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、A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R 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。
本讲地图#
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) ⭐⭐⭐:A v < 1 A_v<1 A 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 ⭐⭐⭐:A v = + β R L ′ / r b e A_v=+\beta R_L'/r_{be} A v = + β R L ′ / r b e ,同相放大;输入电阻极小(几十欧以下);电流增益α < 1 \alpha<1 α < 1 ;频带宽。
三种组态比较 ⭐⭐⭐:一张表记住A v A_v A v 、A i A_i A i 、R i R_i R i 、R o R_o R 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、r b e = r b b ′ + ( 1 + β ) V T I E Q r_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{V_T}{I_{EQ}} r b e = r b b ′ + ( 1 + β ) I E Q V T 、交流通路画法:见第 05 讲(下)。
射极偏置电路的 Q 点估算和A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R 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r b b ′ = 200 Ω r_{bb'}=200\,\Omega r b b ′ = 200 Ω 、V T = 26 mV V_T=26\,\text{mV} V T = 26 mV 、V B E Q = 0.7 V V_{BEQ}=0.7\,\text{V} V B E Q = 0.7 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R e R_e R 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V C C V_{CC} V C C ,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R c R_c R c 的射极输出电路,仍然是共集(教材例 5.5.1:R c R_c R 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 + β 1+\beta 1 + β 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 V Rb 200 kΩ T Re 2 kΩ Cb2 10 μF RL 2 kΩ vo vs Rsi 1 kΩ Cb1 10 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:R b R_b R b 给基极提供偏置电流;集电极直接 接V C C V_{CC} V C C (交流接地);R e R_e R e 既是发射极负载,又提供直流负反馈稳定 Q 点;C b 1 C_{b1} C b 1 、C b 2 C_{b2} C b 2 隔直耦合。
2.3 静态分析(教材式 5.5.1~5.5.3)#
输入回路 KVL:V C C = I B Q R b + V B E Q + ( 1 + β ) I B Q R e V_{CC}=I_{BQ}R_b+V_{BEQ}+(1+\beta)I_{BQ}R_e V C C = I B Q R b + V B E Q + ( 1 + β ) I B Q R e ,得
I B Q = V C C − V B E Q R b + ( 1 + β ) R e , I C Q = β I B Q ≈ I E Q , V C E Q = V C C − I E Q R e I_{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 I B Q = R b + ( 1 + β ) R e V C C − V B E Q , I C Q = β I B Q ≈ I E Q , V C E Q = V C C − I E Q R e
逐行拆解:分母中( 1 + β ) R e (1+\beta)R_e ( 1 + β ) R e 又出现了——R e R_e R e 折算到基极回路要放大( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 倍,和上一讲的精确法一模一样;集电极没有电阻,所以V C E Q V_{CEQ} V C E Q 只减R e R_e R e 上的压降。由于R e R_e R 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:V C C V_{CC} V C C 接地 → 集电极接地;R e R_e R e 和R L R_L R L 都接在发射极与地之间,并联成R L ′ = R e ∥ R L R_L'=R_e\parallel R_L R L ′ = R e ∥ R L (注意:共集电路的R L ′ R_L' R L ′ 是R e ∥ R L R_e\parallel R_L R e ∥ R L ,不是R c ∥ R L R_c\parallel R_L R c ∥ R L )。
