4.418 V / 1.5 V) 或 9.3827 dB 的电压增益比。
求解电压增益：
因为共射放大器的电流增益由 β 固定，并且由于输入和输出电压将等于输入和输出电流乘以各自的电阻，我们可以推导出一个近似电压增益的方程：
如您所见，电压增益的预测结果与模拟结果非常接近。凭借完美的线性晶体管行为，两组数字将完全匹配。SPICE 在其分析中合理地解释了双极晶体管功能的许多“怪癖”，因此基于 SPICE 输出的电压增益略有不匹配。
无论我们在哪里测量电路中的输出电压，这些电压增益都保持不变：集电极和发射极之间，或者我们在上次分析中所做的串联负载电阻。对于任何给定的输入电压量，输出电压的_变化_量将保持不变。考虑以下两个 SPICE 分析来证明这一点。下图中的第一个仿真是基于时间的，以提供输入和输出电压图。您会注意到这两个信号的相位相差 180o。下表中的第二个模拟是交流分析，为输入和输出提供简单的峰值电压读数。
共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot反式 v(1,0) v(3,0) .end
共发射极放大器显示电压增益，R spkr =30Ω 用于交流分析的 SPICE 网表
共发射极放大器 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0 ) v(3,0) . 结束频率 v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00
我们仍然有 4.418 伏的峰值输出电压和 1.5 伏的峰值输入电压。
到目前为止，本节所示的示例电路都使用了 NPN 晶体管。_只要保持正确的极性和电流方向，PNP 晶体管在任何_放大器配置中都与 NPN 一样有效，共射极放大器也不例外。PNP晶体管放大器的输出反转和增益与NPN晶体管放大器相同，只是电池极性不同。
PNP 版本的共射极放大器。
# 7. 总结
- 所谓_共射晶体管放大器是因为输入和输出电压点彼此共用晶体管的发射极引线，不考虑任何电源。_
- 晶体管本质上是直流器件：它们不能直接处理反向的电压或电流。为了使它们用于放大交流信号，输入信号必须用直流电压偏移，以使晶体管在整个波形周期内保持在其活动模式。这称为_偏置_。
- 如果在共射极放大器的发射极和集电极之间测量输出电压，它将与输入电压波形相差 180°。因此，共射放大器称为_反相_放大器电路。
- 负载与集电极串联的共射晶体管放大器的电流增益等于β。共射极晶体管放大器的电压增益大致如下所示：
- 其中“Rout”是与集电极串联的电阻，“Rin”是与基极串联的电阻。
相关练习：
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