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考研模电·零基础讲义 第07讲|共集电极(射极跟随器)与共基极放大电路,三种组态比较

约 20 分钟 6378 字 华南师范大学模拟电子技术考研模电零基础讲义

考研模电·零基础讲义 · 第 07 讲|共集电极(射极跟随器)与共基极放大电路,三种组态比较 学完这一讲,你能一眼认出一个 BJT 放大电路是共射、共集还是共基,能完整算出射极跟随器和共基电路的 Q 点、AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠,并能说清三种组态各自的特点和用途(谁当输入级、谁当输出级、谁适合高频)。预计用时 130 分钟。

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  • 组态判别 ⭐⭐⭐:看信号"从哪个极进、从哪个极出",剩下那个极就是"共"的那个。
  • 共集电极电路(射极跟随器) ⭐⭐⭐:Av<1A_v<1而接近 1、同相;输入电阻高、输出电阻低;用作输入级、输出级、缓冲级。
  • 共基极电路 ⭐⭐⭐:Av=+βRL′/rbeA_v=+\beta R_L'/r_{be}⁠,同相放大;输入电阻极小(几十欧以下);电流增益α<1\alpha<1⁠;频带宽。
  • 三种组态比较 ⭐⭐⭐:一张表记住AvA_v⁠、AiA_i⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠、相位、用途。考纲原文"共射、共基、共集等放大电路的静态和动态分析"。
  • 教材对应:第 5 章 5.5 节(5.5.1 共集、5.5.2 共基、5.5.3 三种组态比较);频率特性对比见 6.5 节(了解)。

前置知识

  • 小信号模型、rbe=rbb′+(1+β)VTIEQr_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{V_T}{I_{EQ}}⁠、交流通路画法:见第 05 讲(下)。
  • 射极偏置电路的 Q 点估算和AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠:见第 06 讲(上)(下)。
  • 输入电阻、输出电阻、带负载能力的含义:见第 01 讲(下)、第 06 讲(下)。

本讲统一取rbb′=200 Ωr_{bb'}=200\,\Omega⁠、VT=26 mVV_T=26\,\text{mV}⁠、VBEQ=0.7 VV_{BEQ}=0.7\,\text{V}(硅管)。


一、三种组态怎么认 ⭐⭐⭐

1.1 大白话

BJT 有三个脚,放大电路需要一个输入端口(两根线)和一个输出端口(两根线),一共四根线,三只脚分不过来,所以总有一只脚是输入、输出共用的(交流上接地)。共用哪只脚,就叫"共什么极"。

1.2 判别口诀

组态 信号从哪进 从哪出 公共端(交流接地)
共射极 CE 基极 b 集电极 c 发射极 e
共集电极 CC 基极 b 发射极 e 集电极 c
共基极 CB 发射极 e 集电极 c 基极 b

记法:"进出两极,剩下的就是共"。另外:基极永远不当输出,集电极永远不当输入。

1.3 易错点 ⚠️

  • ⚠️ 别看哪只脚"画在下面接地"来判断。射极偏置电路的发射极经ReR_e接地,没有直接接地,但它是共射;共集电路的集电极接的是VCCV_{CC}⁠,对交流来说电源就是"地",所以集电极是公共端。
  • ⚠️ 集电极串了一个小电阻RcR_c的射极输出电路,仍然是共集(教材例 5.5.1:RcR_c是防止调试时烧管的限流电阻)。判断只看"进、出"。

二、共集电极电路:射极跟随器 ⭐⭐⭐

2.1 大白话:一个"跟屁虫",但很有力气

输出从发射极取。发射极电位总是比基极低一个几乎不变的 0.7 V,所以基极电位怎么动,发射极就怎么动——输出电压跟随输入电压,大小几乎一样、方向相同。所以它叫"射极跟随器"或"电压跟随器"。

那它有什么用?它不放大电压,却能放大电流(发射极电流是基极电流的1+β1+\beta倍)。打个比方:你(信号源)声音很小、力气也很小,它就是一个复读机加大功率喇叭——说的话一个字不差地复述出来,但能推得动很重的负载。

2.2 电路

共集电极放大电路(射极跟随器)+VCC 12 VRb200 kΩTRe2 kΩCb210 μFRL2 kΩvovsRsi1 kΩCb110 μF集电极交流接地(经电源)b 入 → e 出:输出“跟随”输入

图 1:共集电极放大电路(射极跟随器)。本讲例题 1 用图中数值

元件作用:RbR_b给基极提供偏置电流;集电极直接接VCCV_{CC}(交流接地);ReR_e既是发射极负载,又提供直流负反馈稳定 Q 点;Cb1C_{b1}⁠、Cb2C_{b2}隔直耦合。