电压增益 :v o = ( 1 + β ) i b R L ′ v_o=(1+\beta)i_bR_L' v o = ( 1 + β ) i b R L ′ ,v i = i b r b e + ( 1 + β ) i b R L ′ v_i=i_br_{be}+(1+\beta)i_bR_L' v i = i b r b e + ( 1 + β ) i b R L ′ ,所以(教材式 5.5.4)
A v = ( 1 + β ) R L ′ r b e + ( 1 + β ) R L ′ A_v=\frac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'} A v = r b e + ( 1 + β ) R L ′ ( 1 + β ) R L ′
正号:同相;分子比分母少一个r b e r_{be} r b e :A v < 1 A_v<1 A v < 1 ;通常( 1 + β ) R L ′ ≫ r b e (1+\beta)R_L'\gg r_{be} ( 1 + β ) R L ′ ≫ r b e ,A v ≈ 1 A_v\approx1 A v ≈ 1 。
输入电阻 (教材式 5.5.5):
R i = R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ] R_i=R_b\parallel\left[r_{be}+(1+\beta)R_L'\right] R i = R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ]
( 1 + β ) R L ′ (1+\beta)R_L' ( 1 + β ) R L ′ 往往有几十到上百千欧,所以R i R_i R i 很大。注意它和负载有关 :负载越重(R L R_L R L 越小),R i R_i R i 越小。
输出电阻 (教材式 5.5.6a/b):令v s = 0 v_s=0 v s = 0 、去掉R L R_L R L ,在输出端加测试电压v t v_t v t 。从发射极看进去,一路是R e R_e R e ;另一路是"基极回路的电阻R s i ′ + r b e R_{si}'+r_{be} R s i ′ + r b e 折算到发射极"——发射极电流是基极电流的( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 倍,所以电阻要除以 ( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) :
R o = R e ∥ R s i ′ + r b e 1 + β ≈ R s i ′ + r b e 1 + β , R s i ′ = R s i ∥ R b R_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 R o = R e ∥ 1 + β R s i ′ + r b e ≈ 1 + β R s i ′ + r b e , R s i ′ = R s i ∥ R b
R o R_o R o 的推导一步一步来 (考试常要求"写出推导过程"):
令v s = 0 v_s=0 v s = 0 (保留R s i R_{si} R s i ),去掉R L R_L R L ,在输出端加测试电压v t v_t v t ,流入电流i t i_t i t ;
基极回路此时是R s i ′ = R s i ∥ R b R_{si}'=R_{si}\parallel R_b R s i ′ = R s i ∥ R b 与r b e r_{be} r b e 串联后接在发射极与地之间,于是i b = − v t R s i ′ + r b e i_b=-\dfrac{v_t}{R_{si}'+r_{be}} i b = − R s i ′ + r b e v t (基极电流实际从发射极流向基极,故为负);
发射极节点 KCL:i t = v t R e − i b − β i b = v t R e + ( 1 + β ) v t R s i ′ + r b e i_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}} i t = R e v t − i b − β i b = R e v t + ( 1 + β ) R s i ′ + r b e v t ;
R o = v t i t = R e ∥ R s i ′ + r b e 1 + β R_o=\dfrac{v_t}{i_t}=R_e\parallel\dfrac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta} R o = i t v t = R e ∥ 1 + β R s i ′ + r b e 。
"( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 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) ( 1 + β ) (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) ( 1 + β ) (输出电阻小的原因)。
为什么A v A_v A v 一定小于 1? 物理上看:v o = v i − v b e v_o=v_i-v_{be} v o = v i − v b e ,输出总比输入少一个发射结上的交流压降v b e = i b r b e v_{be}=i_br_{be} v b e = i b r b e 。要让v b e v_{be} v b e 有变化(管子才有电流变化),它就不能为零,所以v o v_o v o 永远略小于v i v_i v i 。这同时也是一种深度电压串联负反馈 :输出电压v o v_o v o 全部反馈到输入回路与v i v_i v i 相减(第 13 讲)。
