晶体管电路设计(上)
第4节 共发射极应用电路
更新于2008-08-28 11:06:12

2.4.1使用NPN晶体管与负电源的电路

图2.26是使用了NPN晶体管与负电源的共发射极放大电路。只有在负电源的情况下,才必须采用该电路。


图2.26使用NPN晶体管与负电源的放大电路


即使使用负电源,基本的电路结构却完全没有变化。与使用正电源电路的不同之处,在于正电源为GND,GND成为负电源。而在使用负电源的电路中,必须注意电解电容的极性。
在图2.26中,输入输出信号是以GND为基准的。所以,比起输入输出端电路的电位变低,耦合电容的极性在输入输出端为正极性。如果电路中前后级电路也是由负电源构成时,必须考虑由耦合电路的直流电位来决定耦合电容的极性。
因为发射极电位比GND要低,所以GND一边为正极性。
图2.26的电路是在发射极端直接用电容接地,所以电路的增益为“所用的晶体管能实现的最大增益”。由于使用了hfe大的超β晶体管2SC3113(东芝),故而该电路的增益非常大。
如果没有必要获取那么大的增益,可将发射极接地的电容去掉,调节发射极电阻与集电极电阻的阻值来设定增益。另外,此时也可用通用的晶体管。


2.4.2使用PNP晶体管与负电源的电路

图2.27是使用了PNP晶体管与负电源的共发射极放大电路。在使用负电源的共发射极放大电路中使用PNP晶体管,与在使用正电源的电路中使用NPN晶体管,恰好形成以GND为线对称的结构。
该电路也使用负电源,所以必须十分注意电解电容的极性和耐压。


图2.27使用PNP晶体管与负电源的电路


即使使用负电源和PNP晶体管,共发射极放大电路的增益也是由发射极电阻和集电极电阻之比来决定的。在图2.27的电路中,交流发射极电阻约为400Ω(=3kΩ∥510Ω),集电极电阻为4.7kΩ,所以电路的电压增益约为20dB(=约10倍≈4.7kΩ/440Ω)。
 

2.4.3使用正负电源的电路

图2.28是使用了正负电源的有点浪费的电路。因为用了正负电源,即使晶体管的基极偏置在0V,发射极电阻上也能加上电压,所以这个电路的基极偏置电路是仅用一个10kΩ电阻的非常有特征的电路(用10kΩ的电阻将基极偏置在0V)。


图2.28使用正负电源的电路


进而,因基极电位为0V,所以没有必要在输入端加入耦合电容(实际上,晶体管的基极电流流过10kΩ的偏置电阻,会在输入端产生极微小的直流电压)。显然,集电极电位不是0V,所以输出端的耦合电容不能取消。
电路的电压增益仍能由发射极电阻与集电极电阻之比求出。在图2.28中,交流发射极电阻为80Ω(=4.3kΩ∥82Ω),集电极电阻为2.7kΩ,所以,电路的增益约为30dB(=34倍≈2.7kΩ/80Ω)。
由于该电路基极偏置在0V,输入端的耦合电容可以去掉,所以能够减少高通滤波器的一个要素(耦合电容与输入阻抗形成高通滤波器)。这样的电路可以用在放大极低频率信号电路的初级上。


2.4.4低电源电压、低损耗电流放大电路

图2.29是用一节5号电池(锰电池)电源电压进行工作的低电压、低损耗电流的放大电路。该电路是可以直接用在携带式话筒放大器。
在OP放大器中,在1.5V这样低的电源电压下进行工作的IC是不常有的。如果使用晶体管的分立电路,则能够简单制得。
在图2.29电路的基极偏置电路中加入了二极管。这个电路的主要特点是以二极管的正向压降VF来抵消掉晶体管的VBE。由此,即使电池的电压相当低,也能确保晶体管的VBE,所以能够进行放大工作。


图2.29低电源电压、低损耗电流放大电路


不使用二极管,而像通常电路那样仅用电阻压降来产生基极偏置电压,则由于电池的损耗,电源电压下降。当基极电位在0.6V以下时,晶体管就停止工作。
另外,发射极电流和偏置电路里流动的电流也要设定得小些,以达到低损耗电流的目的。
图2.29电路是用电容器将发射极接地来增大电压增益的。要想固定电压增益时,可将这个电容拆去,对发射极电阻与集电极电阻值进行调整。
如果所用的晶体管是小信号晶体管,则无论哪种类型都可适应工作。但如图2.29电路所示,想提高电压增益时,则要尽可能地使用hfe大的晶体管(将发射极接地电容拆除。而想获得固定增益时,使用多大hfe的晶体管都没有关系)。