2.3 静态分析(教材式 5.5.1~5.5.3)

输入回路 KVL:VCC=IBQRb+VBEQ+(1+β)IBQReV_{CC}=I_{BQ}R_b+V_{BEQ}+(1+\beta)I_{BQ}R_e⁠,得

IBQ=VCC−VBEQRb+(1+β)Re,ICQ=βIBQ≈IEQ,VCEQ=VCC−IEQReI_{BQ}=\frac{V_{CC}-V_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e},\qquad I_{CQ}=\beta I_{BQ}\approx I_{EQ},\qquad V_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}R_e

逐行拆解:分母中(1+β)Re(1+\beta)R_e又出现了——ReR_e折算到基极回路要放大(1+β)(1+\beta)倍,和上一讲的精确法一模一样;集电极没有电阻,所以VCEQV_{CEQ}只减ReR_e上的压降。由于ReR_e的直流负反馈,这个电路的 Q 点也比较稳定。

2.4 动态分析

交流通路:VCCV_{CC}接地 → 集电极接地;ReR_e和RLR_L都接在发射极与地之间,并联成RL′=Re∥RLR_L'=R_e\parallel R_L(注意:共集电路的RL′R_L'是Re∥RLR_e\parallel R_L,不是Rc∥RLR_c\parallel R_L⁠)。

电压增益:vo=(1+β)ibRL′v_o=(1+\beta)i_bR_L'⁠,vi=ibrbe+(1+β)ibRL′v_i=i_br_{be}+(1+\beta)i_bR_L'⁠,所以(教材式 5.5.4)

Av=(1+β)RL′rbe+(1+β)RL′A_v=\frac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'}

正号:同相;分子比分母少一个rber_{be}⁠:Av<1A_v<1⁠;通常(1+β)RL′≫rbe(1+\beta)R_L'\gg r_{be}⁠,Av≈1A_v\approx1⁠。

输入电阻(教材式 5.5.5):

Ri=Rb∥[rbe+(1+β)RL′]R_i=R_b\parallel\left[r_{be}+(1+\beta)R_L'\right]

(1+β)RL′(1+\beta)R_L'往往有几十到上百千欧,所以RiR_i很大。注意它和负载有关:负载越重(⁠RLR_L越小),RiR_i越小。

输出电阻(教材式 5.5.6a/b):令vs=0v_s=0⁠、去掉RLR_L⁠,在输出端加测试电压vtv_t⁠。从发射极看进去,一路是ReR_e⁠;另一路是"基极回路的电阻Rsi′+rbeR_{si}'+r_{be}折算到发射极"——发射极电流是基极电流的(1+β)(1+\beta)倍,所以电阻要除以 (1+β)(1+\beta)⁠:

Ro=Re∥Rsi′+rbe1+β≈Rsi′+rbe1+β,Rsi′=Rsi∥RbR_o=R_e\parallel\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta}\approx\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta},\qquad R_{si}'=R_{si}\parallel R_b

RoR_o的推导一步一步来(考试常要求"写出推导过程"):

  1. 令vs=0v_s=0(保留RsiR_{si}⁠),去掉RLR_L⁠,在输出端加测试电压vtv_t⁠,流入电流iti_t⁠;
  2. 基极回路此时是Rsi′=Rsi∥RbR_{si}'=R_{si}\parallel R_b与rber_{be}串联后接在发射极与地之间,于是ib=−vtRsi′+rbei_b=-\dfrac{v_t}{R_{si}'+r_{be}}(基极电流实际从发射极流向基极,故为负);
  3. 发射极节点 KCL:it=vtRe−ib−βib=vtRe+(1+β)vtRsi′+rbei_t=\dfrac{v_t}{R_e}-i_b-\beta i_b=\dfrac{v_t}{R_e}+(1+\beta)\dfrac{v_t}{R_{si}'+r_{be}}⁠;
  4. Ro=vtit=Re∥Rsi′+rbe1+βR_o=\dfrac{v_t}{i_t}=R_e\parallel\dfrac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta}⁠。

"(1+β)(1+\beta)折算规则"总结(非常好用):

  • 发射极支路的电阻折到基极看:乘(1+β)(1+\beta)(输入电阻大的原因);
  • 基极支路的电阻折到发射极看:除以(1+β)(1+\beta)(输出电阻小的原因)。

为什么AvA_v一定小于 1? 物理上看:vo=vi−vbev_o=v_i-v_{be}⁠,输出总比输入少一个发射结上的交流压降vbe=ibrbev_{be}=i_br_{be}⁠。要让vbev_{be}有变化(管子才有电流变化),它就不能为零,所以vov_o永远略小于viv_i⁠。这同时也是一种深度电压串联负反馈:输出电压vov_o全部反馈到输入回路与viv_i相减(第 13 讲)。