2.5 例题 1(标准计算)#
图 1 电路:V C C = 12 V V_{CC}=12\,\text{V} V C C = 12 V ,R b = 200 k Ω R_b=200\,\text{k}\Omega R b = 200 k Ω ,R e = 2 k Ω R_e=2\,\text{k}\Omega R e = 2 k Ω ,R L = 2 k Ω R_L=2\,\text{k}\Omega R L = 2 k Ω ,R s i = 1 k Ω R_{si}=1\,\text{k}\Omega R s i = 1 k Ω ,β = 100 \beta=100 β = 100 。求 Q 点、A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R o 、A v s A_{vs} A v s 。
解 :
① 静态:
I B Q = 12 − 0.7 200 + 101 × 2 V k Ω = 11.3 402 mA ≈ 28.1 μ A I_{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} I B Q = 200 + 101 × 2 12 − 0.7 k Ω V = 402 11.3 mA ≈ 28.1 μ A
I E Q = ( 1 + β ) I B Q ≈ 2.84 mA , I C Q ≈ 2.81 mA , V C E Q = 12 − 2.84 × 2 ≈ 6.32 V I_{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} I E Q = ( 1 + β ) I B Q ≈ 2.84 mA , I C Q ≈ 2.81 mA , V C E Q = 12 − 2.84 × 2 ≈ 6.32 V
V C E Q V_{CEQ} V C E Q 约为电源的一半,放大区,位置合适。
② r b e = 200 + 101 × 26 2.84 Ω ≈ 200 + 925 ≈ 1.13 k Ω r_{be}=200+101\times\dfrac{26}{2.84}\,\Omega\approx200+925\approx1.13\,\text{k}\Omega r b e = 200 + 101 × 2.84 26 Ω ≈ 200 + 925 ≈ 1.13 k Ω (精确值1.125 k Ω 1.125\,\text{k}\Omega 1.125 k Ω )。
③ R L ′ = 2 ∥ 2 = 1 k Ω R_L'=2\parallel2=1\,\text{k}\Omega R L ′ = 2 ∥ 2 = 1 k Ω ,
A v = 101 × 1 1.125 + 101 × 1 = 101 102.1 ≈ 0.989 A_v=\frac{101\times1}{1.125+101\times1}=\frac{101}{102.1}\approx0.989 A v = 1.125 + 101 × 1 101 × 1 = 102.1 101 ≈ 0.989
④ R i = 200 ∥ ( 1.125 + 101 ) k Ω = 200 ∥ 102.1 k Ω ≈ 67.6 k Ω R_i=200\parallel(1.125+101)\,\text{k}\Omega=200\parallel102.1\,\text{k}\Omega\approx67.6\,\text{k}\Omega R i = 200 ∥ ( 1.125 + 101 ) k Ω = 200 ∥ 102.1 k Ω ≈ 67.6 k Ω
⑤ R s i ′ = 1 ∥ 200 ≈ 0.995 k Ω R_{si}'=1\parallel200\approx0.995\,\text{k}\Omega R s i ′ = 1 ∥ 200 ≈ 0.995 k Ω ,
R s i ′ + r b e 1 + β = 0.995 + 1.125 101 k Ω ≈ 21.0 Ω , R o = 2 k Ω ∥ 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 1 + β R s i ′ + r b e = 101 0.995 + 1.125 k Ω ≈ 21.0 Ω , R o = 2 k Ω ∥ 21.0 Ω ≈ 20.8 Ω
⑥ A v s = A v R i R s i + R i = 0.989 × 67.6 68.6 ≈ 0.975 A_{vs}=A_v\dfrac{R_i}{R_{si}+R_i}=0.989\times\dfrac{67.6}{68.6}\approx0.975 A v s = A v R s i + R i R i = 0.989 × 68.6 67.6 ≈ 0.975
对比上一讲的共射电路(R i ≈ 1.64 k Ω R_i\approx1.64\,\text{k}\Omega R i ≈ 1.64 k Ω 、R o ≈ 3 k Ω R_o\approx3\,\text{k}\Omega R o ≈ 3 k Ω ):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i o i_o i o (流过R L R_L R L )与输入电流i i i_i i 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,A v A_v A v 和R i R_i R i 怎么变?
