模擬電子技術(shù)是電子類專業(yè)專業(yè)必修課程, 其中的基本共射放大電路是該門(mén)課程里的入門(mén)基礎(chǔ)內(nèi)容, 用于討論晶體三極管的放大作用。在原理型的單管共射放大電路 (圖1) 的基礎(chǔ)上, 引出了阻容耦合單管共射放大電路以改善電路性能, 如下圖2所示。該電路是一個(gè)經(jīng)典的實(shí)用的放大電路。

圖2電路相較于圖1的一個(gè)很大的改變是增加了三個(gè)電容, 兩個(gè)耦合電容C1、C2和一個(gè)旁路電容Ce。改進(jìn)后的電路遵守使輸入信號(hào)能夠放大所必須遵守的原則, 即動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)能夠順利地傳送到放大管上進(jìn)行放大, 同時(shí)在性能的改變上可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn):

(1) 只有一個(gè)直流電源, 節(jié)約了電路;

(2) 輸入信號(hào)、直流電源、輸出信號(hào)均有一端接在公共端即共地, 更好地防止了干擾;

(3) 直流通路和交流通路的分離;

(4) 具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn);

(5) 頻率響應(yīng)發(fā)生了變化。

上述性能的改變是該電路結(jié)構(gòu)及元件共同作用的結(jié)果。對(duì)于一些很明顯的性能的改變無(wú)需累述, 如性能 (1) 。有些性能的改變?cè)诤芏嘟炭茣?shū)上都做了詳細(xì)的講解, 如性能 (4) 。而對(duì)于該電路里的電容的具體工作過(guò)程及原理, 卻總是簡(jiǎn)單地帶過(guò)。通過(guò)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)感受, 電容在該電路發(fā)揮作用的原理是一個(gè)難點(diǎn), 不容易理解, 所以本文將重點(diǎn)討論該電路里電容的具體工作過(guò)程及原理, 及加上電容后電路性能的改變結(jié)果。

電容器都是由間隔以不同介質(zhì)的兩塊金屬極板組成, 當(dāng)在極板上加以電壓后, 極板上分別聚集起等量的正負(fù)電荷, 并在介質(zhì)中建立電場(chǎng)而具有電場(chǎng)能量。將電源移去后, 電荷可繼續(xù)聚集在極板上, 電場(chǎng)繼續(xù)存在。所以電容器是一種能存儲(chǔ)電荷或者說(shuō)儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的部件[2]。

通過(guò)上述定義的描述, 可以知曉電容內(nèi)部是沒(méi)有電子流動(dòng), 只有兩塊極板上電荷的變化。

對(duì)于圖1的原理性電路, Rb和Vbb一起為電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn), 但是Rb的存在, 同樣會(huì)讓信號(hào)ui在Rb上產(chǎn)生壓降, 則輸入到放大器上的信號(hào)就相應(yīng)減少了, 影響了整個(gè)電路的放大能力。而圖2所示電路, 因?yàn)?a target="_blank" class="wpil_keyword_link" href="http://www.zxkcfdzz.com/tag/coupling-capacitor" title="耦合電容" data-wpil-keyword-link="linked" data-wpil-monitor-id="4220">耦合電容的存在, 讓交流通路和直流通路分開(kāi), 則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

圖2的直流通路如圖3所示, 因?yàn)轳詈想娙莸淖饔? 信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載對(duì)直流通路都沒(méi)有影響。該電路在設(shè)計(jì)時(shí)使得I2>>IBQ, 則UBQ約等于Rb2對(duì)Vcc的分壓, 其值幾乎不變。該電路的Re為負(fù)反饋電阻, 和UBQ一起配合使該電路具有靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的效果, 減小溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。

交流通路如圖4所示, 可以看出, 交流信號(hào)直接加在了放大器上, 幾乎沒(méi)有損耗, 直流電壓Vcc在集電極上產(chǎn)生的壓降降落在C2上, 使得輸出uo為純交流信號(hào)。上述Re的存在, 能使電路形成負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn), 但是同時(shí)Re電阻的存在, 會(huì)使電路的放大倍數(shù)大大降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題, 便在Re上并聯(lián)一個(gè)旁路電容Ce, 使該電阻并不對(duì)交流通路產(chǎn)生影響, 如圖4所示。

述為耦合電容和旁路電容作用的結(jié)果, 但是這樣的結(jié)果是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢?