2.5 例题 1(标准计算)

图 1 电路:VCC=12 VV_{CC}=12\,\text{V}⁠,Rb=200 kΩR_b=200\,\text{k}\Omega⁠,Re=2 kΩR_e=2\,\text{k}\Omega⁠,RL=2 kΩR_L=2\,\text{k}\Omega⁠,Rsi=1 kΩR_{si}=1\,\text{k}\Omega⁠,β=100\beta=100⁠。求 Q 点、AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠、AvsA_{vs}⁠。

解:

① 静态:

IBQ=12−0.7200+101×2 VkΩ=11.3402 mA≈28.1 μAI_{BQ}=\frac{12-0.7}{200+101\times2}\,\frac{\text{V}}{\text{k}\Omega}=\frac{11.3}{402}\,\text{mA}\approx28.1\,\mu\text{A} IEQ=(1+β)IBQ≈2.84 mA,ICQ≈2.81 mA,VCEQ=12−2.84×2≈6.32 VI_{EQ}=(1+\beta)I_{BQ}\approx2.84\,\text{mA},\quad I_{CQ}\approx2.81\,\text{mA},\quad V_{CEQ}=12-2.84\times2\approx6.32\,\text{V}

VCEQV_{CEQ}约为电源的一半,放大区,位置合适。

② rbe=200+101×262.84 Ω≈200+925≈1.13 kΩr_{be}=200+101\times\dfrac{26}{2.84}\,\Omega\approx200+925\approx1.13\,\text{k}\Omega(精确值1.125 kΩ1.125\,\text{k}\Omega⁠)。

③ RL′=2∥2=1 kΩR_L'=2\parallel2=1\,\text{k}\Omega⁠,

Av=101×11.125+101×1=101102.1≈0.989A_v=\frac{101\times1}{1.125+101\times1}=\frac{101}{102.1}\approx0.989

④ Ri=200∥(1.125+101) kΩ=200∥102.1 kΩ≈67.6 kΩR_i=200\parallel(1.125+101)\,\text{k}\Omega=200\parallel102.1\,\text{k}\Omega\approx67.6\,\text{k}\Omega

⑤ Rsi′=1∥200≈0.995 kΩR_{si}'=1\parallel200\approx0.995\,\text{k}\Omega⁠,

Rsi′+rbe1+β=0.995+1.125101 kΩ≈21.0 Ω,Ro=2 kΩ∥21.0 Ω≈20.8 Ω\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta}=\frac{0.995+1.125}{101}\,\text{k}\Omega\approx21.0\,\Omega,\qquad R_o=2\,\text{k}\Omega\parallel21.0\,\Omega\approx20.8\,\Omega

⑥ Avs=AvRiRsi+Ri=0.989×67.668.6≈0.975A_{vs}=A_v\dfrac{R_i}{R_{si}+R_i}=0.989\times\dfrac{67.6}{68.6}\approx0.975

对比上一讲的共射电路(⁠Ri≈1.64 kΩR_i\approx1.64\,\text{k}\Omega⁠、Ro≈3 kΩR_o\approx3\,\text{k}\Omega⁠):射极跟随器的输入电阻大了约 40 倍,输出电阻小了约 140 倍。(以上数值另用节点电压法数值求解核对一致。)

再算一下电流增益:输出电流ioi_o(流过RLR_L⁠)与输入电流iii_i之比约为 33——没有电压放大,却有电流放大和功率放大。

变式:例题 1 中负载由 2 kΩ 改为 200 Ω,或者空载,AvA_v和RiR_i怎么变?

RLR_L RL′=Re∥RLR_L'=R_e\parallel R_L AvA_v RiR_i
空载 2 kΩ 0.994 101 kΩ
2 kΩ 1 kΩ 0.989 67.6 kΩ
200 Ω 182 Ω 0.942 17.8 kΩ

负载变重 10 倍,AvA_v只从 0.989 降到 0.942——输出电压几乎不受负载影响,这就是"输出电阻小、带负载能力强"的直接体现;但输入电阻明显下降,说明射随器的RiR_i与负载有关。

2.6 例题 2(应用):射极跟随器当"缓冲级"

第 06 讲的共射电路(有CeC_e⁠)空载增益Avo≈−144A_{vo}\approx-144⁠、Ro≈3 kΩR_o\approx3\,\text{k}\Omega⁠。现在要驱动RL=100 ΩR_L=100\,\Omega的负载。(1) 直接接,增益多少?(2) 中间插入例题 1 的射极跟随器(前级的输出电阻 3 kΩ 就是它的信号源内阻),总增益多少?