R L R_L R L
R L ′ = R e ∥ R L R_L'=R_e\parallel R_L R L ′ = R e ∥ R L
A v A_v A v
R i R_i R 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,A v A_v A 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R i R_i R 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C e C_e C e )空载增益A v o ≈ − 144 A_{vo}\approx-144 A v o ≈ − 144 、R o ≈ 3 k Ω R_o\approx3\,\text{k}\Omega R o ≈ 3 k Ω 。现在要驱动R L = 100 Ω R_L=100\,\Omega R L = 100 Ω 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:A v = A v o R L R o + R L = − 144 × 0.1 3.1 ≈ − 4.6 A_v=A_{vo}\dfrac{R_L}{R_o+R_L}=-144\times\dfrac{0.1}{3.1}\approx-4.6 A v = A v o R o + R L R L = − 144 × 3.1 0.1 ≈ − 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R L ′ = 2 k Ω ∥ 100 Ω ≈ 95.2 Ω R_L'=2\,\text{k}\Omega\parallel100\,\Omega\approx95.2\,\Omega R L ′ = 2 k Ω ∥ 100 Ω ≈ 95.2 Ω ,
R i 2 = 200 ∥ ( 1.125 + 101 × 0.0952 ) k Ω ≈ 10.2 k Ω , A v 2 = 101 × 0.0952 1.125 + 101 × 0.0952 ≈ 0.895 R_{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 R i 2 = 200 ∥ ( 1.125 + 101 × 0.0952 ) k Ω ≈ 10.2 k Ω , A v 2 = 1.125 + 101 × 0.0952 101 × 0.0952 ≈ 0.895
前级带的负载变成R i 2 = 10.2 k Ω R_{i2}=10.2\,\text{k}\Omega R i 2 = 10.2 k Ω :
A v = A v o R i 2 R o + R i 2 ⋅ A v 2 = − 144 × 10.2 3 + 10.2 × 0.895 ≈ − 99.6 A_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 A v = A v o R o + R i 2 R i 2 ⋅ A v 2 = − 144 × 3 + 10.2 10.2 × 0.895 ≈ − 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R o = 2 k Ω ∥ ( 3 ∥ 200 ) + 1.125 101 k Ω ≈ 40 Ω R_o=2\,\text{k}\Omega\parallel\frac{(3\parallel200)+1.125}{101}\,\text{k}\Omega\approx40\,\Omega R o = 2 k Ω ∥ 101 ( 3 ∥ 200 ) + 1.125 k Ω ≈ 40 Ω 。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 ⚠️#
⚠️ R L ′ R_L' R L ′ 写成R c ∥ R L R_c\parallel R_L R c ∥ R L :共集电路输出在发射极,R L ′ = R e ∥ R L R_L'=R_e\parallel R_L R L ′ = R e ∥ R L 。
⚠️ R o R_o R o 忘了把R s i R_{si} R s i 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 。R s i R_{si} R s i 越大,R o R_o R o 越大。
⚠️ R i R_i R i 忘了带R L R_L R L :射随器的输入电阻和负载有关 ,空载、带载要分开算。
⚠️ 说"A v = 1 A_v=1 A 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C b C_b C 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(i c = α i e i_c=\alpha i_e i c = α i e ,α \alpha α 略小于 1),再流过大电阻R L ′ R_L' 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 V Rb1 33 kΩ Rb2 10 kΩ T Cb Rc 3 kΩ Re 1.5 kΩ Cb2 10 μF RL 3 kΩ vo Cb1 10 μF Rsi 50 Ω vs Cb 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C b C_b C 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:
V B Q ≈ R b 2 R b 1 + R b 2 V C C , I C Q ≈ I E Q = V B Q − V B E Q R e , V C E Q = V C C − I C Q ( R c + R e ) 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) V B Q ≈ R b 1 + R b 2 R b 2 V C C , I C Q ≈ I E Q = R e V B Q − V B E Q , V C E Q = V C C − I C Q ( R c + R e )
3.4 动态分析#
