三極管典型的放大應用電路分析(一)

如今在三極管的應用電路中，越來越多的開關電路被MOSFET取代。 場效應晶體管(FET)為壓控型器件，驅動簡單，速度快，驅動能耗低，因此更加廣泛的應用在開關電路中。 本文將對一些三極管典型的放大應用電路進行比較深入和分析和仿真。

1、基本放大電路

回顧一下學校的課程知識，基本三極管的電路圍繞著三種基本的放大電路進行學習：共射極放大電路，共集極放大電路，共基極放大電路。 這三大電路在分立晶體管時代應用十足的廣泛，現在基本已經被性能更強大和穩定的OPA電路所取代，或者在各種模擬IC里面才能找到它的身影。

OPA簡單易用，但是想要更深入地了解OPA，我們有必要“溫故而知新”。

在進行三種基本的放大電路分析之前，我們需要明確一個基本的準則：三極管是一個受控的電流源! 需要注意的是這個受控電流源是有邊界的(電壓軌)!基于這兩個基本的準則，不管什么樣的三極管放大電流都可以分析的明明白白。

1.1 共射極放大電路

如下圖1.1所示，這是一個簡化的共射極電路模型，其包含了一個放大電路最基本的結構：偏置-輸入-轉換-輸出。 Vbias為偏置電壓，偏置電壓的作用是確定電路的靜態工作點。 為什么(放大)電路需要靜態工作點呢? 因為需要晶體管工作在“線性區”，一旦晶體管工作在線性區，根據《電路》理論就可以直接將電路問題轉化數學問題了。

輸入電壓V1和偏置電壓Vbias可以利用疊加定理：Vout=Vout(V1響應分量)+Vout(Vbias響應分量)。 其中，Vbias為直流分量，V1為交流分量，我們先將輸入信號拆分成直流+交流的形式，這一點很重要。

關于BJT晶體管上一節我們講過：在線性工作區滿足Ic=β*Ib的受控恒流源模型。

這個時候我們控制Vbias在一個中間值狀態，也即是Ib(bias)=(Vbias-0.7V)/R1=1.8mA，Ic(bias)=β*Ib(bias)，該電流即是電路的靜態工作電流。 三極管的關鍵參數β是使用DC Gain=hFE進行表示的，這里說明一下對于低頻放大電路不考慮三極管器件本身的寄生參數影響(帶寬無限大)!所以，進行交流分析三極管的“AC Gain”=DC Gain=hFE。 一般三極管的hFE根據管子的應用場景不同，大約在幾十到幾百之間。

靜態工作點我們已經根據電路原理算出來了，那么交流電路是不是可以通過同樣的電路求解方法呢? 當然可以! 但是，為什么課本上總是告訴我們：“交流等效電路需要將VCC和GND短路”?其實，這里面需要一個前提條件：小信號! 何為小信號，就是我們認為這個輸入信號的交流量V1足夠小，不足以改變三極管電路工作狀態，保持在“線性工作區”。 保持在線性工作區的三極管交流電路，Vbias=0(也即是短路)，同樣Vcc也是認為是直流電壓源，在直流偏置電路中已經完成了直流量的響應計算! 因此也需要Vcc=0(也即是短路)。 那么可以得到圖1.2所示的小信號交流電路模型! 至此，完成了一個典型三極管放大電路的分析和求解過程，仿真結果如圖1.3所示，可以看出輸出信號和輸入信號的相位是相反的。

圖1.1 共射極放大電路

圖1.2 共射極放大電路小信號等效

圖1.3 共射極放大電路的仿真輸出

1.2 共集極放大電路

如圖1.4所示，為集電極放大電路，和共射極電路相比該電路將集電極直接接入Vcc1，那么由小信號等效電路可知Q2的集電極將短接到GND，成為參考平面，因此為共集電極放大電路。 可以看出，隨著Vin1的增加，Ic電流增加，Ie電流增加，Vout1電壓增加，輸出信號Vout1和輸入信號Vin1同相位。 如圖1.5所示，為電路的仿真波形。