解:

(1) 直接接:Av=AvoRLRo+RL=−144×0.13.1≈−4.6A_v=A_{vo}\dfrac{R_L}{R_o+R_L}=-144\times\dfrac{0.1}{3.1}\approx-4.6⁠。增益几乎全"漏"在共射的输出电阻上了。

(2) 插入射随器:射随器负载RL′=2 kΩ∥100 Ω≈95.2 ΩR_L'=2\,\text{k}\Omega\parallel100\,\Omega\approx95.2\,\Omega⁠,

Ri2=200∥(1.125+101×0.0952) kΩ≈10.2 kΩ,Av2=101×0.09521.125+101×0.0952≈0.895R_{i2}=200\parallel\left(1.125+101\times0.0952\right)\,\text{k}\Omega\approx10.2\,\text{k}\Omega,\qquad A_{v2}=\frac{101\times0.0952}{1.125+101\times0.0952}\approx0.895

前级带的负载变成Ri2=10.2 kΩR_{i2}=10.2\,\text{k}\Omega⁠:

Av=AvoRi2Ro+Ri2⋅Av2=−144×10.23+10.2×0.895≈−99.6A_v=A_{vo}\frac{R_{i2}}{R_o+R_{i2}}\cdot A_{v2}=-144\times\frac{10.2}{3+10.2}\times0.895\approx-99.6

总增益从 −4.6 提高到约 −100,提高了二十多倍。此时整体的输出电阻是射随器的Ro=2 kΩ∥(3∥200)+1.125101 kΩ≈40 ΩR_o=2\,\text{k}\Omega\parallel\frac{(3\parallel200)+1.125}{101}\,\text{k}\Omega\approx40\,\Omega⁠。这就是"共射负责放大、共集负责带负载"的经典组合(第 08 讲多级放大继续用)。

2.7 易错点 ⚠️

  • ⚠️ RL′R_L'写成Rc∥RLR_c\parallel R_L⁠:共集电路输出在发射极,RL′=Re∥RLR_L'=R_e\parallel R_L⁠。
  • ⚠️ RoR_o忘了把RsiR_{si}算进去:射随器的输出电阻和信号源内阻(或前级输出电阻)有关。RsiR_{si}越大,RoR_o越大。
  • ⚠️ RiR_i忘了带RLR_L⁠:射随器的输入电阻和负载有关,空载、带载要分开算。
  • ⚠️ 说"Av=1A_v=1":应是"小于 1 而接近 1"。
  • ⚠️ 说射随器"没有放大作用":它没有电压放大,但有电流放大和功率放大。

三、共基极电路 ⭐⭐⭐

3.1 大白话

信号从发射极"推"进去,从集电极取出,基极用一个大电容CbC_b交流接地。发射极电流变化,集电极电流几乎一模一样地跟着变(⁠ic=αiei_c=\alpha i_e⁠,α\alpha略小于 1),再流过大电阻RL′R_L'就变成大电压——所以电流不放大,电压能放大。

它像一个"电流接力站":从一个很低的入口(输入电阻极小)接过电流,原样交给一个很高的出口(输出电阻较大),于是电压被"抬"起来了。

3.2 电路

共基极放大电路+VCC 12 VRb133 kΩRb210 kΩTCbRc3 kΩRe1.5 kΩCb210 μFRL3 kΩvoCb110 μFRsi50 ΩvsCb 把基极交流接地e 入 → c 出:同相放大

图 2:共基极放大电路。注意基极的旁路电容CbC_b⁠,信号源接在发射极

3.3 静态分析

把所有电容开路,你会发现直流通路和基极分压式射极偏置电路完全一样(教材原话)。所以直接用第 06 讲(上)的四步公式:

VBQ≈Rb2Rb1+Rb2VCC,ICQ≈IEQ=VBQ−VBEQRe,VCEQ=VCC−ICQ(Rc+Re)V_{BQ}\approx\frac{R_{b2}}{R_{b1}+R_{b2}}V_{CC},\quad I_{CQ}\approx I_{EQ}=\frac{V_{BQ}-V_{BEQ}}{R_e},\quad V_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}(R_c+R_e)

3.4 动态分析

小信号等效电路中,基极接地,rber_{be}接在 b(地)与 e 之间,受控源βib\beta i_b接在 c、e 之间。输入电压加在 e 与地之间,vi=−ibrbev_i=-i_br_{be}(⁠ibi_b的参考方向流入基极,此时实际方向相反);输出vo=−βibRL′v_o=-\beta i_bR_L'⁠。于是(教材式 5.5.7~5.5.9):