根據(jù)前述電容的定義, 得知電容內(nèi)部并沒(méi)有帶電粒子的運(yùn)動(dòng), 只是把電荷存儲(chǔ)在兩塊極板上, 每塊極板上存儲(chǔ)的電荷為q=Cu。即對(duì)于線性電容元件, 其容值越大, 極板上存儲(chǔ)的電荷量越大。電容內(nèi)部沒(méi)有電荷的運(yùn)動(dòng)但是可以傳遞電流, 電流公式為, 通過(guò)這個(gè)公式可以從兩方面進(jìn)行理解。

(1) 電容上的電流的形成是因?yàn)殡娙輧蓧K極板上電荷量的變化, 其上電荷量會(huì)增大或減小, 即收集電荷或者釋放電荷, 雖然電荷沒(méi)有在兩塊極板間形成流動(dòng), 但是兩塊極板上不同電荷相同的變化量, 與每塊極板連接的導(dǎo)線上就有了相同的電流變化量, 相當(dāng)于傳遞了電流信號(hào)。

(2) 由電容元件的電流公式可以看出, 電流與電壓的變化率成正比, 電容上電壓發(fā)生劇變時(shí), 電流很大, 當(dāng)電壓不隨時(shí)間變化時(shí), 電流為零。故電容在直流情況下其兩端電壓恒定, 相當(dāng)于開(kāi)路, 或者說(shuō)電容有隔斷直流的作用。

因此, 電容上相當(dāng)于只能通過(guò)交流信號(hào), 不能通過(guò)直流信號(hào)。阻容耦合電容及旁路電容就把直流通路和交流通路分離了。

如果沒(méi)有加上耦合電容, 則任何低頻的信號(hào)甚至直流都能傳送到放大器上, 但是加上耦合電容后, 使得只有到了一定的頻率的信號(hào)才能通過(guò)電路進(jìn)行放大, 使得電路的通頻帶變窄了。

在圖2所示的電路中, 耦合電容和旁路電容對(duì)信號(hào)構(gòu)成了高通電路。電容的容抗為, 可以看出, 對(duì)于直流, f=0, 即電容對(duì)直流的容抗無(wú)限大, 相當(dāng)于斷路 (這也從另一個(gè)方面說(shuō)明了電容隔直流通交流) ;如果希望頻率較低的輸入信號(hào)也能通過(guò)電容, 幾乎無(wú)損失地加在放大器的基極與發(fā)射機(jī)之間, 則希望耦合電容和旁路電容的容值足夠的大。由于放大器的極間電容的容值非常小, 在p F級(jí)別, 因此在同樣的低頻段信號(hào), 極間電容表現(xiàn)為容抗很大相當(dāng)于開(kāi)路。對(duì)于圖2, 在低頻段時(shí), 等效電路如圖5所示。

上圖5構(gòu)成的低頻等效電路中, 由于含有多個(gè)耦合電容和旁路電容, 則含有多個(gè)高通電路。對(duì)于C1、C2構(gòu)成高通電路是毫無(wú)疑問(wèn)的, 但是Ce為何也是構(gòu)成的高通電路呢?以極限例子進(jìn)行分析, 并且分析Ce影響時(shí), 假設(shè)C1和C2電容不影響電路性能, 即這兩個(gè)耦合電容短路。

(1) 假設(shè)從信號(hào)源傳過(guò)來(lái)的信號(hào)是直流, 則Ce斷路, 則放大器及Ce這塊電路等效電路如圖6所示。可以看出, 從信號(hào)源傳過(guò)來(lái)的信號(hào), 被rbb′、rb′e及Re進(jìn)行分壓, 由于Re相對(duì)與rbe較大, 甚至可能更大, 所以Re分掉了很大一部分的信號(hào), 則通過(guò)gmUb′e傳送到后面的信號(hào)則相對(duì)的變小。

(2) 假設(shè)從信號(hào)源傳過(guò)來(lái)的信號(hào)頻率較高, Ce相當(dāng)于短路, 則此時(shí)放大器及Ce構(gòu)成的等效電路如圖7所示。可以看出, 從左邊傳過(guò)來(lái)的信號(hào)沒(méi)有被Re損耗掉, 只被放大器的等效電阻所分配, 有效地傳送到了后面電路。

通過(guò)上面的討論可以得出, 對(duì)于Ce電容構(gòu)成的這一級(jí)電路也是構(gòu)成高通電路, 具有高通電路的特性。即對(duì)于頻率足夠高的信號(hào)電容相當(dāng)于短路, 信號(hào)幾乎毫無(wú)損失的傳遞, 而當(dāng)信號(hào)頻率低到一定程度時(shí), 電容的容抗不可忽略, 信號(hào)將在其上產(chǎn)生壓降, 從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。

