手把手教你设计共射放大器：原理、步骤与优化
手把手教你设计共射放大器：原理、步骤与优化
共射放大器是电子工程中常见的放大电路之一，广泛应用于各种信号处理和放大场景。本文将详细介绍共射放大器的工作原理、设计步骤和性能参数，帮助读者深入理解这一基础电路的理论与实践。
共射极放大电路工作原理
晶体管是电流控制器件，通过改变基极电流来控制集电极-发射极电流。在电压放大场合，这种放大效果来自于使用电阻将电流转换为电压。
在小信号模型中，基极电流的来源是输入电压与基极-发射极动态电阻（Rbe）的比值，通常为 kΩ，所以基极电流很小，可能只有零点几毫安。
通过晶体管的放大，在集电极和发射极之间产生β倍的基极电流。输出电压可由相对正电源电位得到：
共射极放大电路设计步骤
在非极端情况下设计电路时，我们常常希望电路能与大多数通用晶体管一起工作，避免依赖于元件参数的参数如rbe，同时，在具体计算中考虑基极电流也很麻烦。因此，在一般的设计过程中，在近似计算中忽略了基极电流的存在。
总体设计思路是：定量确定电压和电流来计算电阻。
- 确定电源电压VCC
- 根据频率曲线/噪声曲线/其他确定静态发射极电流IE
- 确定VE，这里选择1~2V 来吸收温度漂移
- 根据VE和IE,计算发射极静态电阻RE（IE≈IC）
- 确定放大倍数Av
- 检查静态工作点是否满足要求
- 确定基极偏置电压
- 最后确定交流耦合电容值和电源去耦电容值
共射极放大电路分析
我们先用一个设计好的共射放大电路来直观地了解下部分的波形：
如上图所示，电路采用2SC2240管，15V供电，输入输出交流耦合。输出信号如下：
淡蓝色波形为输入信号，选择1kHz、1Vpp 的正弦波。绿色波形是输出信号，放大5 倍左右，反相。蓝色波形是基极信号，可以看出是因为受基极偏置电阻的影响，直流电平升高。红色波形是发射极信号，与基极信号只有一个固定值。
共射极放大电路性能参数
为什么静态工作点很重要？拿NPN晶体管来举例，相当于两个背靠背的二极管。如果需要二极管工作，则必须给它适当的偏置以使其合理导电。在电路中，基-集二极管防止内部反馈，基-射二极管是实现放大的关键。换句话说，只要设计一个外部电路，使电流在基极-发射极二极管中正常流动就足够了。
接着，求交流电压增益。当输入电压变化△vi时，会引起发射极电流产生交流变化△ie。由于基极发射极压降是恒定的，它对交流变化没有贡献，所以△ie=vi/RE。因此，发射极交流输出电压可以确定为vo=△ieRC=vi·RC/RE，交流增益为Av=RC/RE。这个结论可以快速分析共射极电路的放大倍数。
输出电源轨分别为VCC和VE，由工作时晶体管的电流特性决定。根据输出电源和交流放大系数，可以使用该电路。当输入和输出不是交流耦合时，输入（尤其是直流）会导致输出波形失真。
共射极放大电路改进
通过交流分析的方法，可以得到所设计电路的一些特征参数，如输入输出阻抗、放大倍数等。
输入阻抗：根据交流分析，输入阻抗是基极偏置电阻的并联值。在小信号分析中，基极发射极动态电阻rbe也应并联。
输出阻抗：确定输出阻抗的方法是给电路加一个负载。当峰峰值输出值降至空载的一半时，负载阻抗即为输出值。一般共射极放大电路的输出阻抗为集电极电阻RC。
放大：由于基极电流的影响，实际放大倍率比设计值低10%左右。
通过改进通用的共射极放大电路，可以获得具有其他特性的各种应用电路。下面将介绍放大的手段、低压电源电路、差动输出电路、调谐放大电路。