Av=vovi=βRL′rbe,RL′=Rc∥RLA_v=\frac{v_o}{v_i}=\frac{\beta R_L'}{r_{be}},\qquad R_L'=R_c\parallel R_L Ri=Re∥rbe1+β,Ro≈RcR_i=R_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta},\qquad R_o\approx R_c

逐行拆解:

  • AvA_v和共射(有CeC_e⁠)大小相同、符号相反——共基是同相放大。
  • RiR_i⁠:从发射极看进去,rber_{be}在基极支路上,折算到发射极要除以 (1+β)(1+\beta)⁠,只剩十几到几十欧。这是共基最大的特点。
  • 电流增益:Ai≈icie=α=β1+β<1A_i\approx\dfrac{i_c}{i_e}=\alpha=\dfrac{\beta}{1+\beta}<1⁠,所以共基又叫"电流跟随器"。

3.5 例题 3(标准计算 + 对比)

图 2 电路:VCC=12 VV_{CC}=12\,\text{V}⁠,Rb1=33 kΩR_{b1}=33\,\text{k}\Omega⁠,Rb2=10 kΩR_{b2}=10\,\text{k}\Omega⁠,Rc=3 kΩR_c=3\,\text{k}\Omega⁠,Re=1.5 kΩR_e=1.5\,\text{k}\Omega⁠,RL=3 kΩR_L=3\,\text{k}\Omega⁠,β=100\beta=100⁠。(1) 求 Q 点、AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠;(2) 信号源内阻RsiR_{si}分别为50 Ω50\,\Omega和600 Ω600\,\Omega时,求AvsA_{vs}⁠,并与同参数的共射电路(有CeC_e⁠)比较。

解:

(1) 直流通路同第 06 讲:VBQ≈2.79 VV_{BQ}\approx2.79\,\text{V}⁠,IEQ≈1.39 mAI_{EQ}\approx1.39\,\text{mA}⁠,VCEQ≈5.73 VV_{CEQ}\approx5.73\,\text{V}⁠,rbe≈2.08 kΩr_{be}\approx2.08\,\text{k}\Omega⁠。

Av=100×1.52.08≈+72.0,Ri=1.5 kΩ∥2.08 kΩ101=1.5 kΩ∥20.6 Ω≈20.4 Ω,Ro≈3 kΩA_v=\frac{100\times1.5}{2.08}\approx+72.0,\qquad R_i=1.5\,\text{k}\Omega\parallel\frac{2.08\,\text{k}\Omega}{101}=1.5\,\text{k}\Omega\parallel20.6\,\Omega\approx20.4\,\Omega,\qquad R_o\approx3\,\text{k}\Omega

(2) Avs=AvRiRsi+RiA_{vs}=A_v\dfrac{R_i}{R_{si}+R_i}⁠:

RsiR_{si} 共基AvsA_{vs} 共射AvsA_{vs}(⁠Ri=1.64 kΩR_i=1.64\,\text{k}\Omega⁠)
50 Ω 72.0×20.470.4≈20.872.0\times\frac{20.4}{70.4}\approx20.8 −72.0×1.641.69≈−69.8-72.0\times\frac{1.64}{1.69}\approx-69.8
600 Ω 72.0×20.4620.4≈2.472.0\times\frac{20.4}{620.4}\approx2.4 −72.0×1.642.24≈−52.7-72.0\times\frac{1.64}{2.24}\approx-52.7

结论:同样的∣Av∣|A_v|⁠,共基电路因为输入电阻极小,遇到电压源型信号(内阻几百欧)时,大部分信号电压都"丢"在信号源内阻上,源电压增益很低。反过来,如果信号来自电流源(内阻很大,例如 100 kΩ),电流几乎全部流进这个 20 Ω 的低阻入口(⁠100 k100 k+20.4≈99.98%\frac{100\,\text{k}}{100\,\text{k}+20.4}\approx99.98\%⁠),低输入电阻反而成了优点(教材原话)。

变式(故障):例题 3 中若基极旁路电容CbC_b开路(失效),会怎样?