現(xiàn)用multisim12軟件進(jìn)行仿真分析這三個(gè)電容對(duì)下限頻率的影響。

設(shè)圖2電路的元件參數(shù)如圖8所示以設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn), 然后依次改變C1、C2、Ce三個(gè)電容的容值, 觀察對(duì)比三個(gè)電容容值改變時(shí)對(duì)下限頻率的影響。其中圖9為C1、C2、Ce都為10u F時(shí)的波特圖作為參考, 其余圖為依次改變C1、C2、Ce從1u F到100u F的仿真波特圖。每次改變其中一個(gè)電容時(shí), 其余兩個(gè)電容容值保持10u F不變。得出的數(shù)據(jù)歸納為表1。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以分析出, 三個(gè)電容中改變C1、C2從1u F到100u F, 下限頻率幾乎沒(méi)有什么變化。而改變C e電容容值對(duì)下限頻率的影響卻非常大, 改變?cè)撾娙莸闹祻囊粋€(gè)數(shù)量級(jí)到另外一個(gè)數(shù)量級(jí), 下限頻率也幾乎是相同數(shù)量級(jí)的改變。究其原因, 是因?yàn)檫@三個(gè)電容所在的高通回路的時(shí)間常數(shù)很不相同。時(shí)間常數(shù)決定了下限頻率, 而在多級(jí)放大電路中, 若某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其他各級(jí)的下限頻率, 則可認(rèn)為整個(gè)電路的下限頻率近似為該級(jí)的下限頻[1]。

在高通回路里, 下限頻率的公式為:, RC為回路的時(shí)間常數(shù), 下限頻率與時(shí)間常數(shù)成反比, 時(shí)間常數(shù)越小, 下限頻率越大。

現(xiàn)取圖8里2N2222的放大倍數(shù)為154 (仿真器使用倍數(shù)) , rbb′=300, 電容值都為10u F進(jìn)行計(jì)算。首先通過(guò)圖3直流通路求得:

(1) 分析C1對(duì)低頻特性的影響, 此時(shí)將C2、Ce視為理想情況, 電容短路, 則等效回路如圖16所示:

此時(shí)

(2) 同理, 分析C2對(duì)低頻特性的影響, 等效電路如圖17所示。

此時(shí)

(3) 分析Ce對(duì)低頻特性的影響, 等效電路如圖18所示。此時(shí)C1、C2視為短路, 且三極管的集電極和發(fā)射機(jī)之間的等效電阻非常大, 因此Ce的等效低頻回路在c、e之間示為斷路, 即在該級(jí)回路中, 后面電路元件參數(shù)不對(duì)該回路產(chǎn)生影響。

此時(shí)

經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算, 可以得出, 當(dāng)這三個(gè)電容容值相同時(shí), Ce所在回路的時(shí)間常數(shù)比C1、C2所在回路時(shí)間常數(shù)明顯的小, 且小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。帶入下限頻率計(jì)算公式可得出Ce所在回路的下限頻率比其余兩個(gè)電容所在回路的下限頻率幾乎高兩個(gè)數(shù)量級(jí), 所以在該電路中, 即使把C1、C2兩個(gè)電容的容值減小到1u F, 它們構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)依然要比Ce構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)大很多, 整個(gè)電路的下限頻率依然受Ce電容的很大的影響。

根據(jù)上述討論, 可以得出圖2電路的C1、C2、Ce都希望其容值較大, 需要達(dá)到u F級(jí)別, 使信號(hào)既能夠隔直流通交流, 又使電路的下限截止頻率較低。由于工藝原因, 對(duì)于小容量電容可以做成無(wú)極性電容, 但對(duì)于大容量電容, 通常需要做成有極性電容。而有極性的電容, 想要正常工作, 其極性必須正確連接, 對(duì)于圖2需要的耦合電容和旁路電容, 其極性需如圖2連接方能使電容正常工作。

對(duì)于靜態(tài)時(shí), 其電路如圖3所示, 此時(shí)電容C1連接在B點(diǎn)與信號(hào)源之間, 在分析靜態(tài)時(shí), 假設(shè)信號(hào)源為0, 則此時(shí)的C1上兩塊極板之間的電壓為UBQ, 連接到B點(diǎn)的極板上就會(huì)積累正電荷, 為正極, 而連接信號(hào)源一邊的極板上就會(huì)積累負(fù)電荷, 為負(fù)極。同理電容C2連接在集電極的一極為正極, 積累正電荷, 而連接負(fù)載的一極為負(fù)極積累負(fù)電荷, 使C2電容上的電壓等于UCQ。旁路電容上連接在發(fā)射機(jī)上的一極為正極上會(huì)積累正電荷, 連接地的一極為負(fù)極積累負(fù)電荷, 使Ce上電壓等于UEQ。當(dāng)信號(hào)源加入時(shí), 由于需要放大的信號(hào)比較小, 使得信號(hào)源產(chǎn)生的交流電壓, 疊加在電容的靜態(tài)電壓上, 引起電容上兩塊極板上電荷量的變化, 形成電流進(jìn)行傳輸。從這里也可以看出, 由于耦合電容極旁路電容的存在, 使得動(dòng)態(tài)信號(hào)疊加在靜態(tài)電壓之上, 分析時(shí)動(dòng)靜態(tài)分離, 且uo的輸出為純交流信號(hào)。

具有靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定作用的阻容耦合單管共射放大電路所包含的內(nèi)容非常豐富, 認(rèn)真透徹的分析該電路, 能再放大、電容工作原理及頻率響應(yīng)方面都有深入的理解, 對(duì)模擬電路整個(gè)系統(tǒng)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。