小信号等效电路中,基极接地,r b e r_{be} r b e 接在 b(地)与 e 之间,受控源β i b \beta i_b β i b 接在 c、e 之间。输入电压加在 e 与地之间,v i = − i b r b e v_i=-i_br_{be} v i = − i b r b e (i b i_b i b 的参考方向流入基极,此时实际方向相反);输出v o = − β i b R L ′ v_o=-\beta i_bR_L' v o = − β i b R L ′ 。于是(教材式 5.5.7~5.5.9):
A v = v o v i = β R L ′ r b e , R L ′ = R c ∥ R L A_v=\frac{v_o}{v_i}=\frac{\beta R_L'}{r_{be}},\qquad R_L'=R_c\parallel R_L A v = v i v o = r b e β R L ′ , R L ′ = R c ∥ R L
R i = R e ∥ r b e 1 + β , R o ≈ R c R_i=R_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta},\qquad R_o\approx R_c R i = R e ∥ 1 + β r b e , R o ≈ R c
逐行拆解:
A v A_v A v 和共射(有C e C_e C e )大小相同、符号相反 ——共基是同相 放大。
R i R_i R i :从发射极看进去,r b e r_{be} r b e 在基极支路上,折算到发射极要除以 ( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) ,只剩十几到几十欧。这是共基最大的特点。
电流增益:A i ≈ i c i e = α = β 1 + β < 1 A_i\approx\dfrac{i_c}{i_e}=\alpha=\dfrac{\beta}{1+\beta}<1 A i ≈ i e i c = α = 1 + β β < 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:V C C = 12 V V_{CC}=12\,\text{V} V C C = 12 V ,R b 1 = 33 k Ω R_{b1}=33\,\text{k}\Omega R b 1 = 33 k Ω ,R b 2 = 10 k Ω R_{b2}=10\,\text{k}\Omega R b 2 = 10 k Ω ,R c = 3 k Ω R_c=3\,\text{k}\Omega R c = 3 k Ω ,R e = 1.5 k Ω R_e=1.5\,\text{k}\Omega R e = 1.5 k Ω ,R L = 3 k Ω R_L=3\,\text{k}\Omega R L = 3 k Ω ,β = 100 \beta=100 β = 100 。(1) 求 Q 点、A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R o ;(2) 信号源内阻R s i R_{si} R s i 分别为50 Ω 50\,\Omega 50 Ω 和600 Ω 600\,\Omega 600 Ω 时,求A v s A_{vs} A v s ,并与同参数的共射电路(有C e C_e C e )比较。
解 :
(1) 直流通路同第 06 讲:V B Q ≈ 2.79 V V_{BQ}\approx2.79\,\text{V} V B Q ≈ 2.79 V ,I E Q ≈ 1.39 mA I_{EQ}\approx1.39\,\text{mA} I E Q ≈ 1.39 mA ,V C E Q ≈ 5.73 V V_{CEQ}\approx5.73\,\text{V} V C E Q ≈ 5.73 V ,r b e ≈ 2.08 k Ω r_{be}\approx2.08\,\text{k}\Omega r b e ≈ 2.08 k Ω 。
A v = 100 × 1.5 2.08 ≈ + 72.0 , R i = 1.5 k Ω ∥ 2.08 k Ω 101 = 1.5 k Ω ∥ 20.6 Ω ≈ 20.4 Ω , R o ≈ 3 k Ω A_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 A v = 2.08 100 × 1.5 ≈ + 72.0 , R i = 1.5 k Ω ∥ 101 2.08 k Ω = 1.5 k Ω ∥ 20.6 Ω ≈ 20.4 Ω , R o ≈ 3 k Ω
(2) A v s = A v R i R s i + R i A_{vs}=A_v\dfrac{R_i}{R_{si}+R_i} A v s = A v R s i + R i R i :
R s i R_{si} R s i
共基A v s A_{vs} A v s
共射A v s A_{vs} A v s (R i = 1.64 k Ω R_i=1.64\,\text{k}\Omega R i = 1.64 k Ω )
50 Ω
72.0 × 20.4 70.4 ≈ 20.8 72.0\times\frac{20.4}{70.4}\approx20.8 72.0 × 70.4 20.4 ≈ 20.8
− 72.0 × 1.64 1.69 ≈ − 69.8 -72.0\times\frac{1.64}{1.69}\approx-69.8 − 72.0 × 1.69 1.64 ≈ − 69.8
600 Ω
72.0 × 20.4 620.4 ≈ 2.4 72.0\times\frac{20.4}{620.4}\approx2.4 72.0 × 620.4 20.4 ≈ 2.4
− 72.0 × 1.64 2.24 ≈ − 52.7 -72.0\times\frac{1.64}{2.24}\approx-52.7 − 72.0 × 2.24 1.64 ≈ − 52.7
结论 :同样的∣ A v ∣ |A_v| ∣ 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 k 100 k + 20.4 ≈ 99.98 % \frac{100\,\text{k}}{100\,\text{k}+20.4}\approx99.98\% 100 k + 20.4 100 k ≈ 99.98% ),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C b C_b C b 开路(失效),会怎样?