此时基极不再交流接地,而是经Rb=Rb1∥Rb2≈7.67 kΩR_b=R_{b1}\parallel R_{b2}\approx7.67\,\text{k}\Omega接地。基极支路的总电阻变成rbe+Rbr_{be}+R_b⁠,按同样的方法推得

Av=βRL′rbe+Rb=100×1.52.08+7.67≈15.4,Ri=Re∥rbe+Rb1+β≈90.8 ΩA_v=\frac{\beta R_L'}{r_{be}+R_b}=\frac{100\times1.5}{2.08+7.67}\approx15.4,\qquad R_i=R_e\parallel\frac{r_{be}+R_b}{1+\beta}\approx90.8\,\Omega

增益从 72 掉到约 15,输入电阻从约 20 Ω 升到约 91 Ω。所以共基电路的CbC_b和共射电路的CeC_e一样关键:它保证了"公共端"真正交流接地。

3.6 易错点 ⚠️

  • ⚠️ 共基AvA_v加负号:共基是同相的。
  • ⚠️ RiR_i写成Re∥rbeR_e\parallel r_{be}⁠:rber_{be}要除以(1+β)(1+\beta)⁠。
  • ⚠️ 忘了基极旁路电容CbC_b的作用:没有CbC_b⁠,基极就不是交流地,电路就不是标准共基了。
  • ⚠️ 以为共基"电流放大 β 倍":共基电流增益是α<1\alpha<1⁠。

3.7 了解即可:共基电路的高频优势 ⭐

共射电路的集电结电容Cb′cC_{b'c}跨在输入和输出之间,会被"密勒效应"放大很多倍,限制高频;共基电路基极接地,Cb′cC_{b'c}只挂在输出端,没有密勒倍增,所以通频带宽,常用于高频放大,或和共射组成"共射-共基"组合电路(教材 5.7.1、6.5.1;第 09 讲简介)。


四、三种组态比较 ⭐⭐⭐

4.1 总表(教材表 5.5.1 整理,数值为本讲例题)

项目 共射 CE(有CeC_e⁠) 共集 CC(射极跟随器) 共基 CB
输入 → 输出 b → c b → e e → c
AvA_v −βRL′rbe-\dfrac{\beta R_L'}{r_{be}}⁠,RL′=Rc∥RLR_L'=R_c\parallel R_L (1+β)RL′rbe+(1+β)RL′\dfrac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'}⁠,RL′=Re∥RLR_L'=R_e\parallel R_L βRL′rbe\dfrac{\beta R_L'}{r_{be}}⁠,RL′=Rc∥RLR_L'=R_c\parallel R_L
电压放大 大,反相 <1 而≈1,同相 大,同相
电流放大 大(≈β) 大(≈1+β) <1(≈α)
RiR_i 中:Rb∥rbeR_b\parallel r_{be} 最大:Rb∥[rbe+(1+β)RL′]R_b\parallel[r_{be}+(1+\beta)R_L'] 最小:Re∥rbe1+βR_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta}
RoR_o 较大:≈Rc\approx R_c 最小:Re∥Rsi′+rbe1+βR_e\parallel\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta} 较大:≈Rc\approx R_c
例题数值 Av=−72A_v=-72⁠,Ri=1.64 kΩR_i=1.64\,\text{k}\Omega⁠,Ro=3 kΩR_o=3\,\text{k}\Omega Av=0.989A_v=0.989⁠,Ri=67.6 kΩR_i=67.6\,\text{k}\Omega⁠,Ro=20.8 ΩR_o=20.8\,\Omega Av=72A_v=72⁠,Ri=20.4 ΩR_i=20.4\,\Omega⁠,Ro=3 kΩR_o=3\,\text{k}\Omega
频率特性 较差(密勒效应) 较好 最好
典型用途 多级放大的中间级(主力放大) 输入级、输出级、缓冲级(隔离) 高频放大、宽带放大、电流源型信号

4.2 一张图看相位和幅度

三种组态输入输出波形对比输入 vi幅度 10 mV共射 vo≈ 720 mV,反相(纵向已缩小 72 倍)共集 vo≈ 9.9 mV,同相共基 vo≈ 720 mV,同相(纵向已缩小 72 倍)虚线扫过时对比同一时刻:共射输出与输入方向相反,共集、共基与输入方向相同

图 3:同一个 10 mV 的输入,三种组态的输出(用上表算出的增益;共射、共基两行纵向缩小 72 倍画)(动画循环播放)

4.3 记忆口诀

共射:能放电压能放流,输出反相阻居中,中间级里当主力。 共集:电压跟随不放大,入阻最高出阻低,输入输出和缓冲。 共基:电压放大同相位,入阻最小电流随,高频宽带它最灵。

4.4 例题 4(判断题型)

下列描述分别是哪种组态?(a) 信号加在基极,从发射极经电容输出,集电极直接接电源;(b) 基极经大电容接地,信号经电容加到发射极,从集电极输出;(c) 信号加在基极,从集电极输出,发射极接ReR_e和CeC_e到地;(d) 信号加在基极,从发射极输出,集电极经 100 Ω 电阻接电源。

解:(a) 共集;(b) 共基;(c) 共射;(d) 共集(集电极的小电阻是限流电阻,不改变组态)。

4.5 答题模板:给一个 BJT 电路,"判断组态并求AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o"