增加放大倍率
根据共射放大器电路设计电路的介绍，电压增益主要由集电极电阻RC与发射极电阻RE之比决定，所以改变电阻的比例来改变增益是很常见的。
但是，问题来了：这两个电阻同时负责确定工作电流。因为任意改变直流工作点，电路很可能失真甚至不工作。
从另一个角度来看，电压增益属于“交流分析”的范畴，静态工作点属于“直流分析”的范畴。所以在电路中加入一些电抗元件来改变交流视角下的比例，直流分析时的电阻值不会改变。
这可以通过将发射极电阻并联，或者使电阻与电容并联来实现，即修改第一节中的电路：
注意上图中的发射器。在交流分析中，电阻R4被电容短路，此时等效地认为发射极电阻只有R7（330Ω）。从信号源和示波器看，此时信号已经放大了近50倍，远大于原设计值（10k/2k=5），从而实现电压增益的扩大。
如果原发射极电阻不分流，而是整个电容并联，此时会得到最大增益βRC/rbe。
如何选择电容值？需要注意的是，电容并联后，整个电路会有高通特性，截止频率为f=1/2πRC。
如果不需要这种高通特性，C电容值可以选择47uF~100uF之间较大的值。此外，电容C6具有温度补偿功能。
低压电源电路
如果运放电路用干电池（1.5V）供电，那不太现实，但晶体管电路可以。关键是利用外部二极管的导通压降来抵消基极-发射极电压。
下图电路即使在 1.5V 电源下仍能按设计放大小信号：
但缺点是系统的最大电压总是低于供电电压。由于电路损耗小，适用于低功耗。
差动输出电路
全差分运放可以提供双模输出，很多传输线也需要差分传输。晶体管电路也可以执行差分输出。除了共射极放大电路的原理外，还采用射极跟随器的原理。下图显示了差分输出的电路连接。
可以看出，输出了两个形状相同、相位相反的差分信号。集电极信号与输入信号同相，发射极输出信号与输入信号同相。但是，由于引出位置不同，两个信号的输出阻抗也不同。反相输出的输出阻抗较高（RC），同相输出的输出阻抗较低，适合驱动负载。
反相输出一般在驱动前连接到射极跟随器。此外，基极的静态电位应尽可能设置在VCC和GND之间，以扩大不失真的输出范围。
调谐放大电路
在电路中引入电抗元件会导致电路的特性随频率而变化，我们可以利用这个特性来设计高频电路中常用的LPF、HPF和调谐放大器。
实际上，它是利用电抗元件的阻抗随频率变化的特性，进而改变当前频率下的电压增益。谐振频率处的阻抗往往是纯阻性的，具有极值以实现频率选择性放大。
LPF-低通滤波器
如图所示，构建了一个低通滤波器（波特测试仪的输入端放置在基极而不是信号发生器的输出端，因为输入耦合电容会与输入电阻形成高通滤波器，影响观察效果），其截止频率约为1.06kHz，由f=1/2πRcC计算得出。
从正弦稳态分析可知，RC并联回路的阻抗为R/√(1+(wRC)^2)。随着频率的增加，阻抗减小，因此电压增益减小，形成低通特性。
HPF-高通滤波器
如上图所示，构建了一个高通滤波器，其截止频率的计算与LPF类似。在增益峰值点，电压增益达到50dB，接近晶体管的β值。然后，由于晶体管频率特性的恶化，增益会衰减。
10.7MHz-频率选择放大器
用谐振频率为10.7MHz的LC网络代替RC，可以得到频率选择放大器。如上图所示，10.7M时放大倍数为35dB，而失谐1MHz时放大倍数仅为12.6dB。
缺点是通带稍宽，矩形系数不够好，环路等效品质因数在65.2左右，比较大。另外，高频去耦电容改为1uF。
谐振放大器电路
谐振放大器电路示例
本文原文来自新浪科技