2.4.5两相信号发生电路

图2.30是两相信号发生电路,该电路是利用了“共发射极放大电路的输出信号相位旋转180°”和“在晶体管的发射极,输入信号是直接出现”的两个性质,将信号从集电极和发射极取出,从而产生相位偏离180°的两个信号的电路。


图2.30两相信号发生电路


该电路可用在产生驱动平衡传输线路信号的电路中。所谓平衡传输是如图2.31所示,将相位偏离180°的信号,用三芯电缆进行传输(其中一根为GND),在接收方,接收两个信号之差。由此,交流声和脉冲状噪声等在两根信号线上同时搭载,在接收一方能够抵消。因此,在长距离传输和噪声大的情况下,就能发挥它的作用。


图2.31平衡传输


但是,因图2.30电路的反相输出的阻抗高(为RC本身),所以不能直接用该电路的输出来驱动电缆。通常在其后接上将在第5章所述的射极跟随器,使电路的输出阻抗下降后再使用。
另一方面,正相输出的输出阻抗是低的,所以能直接驱动电缆(关于从发射极取出信号时的输出阻抗,将在第3章介绍)。
在图2.30的电路中,由于是将集电极电阻与发射极电阻取同一值,所以由集电极取出的反相输出的增益为0dB,与由发射极取出的正相输出信号的大小相一致(在发射极出现的信号大小与输入信号相同,就称增益为0dB)。
在设计该电路时,要注意的是基极偏置电压的设定。当基极电位过于接近电源电压时,反相输出的最大电压变小;当基极电位过于接近GND时,正相输出的最大电压也变小。
无论什么样的晶体管在电路中都可以使用。由于电压增益为0V,hfe也不成为问题。


2.4.6低通滤波器电路

图2.32(a)是载止频率为1kHz的低通滤波器电路。该电路有将1kHz以上的高频截止的功能(虽然截止特性比较平缓)。它可以用在立体声音质控制(音质调整)的电路和作为截去高频噪声用的滤波器上。
由于共发射极放大电路的集电极电阻具有频率特性,增益也有频率特性。
在图2.32(a)电路中,在集电极电阻RC上并联连接电容C。因此频率越高,集电极的负载电阻就越小,电路的电压增益就下降。成为如图2.32(b)所示的低通滤波器的特性。


图2.32低通滤波器电路


在输入信号频率比截止频率fC非常低时,C几乎没有影响。电路的增益为RC/RE(在图2.32(a)的电路中,为14dB)。当信号频率在fC以上时,就出现C的影响,电压增益以-6dB/oct的斜率下降(当频率为2倍时,则增益大小变为1/2)。
fC可以由下式求得:
fC=12πC·RC (Hz)
因此,改变C或者RC的值,就能自由地改变fC。但是,改变RC的值,则连低频的增益也变化了,所以必须加以慎重考虑。
此外,其电路的设计方法和晶体管的选择方法等完全与共发射极放大电路相同。


2.4.7高频增强电路

图2.33(a)是截止频率为1kHz的高频增强电路。该电路有增强1kHz以上高频信号的功能。可以用在立体声的音质控制(音质调整)电路和FM发射机的预加重电路(在FM广播中,为了减低高频的噪声,预先对高频进行强调后再发射。在发射端对高频进行强调的工作称为预加重)以及取出高频信号成分用的滤波器等电路中。


图2.33高频增强电路


该电路的频率特性与图2.32的低通滤波器的特性相反,所以也可以认为它是高通滤波器。但如图2.33(b)所示,比截止频率fC低的频率没有截止,而比fC高的频率增益却增大。在这一点上,与高通滤波器的工作稍有差异。
图2.32(a)电路是集电极电阻上接有电容的电路所具有的频率特性。而图2.33(a)电路是在发射极上并联电容,使得电压增益具有频率特性。因此,在低频时,就没有C的影响,所以增益为RC/RE(在图2.33(a)的电路中,由于RC≈RE,增益为0dB)。频率变高,则因C的影响,交流发射极电阻变小,增益变大。高频增强部分的斜率为6dB/oct(频率为2倍,则其大小为2倍)。
但是,电路的增益并不是可增大到任意地步的,达到所用晶体管能实现的最大值处就到头了。
fC可由下式求得:
fC=12πC·RE (Hz)
因此,改变C或者RE的值就能自由地变更fC。但是RE的值一改变,低频增益也改变,所以要注意。
若希望在高频范围增强信号时,则要尽可能使用hfe大的晶体管。