此时基极不再交流接地,而是经R b = R b 1 ∥ R b 2 ≈ 7.67 k Ω R_b=R_{b1}\parallel R_{b2}\approx7.67\,\text{k}\Omega R b = R b 1 ∥ R b 2 ≈ 7.67 k Ω 接地。基极支路的总电阻变成r b e + R b r_{be}+R_b r b e + R b ,按同样的方法推得
A v = β R L ′ r b e + R b = 100 × 1.5 2.08 + 7.67 ≈ 15.4 , R i = R e ∥ r b e + R b 1 + β ≈ 90.8 Ω A_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 A v = r b e + R b β R L ′ = 2.08 + 7.67 100 × 1.5 ≈ 15.4 , R i = R e ∥ 1 + β r b e + R b ≈ 90.8 Ω
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C b C_b C b 和共射电路的C e C_e C 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A v A_v A v 加负号:共基是同相 的。
⚠️ R i R_i R i 写成R e ∥ r b e R_e\parallel r_{be} R e ∥ r b e :r b e r_{be} r b e 要除以( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 。
⚠️ 忘了基极旁路电容C b C_b C b 的作用:没有C b C_b C 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 α < 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C b ′ c C_{b'c} C 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,C b ′ c C_{b'c} C 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C e C_e C e )
共集 CC(射极跟随器)
共基 CB
输入 → 输出
b → c
b → e
e → c
A v A_v A v
− β R L ′ r b e -\dfrac{\beta R_L'}{r_{be}} − r b e β R L ′ ,R L ′ = R c ∥ R L R_L'=R_c\parallel R_L R L ′ = R c ∥ R L
( 1 + β ) R L ′ r b e + ( 1 + β ) R L ′ \dfrac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'} r b e + ( 1 + β ) R L ′ ( 1 + β ) R L ′ ,R L ′ = R e ∥ R L R_L'=R_e\parallel R_L R L ′ = R e ∥ R L
β R L ′ r b e \dfrac{\beta R_L'}{r_{be}} r b e β R L ′ ,R L ′ = R c ∥ R L R_L'=R_c\parallel R_L R L ′ = R c ∥ 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)
R i R_i R i
中:R b ∥ r b e R_b\parallel r_{be} R b ∥ r b e
最大 :R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ] R_b\parallel[r_{be}+(1+\beta)R_L'] R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ]
最小 :R e ∥ r b e 1 + β R_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta} R e ∥ 1 + β r b e
R o R_o R o
较大:≈ R c \approx R_c ≈ R c
最小 :R e ∥ R s i ′ + r b e 1 + β R_e\parallel\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta} R e ∥ 1 + β R s i ′ + r b e
较大:≈ R c \approx R_c ≈ R c
例题数值
A v = − 72 A_v=-72 A v = − 72 ,R i = 1.64 k Ω R_i=1.64\,\text{k}\Omega R i = 1.64 k Ω ,R o = 3 k Ω R_o=3\,\text{k}\Omega R o = 3 k Ω
A v = 0.989 A_v=0.989 A v = 0.989 ,R i = 67.6 k Ω R_i=67.6\,\text{k}\Omega R i = 67.6 k Ω ,R o = 20.8 Ω R_o=20.8\,\Omega R o = 20.8 Ω
A v = 72 A_v=72 A v = 72 ,R i = 20.4 Ω R_i=20.4\,\Omega R i = 20.4 Ω ,R o = 3 k Ω R_o=3\,\text{k}\Omega R o = 3 k Ω
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R e R_e R e 和C e C_e C 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A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R 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 $I {BQ}(或 (或 (或 V {BQ}) → )→ ) → I {EQ}→ → → V {CEQ}$,确认在放大区。