① 判组态:信号从__极输入、极输出,极为公共端,属于共__组态。 ② 静态:画直流通路(电容开路),求 $I{BQ}(或(或V{BQ})→)→I{EQ}→→V{CEQ}$,确认在放大区。 ③ 求rber_{be}:rbe=rbb′+(1+β)26 mVIEQr_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{26\,\text{mV}}{I_{EQ}}⁠。 ④ 画小信号等效电路(电容、电源交流短路),按组态写出viv_i⁠、vov_o关于ibi_b的表达式,相除得AvA_v⁠;用"从输入端看进去"求RiR_i⁠;令vs=0v_s=0⁠、去掉RLR_L求RoR_o⁠。 ⑤ 定性结论:相位(同相/反相)、输入输出电阻大小、适合的用途。

最容易丢分的是第 ④ 步里RL′R_L'的写法(共射、共基是Rc∥RLR_c\parallel R_L⁠,共集是Re∥RLR_e\parallel R_L⁠)以及(1+β)(1+\beta)的乘、除方向。


速记卡

  • 判组态:进、出两极,剩下的是"共";b 不当输出,c 不当输入。
  • 共集:IBQ=VCC−VBEQRb+(1+β)ReI_{BQ}=\frac{V_{CC}-V_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e}⁠,VCEQ=VCC−IEQReV_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}R_e⁠;Av=(1+β)RL′rbe+(1+β)RL′≈1A_v=\frac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'}\approx1(⁠RL′=Re∥RLR_L'=R_e\parallel R_L⁠);Ri=Rb∥[rbe+(1+β)RL′]R_i=R_b\parallel[r_{be}+(1+\beta)R_L']大;Ro=Re∥Rsi′+rbe1+βR_o=R_e\parallel\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta}小。
  • 共基:Q 点同射极偏置;Av=+βRL′rbeA_v=+\frac{\beta R_L'}{r_{be}}⁠;Ri=Re∥rbe1+βR_i=R_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta}极小;Ro≈RcR_o\approx R_c⁠;Ai≈α<1A_i\approx\alpha<1⁠;频带宽。
  • 折算规则:射极电阻折到基极 ×(1+β)(1+\beta)⁠;基极电阻折到射极 ÷(1+β)(1+\beta)⁠。
  • 用途:CE 中间级;CC 输入级/输出级/缓冲;CB 高频、宽带。

自测练习

1. (判断组态)某电路信号从基极输入、从集电极输出,发射极经ReR_e接地且没有旁路电容。它是什么组态?AvA_v公式是什么?

答案与提示

仍是共射(不旁路的射极偏置电路)。Av=−βRL′rbe+(1+β)ReA_v=-\frac{\beta R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_e}⁠,RL′=Rc∥RLR_L'=R_c\parallel R_L(第 06 讲下)。

2. (共集计算)射极跟随器:VCC=10 VV_{CC}=10\,\text{V}⁠,Rb=150 kΩR_b=150\,\text{k}\Omega⁠,Re=1 kΩR_e=1\,\text{k}\Omega⁠,RL=1 kΩR_L=1\,\text{k}\Omega⁠,Rsi=500 ΩR_{si}=500\,\Omega⁠,β=80\beta=80⁠。求 Q 点、rber_{be}⁠、AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠。

答案与提示

IBQ=9.3150+81×1 mA≈40.3 μAI_{BQ}=\frac{9.3}{150+81\times1}\,\text{mA}\approx40.3\,\mu\text{A}⁠,IEQ≈3.26 mAI_{EQ}\approx3.26\,\text{mA}⁠,VCEQ=10−3.26≈6.74 VV_{CEQ}=10-3.26\approx6.74\,\text{V}⁠;rbe=200+81×26/3.26≈846 Ωr_{be}=200+81\times26/3.26\approx846\,\Omega⁠;RL′=0.5 kΩR_L'=0.5\,\text{k}\Omega⁠,Av=81×0.50.846+40.5≈0.980A_v=\frac{81\times0.5}{0.846+40.5}\approx0.980⁠;Ri=150∥41.3≈32.4 kΩR_i=150\parallel41.3\approx32.4\,\text{k}\Omega⁠;Ro=1 k∥(0.5∥150)+0.84681 kΩ≈16.3 ΩR_o=1\,\text{k}\parallel\frac{(0.5\parallel150)+0.846}{81}\,\text{k}\Omega\approx16.3\,\Omega⁠。

