第7节 共基放大器(修订中)
[TOC]
我们需要研究的最后一个晶体管放大器 (opens new window)配置（下图）是_共基放大器_。这种配置比其他两种更复杂，并且由于其奇怪的操作特性而不太常见。
共基放大器
# 1. 为什么叫共基放大器？
之所以称为_共基极_配置，是因为（直流电源 (opens new window)除外），信号源和负载共享晶体管的基极作为一个公共连接点，如下图所示。
共基放大器：发射极和基极之间的输入，集电极和基极之间的输出。
这种配置最显著的特点可能是输入信号源必须承载晶体管的全部发射极电流，如第一个插图中的粗箭头所示。众所周知，发射极电流大于晶体管中的任何其他电流，即基极和集电极电流之和。在最后两种放大器配置中，信号源连接到晶体管的基极引线，从而处理尽可能_少_的电流。
# 2. 共基放大器中的电流衰减
因为输入电流超过了电路中的所有其他电流，包括输出电流，所以该放大器的电流增益_小于 1_（注意 Rload 是如何连接到集电极的，因此承载的电流略小于信号源）。换句话说，它会_衰减_电流而不是_放大_电流。对于[共发射极](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 共集电极 (opens new window)放大器配置，与增益最密切相关的晶体管参数是 β。在共基极电路中，我们遵循另一个基本晶体管参数：集电极电流和发射极电流之间的比率，它总是小于 1 的分数。任何晶体管的这个分数值称为_alpha_比率或α比率。
# 3. 提升共基放大器中的信号电压
由于它显然不能提高信号电流，因此期望它提高信号电压似乎是合理的。下图中电路的SPICE (opens new window)仿真将证实该假设。
用于 DC SPICE 分析的共基极电路。
共基放大器 vin 0 1 r1 1 2 100 q1 4 0 2 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn .dc vin 0.6 1.2 .02 .plot dc v(3,4) .end
共基放大器直流传输功能_。_
请注意，在上图中，输出电压从几乎为零（截止）变为 15.75 伏（饱和），输入电压在 0.6 伏至 1.2 伏的范围内扫描。输出电压图直到输入约 0.7 伏时才显示上升，并在输入约 1.12 伏时截止（变平）。这代表了相当大的电压增益，输出电压跨度为 15.75 伏，输入电压跨度仅为 0.42 伏：增益比为 37.5 或 31.48 dB。另请注意，由于输入电压源的串联辅助效应，输出电压（在 Rload 上测量）如何在饱和时超过电源（15 伏）。
使用 AC 信号源（和 DC 偏置电压）的第二组 SPICE 分析讲述了同样的故事：高电压增益
示例电路
用于 SPICE AC 分析的共基电路。
如您所见，下图中的输入和输出波形彼此同相。这告诉我们共基放大器是同相的。
共基放大器 vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.95 r1 2 1 100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot反式 v(5,2) v(4) .end
下表中的 AC SPICE 分析在 2 kHz 的单一频率下提供了用于增益计算的输入和输出电压。
2 kHz 下的共基交流分析——网表后跟输出。
共基放大器 vin 5 2 ac 0.1 sin vbias 0 1 dc 0.95 r1 2 1 100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn .ac dec 1 2000 2000 .print ac vm(5, 2) vm(4,3) .结束频率 mag(v(5,2)) mag(v(4,3))————————————————————— —0.000000e+00 1.000000e-01 4.273864e+00
第二次分析的电压数据（上表）显示电压增益为 42.74（4.274 V / 0.1 V）或 32.617 dB：
这是下图中电路的另一个视图，总结了刚刚仿真的电路中各种信号的相位关系和直流偏移。
NPN 共基放大器的相位关系和偏移。
. . . 对于 PNP 晶体管：下图。
PNP 共基极放大器的相位关系和偏移。
# 4. 预测电压增益
预测共基放大器配置的电压增益相当困难，并且涉及难以直接测量的晶体管行为的近似值。与其他放大器配置不同，电压增益由两个电阻的比率（共发射极）或固定在一个不变的值（共集电极），共基放大器的电压增益很大程度上取决于输入信号上的直流偏置。事实证明，发射极和基极之间的内部晶体管电阻在确定电压增益方面起着重要作用，并且该电阻随着通过发射极的不同电流水平而变化。
虽然这种现象很难解释，但通过使用计算机模拟很容易证明。SPICE 在共基放大器电路上进行仿真（上图），稍微改变直流偏置电压（下图中的 vbias），同时保持交流信号幅度和所有其他电路参数不变。随着电压增益从一种模拟变化到另一种模拟，将注意到不同的输出电压幅度。
虽然这些分析都将在“传递函数”模式下进行，但每个分析都首先在瞬态分析模式下“证明”（电压随时间绘制），以确保完整的波形被忠实地再现，而不是由于不正确而被“削波”偏见。见下图中“*.tran 0.02m 0.78m”，“注释掉”的瞬态分析语句。增益计算不能基于失真的波形。SPICE 可以使用“.tf v(4) vin”语句为我们计算小信号直流增益。输出为__v(4)，输入为__vin。