2.4.8高频宽带放大电路

图2.34是高频宽带放大电路。虽然与电路的装配方法有关,但在数兆赫至数百兆赫的频带,可以得到十几分贝的增益(在高频范围,与低频不同,用一只晶体管所能得到的增益变小)。


图2.34高频宽带放大电路


该电路用在FM接收机的RF(Radio Frequency)放大级和电视的VHF/UHF频带的增强器中。
该电路的设计方法与一般的共发射极放大电路完全一样。因此,电路的增益也可由集电极电阻与发射极电阻之比求得(图2.34的电路是用电容将发射极接地,所以增益为最大)。但是,为了使晶体管的频率特性扩展至极大,将发射极电流设定在很大的值。
此外,由于在高频范围使用的缘故,耦合电容、电源旁路电容和发射极接地电容等都要取小的值。由图2.12可知,这是由于电容的值小,使得高频范围阻抗变低的缘故。在图2.34的电路中,使用1000pF的电容。可以知道,在10MHz时的阻抗计算值为16Ω[≈1/(2π×10MHz×1000pF)],是非常小的值。进而,为了将频率特性扩展到高频范围,电路的组装方法是极其重要的。如照片2.9所示,各部分的引线要粗而短(特别要注意电源的旁路电容与发射极接地电容的引线),要极力降低GND的阻抗。
在组装该电路时,有必要尽可能使用fT高的晶体管。


2.4.9140 MHz频带调谐放大电路

图2.35(a)是仅对140MHz附近的信号进行选择放大的调谐放大电路。在140MHz下,可以得到十几分贝的增益。主要用在无线电收、发两用机和FM接收机的RF级。


图2.35140MHz频带调谐放大电路


该电路是将共发射极放大电路的集电极换成LC并联谐振电路(调谐电路)之后的电路。并联谐振电路是这样的电路:在谐振频率f0时,由外部看到的阻抗为无限大;而在其他频率时,阻抗就变小。所以,如图2.35(b)所示,这个电路的增益有着与并联谐振电路的阻抗曲线完全相同的形状。它仅对在调谐频率f0附近的信号进行选择放大。
f0可以由下式求得:
f0=12πLC (Hz)
在图2.35(a)的电路中,将C调整到9pF,就调谐到140MHz。
该电路的基极偏置电压和发射极电流的设定方法与通常的共发射极放大电路相同。电路的增益也由谐振电路的阻抗(=集电极负载电阻)与发射极电阻之比来决定。由于将发射极[如图2.35(a)]所示用电容接地,所以,调谐频率的增益由使用的晶体管来决定。
在装配该电路时,重要的是选择在调谐频率处能够得到足够增益的晶体管。此外,对于在调谐电路中使用的线圈,要选择在调谐频率Q(表示线圈品质的参数,如令串联电阻为r,则Q=ωL/r)非常大的线圈。在图2.35(a)的电路中,使用0.8粗的镀锡线绕制的空芯线圈。
与图2.34的电路一样,对于装配方法也要十分注意。
 

关于hFE

在晶体管的各端子,电流以图A所示的方向流动(或者这样理解,当电流这样流动时,晶体管就工作)。各端子的电流之间,IE=IB+IC的关系成立。


图A在晶体管各端流动的电流


进而,这些电流的大小有如图B所示的关系式(PNP晶体管仅是电流方向相反,而大小关系是相同的)。


图BNPN晶体管各端的电流


在图B中,hFE是称为共发射极电流放大系数(通常简称为电流放大系数)。
正如我们所知,晶体管是对基极电流进行检测来控制集电极电流的器件。hFE是检测出基极电流有多少倍转换成集电极电流的控制系数。
hFE的值越大越好(因为能够以较小的电流控制较大的电流)。然而,通常小信号通用晶体管的hFE是一百至数百,功率放大晶体管为数十至一百左右。
但是,即使是同一型号的晶体管,hFE的值也有分散性,所以大多数晶体管都以hFE的大小来分开档次(高频晶体管等与hFE值关系不大的器件不分档)。
此外,想以微小电流来控制较大电流时,有hFE非常大的所谓超β晶体管(β即hFE)。但是超β晶体管几乎都是NPN型,在型号上与普通的晶体管没有区别,要倍加注意。

 

网友留言