③ 求r b e r_{be} r b e :r b e = r b b ′ + ( 1 + β ) 26 mV I E Q r_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{26\,\text{mV}}{I_{EQ}} r b e = r b b ′ + ( 1 + β ) I E Q 26 mV 。
④ 画小信号等效电路 (电容、电源交流短路),按组态写出v i v_i v i 、v o v_o v o 关于i b i_b i b 的表达式,相除得A v A_v A v ;用"从输入端看进去"求R i R_i R i ;令v s = 0 v_s=0 v s = 0 、去掉R L R_L R L 求R o R_o R 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R L ′ R_L' R L ′ 的写法(共射、共基是R c ∥ R L R_c\parallel R_L R c ∥ R L ,共集是R e ∥ R L R_e\parallel R_L R e ∥ R L )以及( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 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 :I B Q = V C C − V B E Q R b + ( 1 + β ) R e I_{BQ}=\frac{V_{CC}-V_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e} I B Q = R b + ( 1 + β ) R e V C C − V B E Q ,V C E Q = V C C − I E Q R e V_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}R_e V C E Q = V C C − I E Q R e ;A v = ( 1 + β ) R L ′ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ≈ 1 A_v=\frac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'}\approx1 A v = r b e + ( 1 + β ) R L ′ ( 1 + β ) R L ′ ≈ 1 (R L ′ = R e ∥ R L R_L'=R_e\parallel R_L R L ′ = R e ∥ R L );R i = R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ] R_i=R_b\parallel[r_{be}+(1+\beta)R_L'] R i = R b ∥ [ r b e + ( 1 + β ) R L ′ ] 大;R o = R e ∥ R s i ′ + r b e 1 + β R_o=R_e\parallel\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta} R o = R e ∥ 1 + β R s i ′ + r b e 小。
共基 :Q 点同射极偏置;A v = + β R L ′ r b e A_v=+\frac{\beta R_L'}{r_{be}} A v = + r b e β R L ′ ;R i = R e ∥ r b e 1 + β R_i=R_e\parallel\frac{r_{be}}{1+\beta} R i = R e ∥ 1 + β r b e 极小;R o ≈ R c R_o\approx R_c R o ≈ R c ;A i ≈ α < 1 A_i\approx\alpha<1 A i ≈ α < 1 ;频带宽。
折算规则 :射极电阻折到基极 ×( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) ;基极电阻折到射极 ÷( 1 + β ) (1+\beta) ( 1 + β ) 。
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R e R_e R e 接地且没有 旁路电容。它是什么组态?A v A_v A 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)。A v = − β R L ′ r b e + ( 1 + β ) R e A_v=-\frac{\beta R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_e} A v = − r b e + ( 1 + β ) R e β R L ′ ,R L ′ = R c ∥ R L R_L'=R_c\parallel R_L R L ′ = R c ∥ R L (第 06 讲下)。
2. (共集计算)射极跟随器:V C C = 10 V V_{CC}=10\,\text{V} V C C = 10 V ,R b = 150 k Ω R_b=150\,\text{k}\Omega R b = 150 k Ω ,R e = 1 k Ω R_e=1\,\text{k}\Omega R e = 1 k Ω ,R L = 1 k Ω R_L=1\,\text{k}\Omega R L = 1 k Ω ,R s i = 500 Ω R_{si}=500\,\Omega R s i = 500 Ω ,β = 80 \beta=80 β = 80 。求 Q 点、r b e r_{be} r b e 、A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R o 。
答案与提示
