基本共射放大电路的工作原理与设计原则
基本共射放大电路的工作原理与设计原则
2.2 基本共射放大电路的工作原理
在本节中，我们将以NPN型晶体管组成的基本共射放大电路为例，详细讲解放大电路的组成原则以及电路中各元件的具体作用。
2.2.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用
如图2.2.1所示，基本共射放大电路包含了几个关键的组成部分，主要由晶体管、输入电阻、基极电源、集电极电源和集电极电阻组成。晶体管是放大电路中的核心元件，它负责信号的放大作用。输入信号通常是正弦波电压。
静态工作状态
当输入信号𝑢1=0u1 =0时，放大电路处于静态工作状态。在这种状态下，基极电源𝑉V使晶体管的基-发射极间电压𝑈𝐵𝐸UBE 大于开启电压，并且基极电阻𝑅1R1 共同决定了基极电流𝐼𝐵IB 的大小。此外，集电极电源𝑉𝐶𝐶VCC 应当足够高，确保晶体管的集电结反向偏置，保证晶体管工作在放大区。集电极电流𝐼𝐶IC 主要由晶体管的放大倍数𝛽β和基极电流决定。集电极电阻𝑅𝐶RC 上的电压𝐼𝑅IR 等于𝐼𝐶IC 通过𝑅𝐶RC 时产生的电压，从而确定了集-发射极间的电压
动态工作状态
当输入信号𝑢1不为0时，基极电流将在静态值的基础上增加一个动态电流𝑖𝑏ib ，导致输出回路中产生动态电流𝑖𝑐ic 。集电极电阻𝑅𝐶RC 将集电结电流的变化转换为电压的变化，即集电极上的电压变化量Δ𝑈𝐶ΔUC ，这就是输出的动态电压𝑢𝐶uC 。通过这种方式，电路实现了电压的放大。直流电源𝑉𝐶𝐶VCC 为整个放大过程提供所需的能量。
由于输入回路与输出回路共享一个公共的发射极连接，这种配置称为共射放大电路。在电子电路中，公共连接点通常被称为“地”。
通过以上描述，可以看出基本共射放大电路在电子放大设备中的重要作用及其工作原理，为进一步的学习与应用奠定了基础。
2.2.2 设置静态工作点的必要性
静态工作点的定义
静态工作点（Quiescent Point，简称Q点）是放大电路在没有信号输入（即输入信号为零时）的工作状态。它由直流电源独立决定，包括基极电流𝐼𝐵IB ，集电极电流𝐼𝐶IC ，基-发射极间电压𝑈𝐵𝐸UBE 和集-发射极间电压𝑈𝐶𝐸UCE 。这些参数在没有交流信号输入的情况下定义了晶体管的直流工作状态。
在实际计算中，𝑈𝐵𝐸UBE 对于硅管通常取0.7V，而对于锗管则取0.2V。此外，假设穿透电流𝐼𝐶𝑂ICO 为0，晶体管的直流放大倍数𝛽β保持恒定。
静态工作点的设定公式
在图2.2.1所示的电路中，如果设输入电压𝑈1=0U1 =0，可以根据电路的回路方程来计算静态工作点。这些方程包括：
设定静态工作点的必要性
- 稳定性: 静态工作点的正确设定保证了晶体管在正确的放大区工作，避免进入饱和或截止区。这对于确保放大器的稳定性和预测性非常关键。
- 线性响应: 良好设定的Q点能使放大器对输入信号有最佳的线性响应，减少失真。
- 热稳定性: 静态工作点的选择还需要考虑到晶体管的热稳定性。不当的Q点设置可能导致晶体管因温度变化而引发电流的自我增加，从而损坏晶体管。
- 电源效率: 合适的静态工作点还有助于优化放大电路的电源使用效率，避免不必要的功率消耗。
总之，静态工作点的正确设置是保证放大电路正常工作的基础，对于提高电路性能和可靠性至关重要。
二、为什么要设置静态工作点
静态工作点的概念及其重要性
在探讨放大电路时，一个不可忽视的要点是静态工作点的设置。虽然放大器的主要任务是放大动态信号，但没有一个适当的静态工作点（Q点），整个放大过程可能无法正常进行。那么，为什么放大动态信号的电路需要一个静态工作点呢？
静态工作点缺失的后果
让我们通过一个假设来理解这个概念：假设我们移除基极电源，如图2.2.2展示的那样。这时候，晶体管处于什么状态？在没有基极电源的情况下，晶体管的基极电流𝐼𝐵=0IB =0，集电极电流𝐼𝐶=0IC =0，集-发射极电压𝑈𝐶𝐸=𝑉𝐶𝐶UCE =VCC ，此时晶体管将处于截止状态。这意味着，不管输入信号的大小，晶体管都不会导通。
当我们给晶体管加入输入电压𝑢𝑖ui 时，如果其幅值小于基-发射极间的开启电压（𝑈𝑜𝑛Uon ），则晶体管在整个信号周期内都不会导通，输出电压始终为零。即使输入电压足够大，超过了开启电压，晶体管也只会在输入电压正半周的时间内导通。这种情况下的输出，将是一个严重失真的波形。