從波形上可以看出輸入和輸出基本上保持了一致，存在一定的固定電壓差(三極管的BE壓降)，由于輸出機為三極管的發射極，因此該電路也被稱為“射極跟隨器”。 幾乎沒有放大的作用! 但是，其優秀的阻抗特性可以用于各種緩沖級電路中。 對于大增益的三極管Ib電流可以控制非常小≈0，因此理想情況下輸入阻抗無窮大; 而輸出直接從發射極引出，沒有其他線路分走電壓，因此輸出阻抗近似無窮小。 這個特性幾乎不影響前級的輸出信號，同時具有很強的后級帶載能力!

圖1.4 共集電極放大電路

圖1.5 共集電極放大電路仿真輸出

1.3 共基極放大電路

如圖1.6所示，為共基極放大電路。 從結構上看，Vbias2提供直流偏置點，在小信號電路中Q3的基極接到GND，因此為共基極放大電路。 先看下如圖1.7所示的仿真波形，可以看出輸出的波形和輸入的波形是同相位的，由于Ic≈Ie，因此交流放大倍數約等于R6/R7=5。

圖1.6 共基極放大電路

圖1.7 共基極放大電路仿真輸出

同樣都有放大信號的作用，共射極放大電路和共基極放大電路有什么區別呢?

在實際的放大電路中，需要將交流信號在直流偏置點上進行疊加，電路的關鍵在于交流耦合。這里引申下交流耦合，實際電路中沒辦法設置很多的偏置電源進行工作點確定，如圖1.8是兩個實用的共射極放大電路，左圖為直接耦合，Rb1,Rb2分壓為電路提供直流偏置點，u1作為輸入信號如果含有直流分量，那么電路的直流偏置點將會發生“漂移”，這可能導致電路離開線性工作區，這是我們不希望看到。因此，我們更常用的是使用右圖的阻容耦合形式，Rb確定電路的直流偏置點，u1的交流分量通過C1進行疊加，這將不會影響到原來電路的直流偏置點，能夠很安全的將電路保持在“線性工作區”。但是這里有一個問題，C1和Rb構成了RC濾波器結構，這就注定該電路的頻率帶寬不能做得太高!

圖1.8 共射極的兩種耦合形式

回到共基極放大電路進行分析，如圖1.9
所示為兩種三極管的共基極電路。Rb1和Rb2構成了電路的直流偏置電壓，Cb為去耦電容，Cb的交流阻抗≈0，將Rb2電阻短路。由于發射極的交流阻抗為零，因此和耦合電容無法構成RC濾波器(R=0)，帶寬可以獲得極大的提高(約等于三極管自身的帶寬)。但是輸入阻抗很小，對前級的驅動能力要求比較高，同時輸出阻抗為Rc，和共射極放大電路相當。

圖1.9 共基極放大電路的交流耦合

2、基本放大電路的應用比較

我們稍微比較下三種基本的放大電路，這里引用了參考資料5里面的結論：

(1)共射電路：

電壓增益和電流增益都較高，輸入電阻在三種組態中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關系。由于具備這些優點，它是最常用的一種組態，而且還可以將多個共射放大器級聯起來，構成多級放大器，以獲得更高的增益。

(2)共集電路：

只放大電流、不放大電壓，有電壓跟隨作用。所以不能用多個共集電路組成多級放大電路。但其在三種組態中，輸入電阻最高，輸出電阻最小，常用于多級電路輸入級、輸出級，以及作中間緩沖級。

(3)共基電路：

只放大電壓，不放大電流，有電流跟隨作用，所以也不宜單純由共基電路組成多級電路。 其輸入電阻小，輸出電阻高,
可用作恒流源。 從目前我們所看到的這些特性，還看不出它突出的優點，實際上共基放大電路的通頻帶很寬，在高頻和寬帶的領域，它是大有用武之地的。

如圖2.1所示，為三種基本放大電路的參數比較。

圖2.1 基本放大電路的比較