I B Q = 9.3 150 + 81 × 1 mA ≈ 40.3 μ A I_{BQ}=\frac{9.3}{150+81\times1}\,\text{mA}\approx40.3\,\mu\text{A} I B Q = 150 + 81 × 1 9.3 mA ≈ 40.3 μ A ,I E Q ≈ 3.26 mA I_{EQ}\approx3.26\,\text{mA} I E Q ≈ 3.26 mA ,V C E Q = 10 − 3.26 ≈ 6.74 V V_{CEQ}=10-3.26\approx6.74\,\text{V} V C E Q = 10 − 3.26 ≈ 6.74 V ;r b e = 200 + 81 × 26 / 3.26 ≈ 846 Ω r_{be}=200+81\times26/3.26\approx846\,\Omega r b e = 200 + 81 × 26/3.26 ≈ 846 Ω ;R L ′ = 0.5 k Ω R_L'=0.5\,\text{k}\Omega R L ′ = 0.5 k Ω ,A v = 81 × 0.5 0.846 + 40.5 ≈ 0.980 A_v=\frac{81\times0.5}{0.846+40.5}\approx0.980 A v = 0.846 + 40.5 81 × 0.5 ≈ 0.980 ;R i = 150 ∥ 41.3 ≈ 32.4 k Ω R_i=150\parallel41.3\approx32.4\,\text{k}\Omega R i = 150 ∥ 41.3 ≈ 32.4 k Ω ;R o = 1 k ∥ ( 0.5 ∥ 150 ) + 0.846 81 k Ω ≈ 16.3 Ω R_o=1\,\text{k}\parallel\frac{(0.5\parallel150)+0.846}{81}\,\text{k}\Omega\approx16.3\,\Omega R o = 1 k ∥ 81 ( 0.5 ∥ 150 ) + 0.846 k Ω ≈ 16.3 Ω 。
3. (共基计算)共基电路:V C C = 12 V V_{CC}=12\,\text{V} V C C = 12 V ,R b 1 = 40 k Ω R_{b1}=40\,\text{k}\Omega R b 1 = 40 k Ω ,R b 2 = 20 k Ω R_{b2}=20\,\text{k}\Omega R b 2 = 20 k Ω ,R e = 1.65 k Ω R_e=1.65\,\text{k}\Omega R e = 1.65 k Ω ,R c = R L = 2 k Ω R_c=R_L=2\,\text{k}\Omega R c = R L = 2 k Ω ,β = 80 \beta=80 β = 80 。求I E Q I_{EQ} I E Q 、V C E Q V_{CEQ} V C E Q 、r b e r_{be} r b e 、A v A_v A v 、R i R_i R i 、R o R_o R o 。
答案与提示
V B Q = 4 V V_{BQ}=4\,\text{V} V B Q = 4 V ,I E Q = 3.3 1.65 = 2 mA I_{EQ}=\frac{3.3}{1.65}=2\,\text{mA} I E Q = 1.65 3.3 = 2 mA ,V C E Q = 12 − 2 × 3.65 = 4.7 V V_{CEQ}=12-2\times3.65=4.7\,\text{V} V C E Q = 12 − 2 × 3.65 = 4.7 V ;r b e = 200 + 81 × 13 ≈ 1.25 k Ω r_{be}=200+81\times13\approx1.25\,\text{k}\Omega r b e = 200 + 81 × 13 ≈ 1.25 k Ω ;A v = 80 × 1 1.253 ≈ 63.9 A_v=\frac{80\times1}{1.253}\approx63.9 A v = 1.253 80 × 1 ≈ 63.9 (同相);R i = 1.65 k ∥ 1253 81 Ω ≈ 15.3 Ω R_i=1.65\,\text{k}\parallel\frac{1253}{81}\,\Omega\approx15.3\,\Omega R i = 1.65 k ∥ 81 1253 Ω ≈ 15.3 Ω ;R o ≈ 2 k Ω R_o\approx2\,\text{k}\Omega R o ≈ 2 k Ω 。
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,A v s ≈ A v A_{vs}\approx A_v A v s ≈ 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R o R_o R o 怎么变?
答案与提示
R o ≈ R s i ′ + r b e 1 + β R_o\approx\frac{R_{si}'+r_{be}}{1+\beta} R o ≈ 1 + β R s i ′ + r b e :基极回路的总电阻(含信号源内阻)折算到发射极。R s i R_{si} R s i (或前级输出电阻)增大,R o R_o R o 随之增大,例题 2 中前级 3 kΩ 使R o R_o R 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R s i = 100 k Ω R_{si}=100\,\text{k}\Omega R s i = 100 k Ω (类似传感器),要驱动R L = 1 k Ω R_L=1\,\text{k}\Omega R L = 1 k Ω 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V E Q ≈ 5.7 V V_{EQ}\approx5.7\,\text{V} V E Q ≈ 5.7 V 。若测得V E Q ≈ 0 V_{EQ}\approx0 V E Q ≈ 0 、V B Q ≈ 0 V_{BQ}\approx0 V B Q ≈ 0 ,最可能是什么原因?若测得V E Q ≈ 11.3 V V_{EQ}\approx11.3\,\text{V} V E Q ≈ 11.3 V 呢?
答案与提示
V B Q = V E Q = 0 V_{BQ}=V_{EQ}=0 V B Q = V E Q = 0 :基极没有得到偏置,发射结不导通,管子截止 ,最可能是R b R_b R b 开路(或基极对地短路)。V E Q ≈ 11.3 V V_{EQ}\approx11.3\,\text{V} V E Q ≈ 11.3 V :发射极只比电源低 0.7 V,说明基极电位已被拉到接近V C C V_{CC} V C C ,最可能是R b R_b R b 被短路。此时V C E ≈ 0.7 V V_{CE}\approx0.7\,\text{V} V C E ≈ 0.7 V 、V C B ≈ 0 V_{CB}\approx0 V C B ≈ 0 ,管子处在临界饱和;更危险的是基极电流不再受R b R_b R b 限制,管子很容易过流烧坏——这也说明R b R_b R 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。
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