3. (共基计算)共基电路:VCC=12 VV_{CC}=12\,\text{V}⁠,Rb1=40 kΩR_{b1}=40\,\text{k}\Omega⁠,Rb2=20 kΩR_{b2}=20\,\text{k}\Omega⁠,Re=1.65 kΩR_e=1.65\,\text{k}\Omega⁠,Rc=RL=2 kΩR_c=R_L=2\,\text{k}\Omega⁠,β=80\beta=80⁠。求IEQI_{EQ}⁠、VCEQV_{CEQ}⁠、rber_{be}⁠、AvA_v⁠、RiR_i⁠、RoR_o⁠。

答案与提示

VBQ=4 VV_{BQ}=4\,\text{V}⁠,IEQ=3.31.65=2 mAI_{EQ}=\frac{3.3}{1.65}=2\,\text{mA}⁠,VCEQ=12−2×3.65=4.7 VV_{CEQ}=12-2\times3.65=4.7\,\text{V}⁠;rbe=200+81×13≈1.25 kΩr_{be}=200+81\times13\approx1.25\,\text{k}\Omega⁠;Av=80×11.253≈63.9A_v=\frac{80\times1}{1.253}\approx63.9(同相);Ri=1.65 k∥125381 Ω≈15.3 ΩR_i=1.65\,\text{k}\parallel\frac{1253}{81}\,\Omega\approx15.3\,\Omega⁠;Ro≈2 kΩR_o\approx2\,\text{k}\Omega⁠。

4. (概念)为什么射极跟随器常用作多级放大电路的输入级?又为什么常用作输出级?

答案与提示

输入级:输入电阻高,从信号源索取的电流小,Avs≈AvA_{vs}\approx A_v⁠,信号源电压几乎不损失。输出级:输出电阻低,带负载能力强,负载变化时输出电压基本不变。放在两级之间作缓冲级:对前级而言是一个大负载电阻(不拖累前级增益),对后级而言是一个低内阻信号源。

5. (概念)射极跟随器的输出电阻为什么与信号源内阻有关?前级的输出电阻增大时,它的RoR_o怎么变?

答案与提示

Ro≈Rsi′+rbe1+βR_o\approx\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta}⁠:基极回路的总电阻(含信号源内阻)折算到发射极。RsiR_{si}(或前级输出电阻)增大,RoR_o随之增大,例题 2 中前级 3 kΩ 使RoR_o从约 21 Ω 增大到约 40 Ω。

6. (比较,真题风格)三种基本组态中:输入电阻最大的是__,输出电阻最小的是__,既能放大电压又能放大电流的是__,输出与输入反相的是__,高频特性最好的是__,电流增益小于 1 的是__。

答案与提示

共集;共集;共射;共射;共基;共基。

7. (综合)某信号源内阻Rsi=100 kΩR_{si}=100\,\text{k}\Omega(类似传感器),要驱动RL=1 kΩR_L=1\,\text{k}\Omega负载,只用一级 BJT 电路做"缓冲"。选哪种组态?为什么另两种不合适?

答案与提示

选共集。它输入电阻高(几十千欧以上),不会把高内阻信号源的电压"拉垮";输出电阻低,能驱动 1 kΩ 负载。共射输入电阻只有 1~2 kΩ,信号绝大部分降在 100 kΩ 内阻上;共基输入电阻只有几十欧,更不合适(它适合电流源型信号,但此时要的是电压缓冲)。

8. (故障)射极跟随器(例题 1 电路)正常时VEQ≈5.7 VV_{EQ}\approx5.7\,\text{V}⁠。若测得VEQ≈0V_{EQ}\approx0⁠、VBQ≈0V_{BQ}\approx0⁠,最可能是什么原因?若测得VEQ≈11.3 VV_{EQ}\approx11.3\,\text{V}呢?

答案与提示

VBQ=VEQ=0V_{BQ}=V_{EQ}=0⁠:基极没有得到偏置,发射结不导通,管子截止,最可能是RbR_b开路(或基极对地短路)。VEQ≈11.3 VV_{EQ}\approx11.3\,\text{V}⁠:发射极只比电源低 0.7 V,说明基极电位已被拉到接近VCCV_{CC}⁠,最可能是RbR_b被短路。此时VCE≈0.7 VV_{CE}\approx0.7\,\text{V}⁠、VCB≈0V_{CB}\approx0⁠,管子处在临界饱和;更危险的是基极电流不再受RbR_b限制,管子很容易过流烧坏——这也说明RbR_b除了定 Q 点,还起限流保护作用。

下一讲预告

一级电路的增益、输入电阻、输出电阻往往顾此失彼,下一讲把多级串起来:讲阻容、直接、变压器、光电四种耦合方式,直接耦合带来的零点漂移及其抑制,以及多级电路的增益和输入、输出电阻怎么算。

👉 点击进入下一讲:第08讲|多级放大电路:耦合方式、零点漂移及其抑制、多级增益

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