2.5 共集电极放大电路和共基极放大电路
由于晶体管有三个电极,根据不同的连接方法,可有三种不同的电路组态,前面对共射放大电路进行了分析,下面分析另外两种基本放大电路。
2.5.1 共集电极放大电路
共集电极放大电路如图2-35a所示。图2-35b、c分别是它的直流通路和交流通路。由交流通路可见,输入信号从基极—集电极(即地)之间加入,输出信号从发射极—集电极之间取出,集电极是输入、输出回路的公共端,所以称为共集电极放大电路。又因为输出信号从发射极引出,故又称射极输出器。
图2-35 基本共集电极放大电路
a)电路图 b)直流通路 c)交流通路
下面以图2-35为例进行共集电极放大电路的分析。
例2-5 在图2-35a所示电路中,已知UCC=12V,Rb=260kΩ,Re=6kΩ,RL=6kΩ,Rs=10kΩ晶体管的β=50,UBEQ=0.7V,rbb′=200Ω。试估算静态工作点Q,并计算Au、Ri和Ro。
解:
1.静态分析
根据图2-35b所示的直流通路,可列出输入回路方程
U CC=IBQRb+UBEQ+IEQRe
由于IEQ=(1+β)IBQ,所以
2.动态分析
将图2-35c交流通路中的晶体管用H参数小信号模型来等效,便得到共集电极放大电路的小信号等效电路,如图2-36所示。
(1)电压放大倍数
图2-36中的动态电阻rbe为
r be=rbb′+(1+β)=200Ω+(1+50)=1.53kΩ令=Re//RL,则R′L=6kΩ//6kΩ=3kΩ,由图2-36所示小信号等效电路可得
图2-36 共集电极放大电路的小信号等效电路
则电压放大倍数为
代入参数得
式(2-66)表明,大于0且小于1,说明输出电压与输入电压同相并且<。通常(1+β)>>rbe,则≈1,即≈,所以射极输出器又称为射极跟随器。虽然电压放大倍数<1,电路没有电压放大能力,但是,输出电流远远大于输入电流,所以具有电流放大作用。可见,无论是电压放大或电流放大,放大电路都可实现功率放大。
(2)输入电阻
根据图2-36,若暂不考虑Rb,则输入电阻为
式中,=Re//RL,由于流过上的电流比大(1+β)倍,所以把发射极回路的电阻折算到基极回路应扩大(1+β)倍,所以共集电极放大电路的输入电阻比共发射极放大电路的输入电阻大得多。
现将Rb考虑进去计算输入电阻,即从Rb两端看进去的输入电阻为
因此共集电极放大电路的输入电阻为
代入参数得
R i=260Ω//[1.53+(1+50)×3]Ω≈97kΩ
(3)输出电阻
根据输出电阻的定义,可采用外加电压求电流的方法来计算输出电阻,即
将电压源短路,负载开路,在输出端加交流电压,产生电流,如图2-37所示。
这里需要说明的是,虽然电压源=0,但是,外加电压会在晶体管的基极回路产生基极电流,所以受控源依然存在,它们的方向如图中箭头所示。
图2-37 求共集电极放大电路Ro的等效电路
若暂不考虑Re,则输出电阻为
式中
由式(2-69)可见,基极回路的电阻折算到发射极要减小为原来的1/(1+β),所以非常小。
现考虑发射极电阻Re,则从放大电路输出端看进去的输出电阻为
故输出电阻为
综上所述,共集电极放大电路的输入电阻大、输出电阻小,因而从信号源索取的电流小、带负载能力强,故常用于多级放大电路的输入级和输出级。
2.5.2 共基极放大电路
共基极放大电路如图2-38a所示。图2-38b、c分别是它的直流通路和交流通路。由交流通路可见,输入信号从发射极—基极(即地)之间加入,输出信号从集电极—基极之间取出,基极是输入、输出回路的公共端,所以称为共基极放大电路。
图2-38 共基极放大电路
a)电路图 b)直流通路 c)交流通路
1.静态分析
图2-38b所示的直流通路与前面介绍过的分压式射极偏置电路的直流通路相同,因而Q点的求解方法相同,这里不再赘述。下面介绍另外一种求解方法。利用戴维南定理可将图2-38b所示电路变换成图2-39所示电路。
图2-39 图2-38b的简化电路
图中UBB是戴维南等效电源,Rb是戴维南等效电阻,它们分别为
列出输入回路方程
U BB=IBQRb+UBEQ+IEQRe
得
2.动态分析
利用晶体管的H参数等效模型代替图2-38c的交流通路中的晶体管,得到共基极放大电路的小信号等效电路如图2-40所示。
图2-40 共基极放大电路的小信号等效电路
(1)电压放大倍数
由图2-40可知
式中,=Rc//RL。
式(2-74)表明,共基极放大电路具有足够大的电压放大能力,且输出电压与输入电压同相。
(2)输入电阻
根据输入电阻的定义,若暂不考虑Re,则输入电阻为
式(2-75)表明晶体管共基接法时的输入电阻比共射接法时的输入电阻减小了(1+β)倍。所以共基接法时,输入电阻是很小的。
现考虑Re,则从放大电路的输入端看进去的输入电阻为
(3)输出电阻
从放大电路的输出端看进去的输出电阻为
从上面的分析可知,由于共基极放大电路的电流放大系数α=/小于且接近于1,所以共基极电路又称为电流跟随器。虽然它不能放大电流,但是却可以放大电压,故可实现功率放大。
2.5.3 三种组态电路的比较
根据前面的分析,现对共射、共集和共基三种基本组态电路的特点进行比较。
其主要特点和应用大致可归纳如下:
1)共射电路既能放大电压又能放大电流,输入电阻和输出电阻在三种组态中居中,频带较窄,常用作低频电压放大电路中的单元电路。
2)共集电路只能放大电流不能放大电压,电压放大倍数小于且近似于1,具有电压跟随的特点,其输入电阻大,输出电阻小,常被用于多级放大电路的输入级和输出级,或作为隔离用的中间级。
3)共基电路只能放大电压不能放大电流,且具有很低的输入电阻,这使得晶体管的结电容影响不明显,所以其频率特性是三种接法中最好的,常用于宽频带放大电路。