保持放大器性能的静态工作点
放大电路要满足两个基本条件：一是信号放大不失真，二是放大范围足够大。如果没有合适的静态工作点，输出波形将会严重失真，放大的目的也就无法实现。因此，合适的静态工作点是保证放大电路性能的重要因素。
Q点不仅关系到电路是否失真，也影响到放大电路的所有动态参数，例如放大倍数、输入和输出阻抗等。这些因素都是高质量放大的关键要素，它们在后续的内容中将会被进一步讨论和分析。
基本共射放大电路的工作原理与波形分析
在没有输入信号的情况下，基极电流𝐼𝐵IB 、集电极电流𝐼𝐶IC 和集-发射极电压𝑈𝐶𝐸UCE 处于静态值，如图2.2.3(b)、(c)中的虚线所标。当输入信号出现时，基极电流会在其直流分量的基础上叠加一个正弦交流电流，集电极电流亦然。由于集电极电阻的存在，集电极电流的变化将转换为电压的变化。由于电阻上电压的增大导致晶体管的管压降减小，反之亦然，最终在直流分量上叠加了一个交变电压。这就完成了信号的放大过程。
总结来说，适当的静态工作点是确保放大器正常工作的前提，它保障了放大器能够对输入信号进行有效的放大，并且尽可能地减少失真。
2.2.3 基本共射放大电路的工作原理及波形分析
在深入分析基本共射放大电路之前，理解静态工作点的设定是关键。静态工作点（Q点）的正确设定确保了晶体管可以在整个信号周期内有效工作，避免了非线性失真。现在，让我们进一步分析共射放大电路的工作原理和波形。
静态与动态工作状态
在图2.2.1所示的基本放大电路中，静态工作状态下的基极电流𝐼𝐵IB 、集电极电流𝐼𝐶IC 和集-发射极间电压𝑈𝐶𝐸UCE 被标记为虚线。当输入电压出现时，这个电路的基极电流𝐼𝐵IB 将在直流分量的基础上叠加上正弦交流分量。集电极电流𝐼𝐶IC 也随之在其直流分量的基础上增加正弦交流分量，由于晶体管的放大作用，这个交流分量被放大。
通过在集电极电阻𝑅𝐶RC 上的电压变化，可以观察到集电极电流的变化。当𝑅𝐶RC 上的电压增加时，晶体管的管压降𝑈𝐶𝐸UCE 减小；当𝑅𝐶RC 上的电压减小时，管压降增大。因此，晶体管的输出电压是在直流分量𝑈𝐶𝐸UCE 基础上叠加了一个与输入电压相位相反且放大的交流分量𝑢𝑜uo 。
交流输出波形
通过从晶体管管压降中移除直流分量，我们可以得到放大且相位相反的交流输出电压𝑢𝑜uo 。这就是共射放大电路的工作原理：使用晶体管的电流放大作用，并依赖电阻将电流的变化转换成电压的变化，从而达到放大目的。
2.2.4 放大电路的组成原理
放大电路的设计和组成必须遵循几个关键原则，以确保放大器的性能和稳定性。
组成原则概述
放大电路的设计不仅仅是随意的组合，而是需要遵守一定的规则，以确保电路能够正确工作并达到预期的放大效果。以下是几个关键的组成原则：
1. 提供合适的直流电源
放大管需要直流电源来设定静态工作点，并作为输出的能量来源。晶体管电路的电源极性和大小必须能够使晶体管的发射结保持正向偏置，并且保持集电结的反向偏置，以确保晶体管工作在放大状态。
2. 电阻的选取
电路中电阻的选取应与电源相匹配，保证放大管有合适的静态工作电流。不正确的电阻值可能导致晶体管不能正常工作，或者工作状态不稳定。
3. 输入信号的传递
输入信号必须能够有效地影响放大管的输入回路，无论是改变基极与发射极间的电压，还是栅极与源极间的电压，从而改变输出回路的电流。
4. 动态电流的传递
设计电路时，应确保当负载接入时，放大管输出回路的动态电流能够有效作用于负载，以便传递足够放大的信号。
实用共射放大电路
根据这些原则，可以构建实用的共射放大电路，它们在基本电路的基础上进行了改进，以提供更好的性能和更少的干扰。例如，为了实现共地配置并优化静态工作点，可能需要在基极回路中增加额外的电阻。
阻容耦合共射放大电路
在某些设计中，例如图2.2.5所示的电路，使用耦合电容来隔离直流分量并传递交流信号，从而提供了更加纯净的放大信号。这种设计有助于解决共地问题，并确保信号在一定频率范围内几乎无损失地加到放大管的输入回路，同时保证负载电阻上没有直流分量，从而实现更干净的放大效果。
通过这种方式，放大电路不仅能够准确地放大输入信号，而且还能够保持信号的质量，减少失真，使电路的放大效果更加理想。