共集電極放大電路與Multisim仿真學習筆記

前言

上一篇寫了共射極放大電路的設計，本篇就寫共集電極放大電路吧
晶體管放大電路與Multisim仿真學習筆記

共集電極放大電路的基本原理

下圖為共集電極放大電路
共集電極放大電路輸出信號是從發射極取出的，且沒有集電極負載電阻\(R_c\)（因為輸出信號是從發射極取出的，若留有集電極負載電阻，則\(R_c\)會有壓降造成損耗）。

靜態分析

下圖為直流通路
靜態基極電流：

\[I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e} \]

靜態集電極電流：

\[I_{CQ}\approx{{\beta}I_{BQ}}{\approx}I_{EQ} \]

集電極與發射極間的電壓：

\[U_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}{R_e} \]

動態分析

其微變等效電路如下
其中\(R^\prime_s=R_s//R_b\)，\(R^\prime_e=R_e//R_L\)
電流放大倍數：$$\dot{A}_i=\frac{\dot{I}_o}{\dot{I}_i}=\frac{-\dot{I}_e}{\dot{I}_b}=-(1+\beta)$$
輸入電壓：$$\dot{U}_i=\dot{I}_eR^{{\prime}_e=(1+\beta)\dot{I}_bR}{\prime}_e$$
輸出電壓：$$\dot{U}_o=\dot{I}br{be}+\dot{I}_eR^{{\prime}_e=\dot{I}_br_{be}+(1+\beta)\dot{I}_bR}{\prime}_e$$
電壓放大倍數：$$\dot{A}_u=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}i}=-\frac{(1+\beta)R^{{\prime}_e}{r_{be}+(1+\beta)R}{\prime}e}$$
可見共集電極放大電路具有電流放大作用，但其電壓放大倍數恆小於1而接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相，故又稱之為射極跟隨器
輸入電阻：$$R_i=(r{be}+(1+\beta)R^\prime_e)//R_b$$
輸出電阻：$$R_o=\frac{r{be}+R^\prime_s}{1+\beta}//R_e$$
可見射極跟隨器輸入電阻很高，輸出電阻很低。

電路設計

基本電路圖如下

例：設計最大輸出電壓\(2V_{p-p}\)，最大輸出電流為\(\pm2mA\)（\(1k\Omega\)負載）的射極跟隨器。

1. 確定直流電源電壓
主要考慮集電極與發射極間的飽和電壓\(U_{CE}\)和該電路的最大輸出電流。這里選用12V電源電壓。
2. 選擇晶體管
考慮最大額定值（\(I_{E}\)，\(U_{CBO}\)，\(U_{CEO}\)，\(U_{EBO}\)）。這里選用通用小信號晶體管2N5551
3. 確定發射極電流工作點
電路的最大輸出電流為\(\pm2mA\)，這里取\(I_E=8mA\)。
4. 確定\(R_e\)
為分別計算和得到最佳的靜態工作點，取\(U_{B}=\frac{V_{CC}}{2}=6V\)，所以\(U_E=U_{B}-U_{BE}=5.3V\)，所以$$R_E=\frac{U_E}{I_E}=\frac{5.3V}{8mA}=662.5\Omega$$取標稱電阻得\(R_E=620\Omega\)。
5. 基極偏置電路的設計
由上一篇寫的博客可知，\(\beta\)大約為133，所以\(I_B\)取60uA，所以$$R_2=\frac{U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.54mA}=11.1k\Omega$$$$R_1=\frac{V_{CC}-U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.6mA}=10k\Omega$$
為方便，兩者取標稱電阻\(10k\Omega\)
6. 確定耦合電容
原理與共射極放大電路相同。這里取\(C_1=50uF\)，則由\(C_1\)形成的高通濾波器截止頻率$$f_{c_1}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx0.64Hz$$而由\(C_2\)形成的高通濾波器截止頻率與負載電阻有關。這里取\(C_2=50uF\)，當接1\(k\Omega\)負載時，\(C_2\)與負載電阻形成的高通濾波器截止頻率為$$f_{c_2}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx3.18Hz$$
7. Multisim仿真驗證
設置好參數進行仿真，如下圖
可見電壓放大倍數接近於1，負載為\(1k\Omega\)，輸出交流電流為1.975mA，輸入輸出電壓波形如下圖

8. 輸入輸出阻抗

如下圖
加入信號源串聯電阻\(R_s\),改變其阻值大小，式\(U_i=U_s/2\)，觀察示波器波形變化，如上圖所示，當\(R_s=5k\Omega\)時，剛好滿足，即得到輸入阻抗為\(5k\Omega\)，為偏置電路\(R_1\)和\(R_2\)並聯的值。
而輸出阻抗是極低的

9. 輸出負載加重的情況

當負載電阻過小時，輸出波形底部會被截去，下圖為負載為\(680\Omega\)時的輸出電壓波形圖
有波形圖可知\(-2.65V\)以下的波形被截去。下圖為此時發射極的電位
原因是交流通路時，\(R_e\)和負載並聯，兩端最大壓降為\(-I_E(R_e//R_L)=-8.6mA\times310\Omega=-2.666V\)，所以不會輸出\(-2.65V\)以下的波形。

先寫到這里，以后有時間再完善和改進