共基放大器 vbias=0.85V vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.85 r1 2 1 100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn *.tran 0.02 m 0.78m .tf v(4) vin .end
共基放大器电流增益 Iin 55 5 0A vin 55 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.8753 r1 2 1 100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn *。 tran 0.02m 0.78m .tf I(v1) Iin .end 传递函数信息：传递函数 = 9.900990e-01 iin 输入阻抗 = 9.900923e+11 v1 输出阻抗 = 1.000000e+20
SPICE 网表：用于各种 DC 偏置电压的公共基极传递函数（电压增益）。SPICE网表：共基放大器电流增益；注意 .tf v(4) vin 语句。直流电流增益 I(vin)/Iin 的传递函数；注意 .tf I(vin) Iin 语句。
在命令行，spice -b filename.cir__由于.tf__语句而产生打印输出：transfer_function、output_impedance 和 input_impedance。简短的输出列表来自__vbias__在 0.85、0.90、0.95、1.00 V 的运行，如下表所示。
SPICE 输出：公共基础传递函数。
电路：共基放大器 vbias=0.85V transfer_function = 3.756565e+01 output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03 vin#input_impedance = 1.317825e+02 电路：共基放大器 vbias=0.8753V Ic=1 mA 传递函数信息: transfer_function = 3.942567e+01 output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03 vin#input_impedance = 1.255653e+02 电路：共基放大器 vbias=0.9V transfer_function = 4.079542e+01 output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03 vin #input_impedance = 1.213493e+02 电路：共基放大器 vbias=0.95V transfer_function = 4.273864e+01 output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03 vin#input_impedance = 1.158318e+02 电路：共基放大器 vbias=1.00V transfer_function = 4.401137e+01 output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03 vin#input_impedance = 1.124822e+02
趋势应该在上表中很明显。随着直流偏置电压的增加，电压增益（传递函数）也增加。我们可以看到电压增益正在增加，因为每个后续模拟（vbias= 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 V）分别产生更大的增益（transfer_function= 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0）。这些变化主要是由于偏置电压的微小变化。
上表（右）的最后三行显示了0.99 的__I(v1)/Iin__电流增益。（最后两行看起来无效。）这对 β=100 有意义；α=β/(β+1)，α=0.99=100/(100-1)。低电流增益（总是小于 1）和有些不可预测的电压增益相结合，与共基设计相悖，使其只能用于一些实际应用。
这些少数应用包括射频放大器。接地的基极有助于将发射极的输入与集电极的输出屏蔽起来，防止射频放大器不稳定。共基极配置可用于比共发射极或共集电极更高的频率。请参阅“C 类共基 750 mW 射频功率放大器”[第 9 章](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 第 9 章 (opens new window)。
# 5. 总结
- 所谓_共基极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基极引线，不考虑任何电源。_
- 共基极放大器的电流增益总是小于 1。电压增益是输入和输出电阻的函数，也是发射极 - 基极结的内部电阻，它会随着直流偏置电压的变化而变化. 可以说，共基放大器的电压增益可以非常高。
- 晶体管的集电极电流与发射极电流之比称为α。任何晶体管的 α 值总是小于 1，换句话说，小于 1。
相关练习：
总目录：