BJT共射級電路放大器是比較常用的一種放大電路,不同於前面的共基級放大器單一的電路形式,共射級放大器的設計比較靈活,歷史上人們曾經設計出過很多各種各樣的共射級放大器。最常用的是以下三種形式的共射放大電路(見下圖3-06.01)。一般只要掌握了這三種電路的共通分析方法,那以后再遇到其他比較偏門的共射電路時,我們也可以按照我們已掌握的共通方法,分析出其基本電路特性。

圖 3-6.01
1. 固定偏置
固定偏置(fixed-bias configuration)是最簡單的共射放大電路結構,我們現以npn型晶體管為例對齊進行直流分析。
(1) 輸入靜態工作點
我們將固定偏置的共射放大電路重畫於下,在直流分析(靜態分析)時,可將動態輸入電壓vi視為0。

圖 3-6.02
對於輸入端回路,BJT的發射結正偏,我們采用簡化分析模型,假設VBE固定為0.7V。因此在輸入回路可得:

上式的IB即為輸入端的靜態工作電流,在上式中我們可以取合適得RB,而得到一個比較合理得IB值(一般為幾個微安級)。
(2) 輸出靜態工作點
輸出靜態工作點,即為求VCE和IC,我們將輸出回路的電壓電流關系畫於下圖:

圖 3-6.03
當BJT工作於正常的放大區時:

在輸出回路可得:

上兩式中的VCE和IC即為輸出的靜態工作點。
(3) 飽和條件
在共射電路中的飽和條件與共基電路稍有不同,在共基電路中,VCE<0會進入飽和,而在共射電路中,只要VCE<VCEsat(一般我們常近似取為0.3V),晶體管就會進入飽和。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

當共射電路的進入飽和時,輸入端IB的繼續增大不會使輸出電流IC繼續增大,雖然不會像共基電路那樣損壞晶體管,但會使基極電流IB與射極電流IC之間的放大倍數小於原來的β參數。
(4) 固定偏置的缺點
固定偏置的優點是:結構簡單、概念清晰。但是我們一般很少將固定偏置電路直接應用於實際設計,原因在於固定偏置電路有一個致命的缺點:就是工作點不穩。
前面曾經說過,由於半導體器件加工工藝的限制,一般參數都會偏離標准值,比如對某個BJT來說,放大系數β在50~200范圍內都算正常,整整差了4倍。那么根據上式:

同樣的電路,輸出靜態電流IC就會差整整4倍,輸出靜態電壓VCE也會有較大范圍的變化,由此帶來的電路功耗、放大倍數等一系列性能也會跟着變化,這樣不穩定的性能是無法在實際產品中使用的。
2. 改進的固定偏置
(1) 負反饋的作用
在固定偏置的發射極增加一個射極電阻RE,可以大大提高電路的穩定性,如下圖所示,這種形式的電路也可以稱為射極偏置(emitter-bias Configuration):

圖 3-6.04
這種設計稱為“負反饋”設計,負反饋設計是一個很龐大的話題,這里你可以先簡單將其理解為:負反饋結構的電路本身有一種穩定作用,當某種非正常因素(比如β值偏移,溫度影響等等)導致電路工作點偏移時,負反饋結構會迫使電路工作點回向正常值方向移動,從而減小偏移值,提高穩定性。
我們這里先粗略定性地看一下射極電阻RE對提高電路穩定性的作用:
(1)當放大系數β增大導致IC增大時,流過RE的電流IE也會增大,由此會導致E點的的電壓VE升高。
(2)當VE升高,由於VBE保持固定值0.7V不變,因此結果導致B點電壓VB升高。
(3)VB升高,但VCC不變,由此導致RB兩端的壓降減小,從而導致輸入電流IB減小。
(4)IB的減小最終會導致IC的減小,抑制了前面因β增大導致IC增大的效應,因此提高了電路的穩定性。
當然,如果你若要深究的話,又會發現:IC的減小會導致IE的減小,再導致VE的減小和VB的減小,然后又使得IB增大……那么,究竟哪個對最終結果的影響力更大些?這個就需要下面的定量分析了。
(2) 靜態工作點分析

圖 3-6.05
● 先看輸入回路:
輸入回路的關系式為:

解得:

● 再看輸出回路:
當BJT工作於放大區時:

輸出回路的關系式為:

為簡化計算,設IE≈IC,最終解得:

● 關於簡化運算的說明:
這里你可能還有一點小疑惑,為什么在輸入回路中,不把(1+β)簡化成≈β,不去掉那個1?而在輸出回路中,卻做了IE≈IC¬的簡化,去掉了那個1呢。其實理由很簡單:輸入回路的計算式中,即便留着那個1,計算起來也不麻煩,所以就放着了。而在輸出回路的計算式中,留着那個1算起來稍微有點麻煩了,所以就把它給去掉了。
聽着是不是很隨意呢?其實這就是工程中模擬電路的魅惑點所在。因為實際的模擬電路要面臨很多的不確定參數的影響(比如,常規使用的電阻都是5%的誤差等級的;BJT等半導體器件的參數甚至會有50%以上的偏差;受溫度影響,很多參數也會偏)。你辛辛苦苦算出來的精確解,僅一個5%的電阻阻值偏差就可以把結果給帶偏。所以,太精確的計算有時並不是很必要,很多計算都可以作簡化。那么,究竟對哪些部分可以做簡化,哪些部分不作簡化呢?這個在很大程度上取決於設計者本人的經驗(或者說直覺)。
所以,有時你可以看到在一些不同的模電教材上,對於同樣形式的電路,不同的作者會給出稍微有點不同的公式,這個是因為他們各自取的簡化點不同。但是,分析原理肯定都是一樣的,而且他們的結果也都是可用的。這個隨着你本人經驗的增長,就會理解他們各自的做法了。
案例3-6-1: 在下圖中,計算當β=50和β=200時的IB, IC, VCE,並進行比較。

解: (1)當β=50時:

假設BJT工作於放大區:

再來求VCE:

驗證:VCE1 > VCESat,說明前面關於BJT工作於放大區的假設正確。
(2)當β=200時:

假設BJT工作與放大區:

再來求VCE:

驗證:VCE2 > VCESat,說明前面關於BJT工作於放大區的假設正確。
(3)比較:
當β1和β2相差4倍時:

IC1和IC2只相差2.5倍,說明反饋電阻RE確實改善了電路的穩定性。
另外,當β=200時,VCE2僅比飽和閾值VCESat (0.7V)大一點點,已處於放大區的邊緣,還可以勉強工作。若是沒有反饋電阻RE,BJT會早早地就進入飽和區,而不能起正常放大作用了。
(3) 飽和條件
當VCE<VCESat時,晶體管進入飽和區。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

當IC>ICsat時,晶體管進入飽和。
歡迎關注本博公眾號,可訪問更多嵌入式開發相關的:電路、軟件、具體數學 等三個方面的基礎技術文檔 (進入公眾號后點擊菜單可查看訪問方法):


( end of 3-6-1 )
