共射极放大电路(图1)的输出电阻,一般情况下,可以用RC表示,但是RC的阻值比较大。
所以得出一个结论,共射极放大电路的输出电阻比较大,这样的话,所接负载阻抗的大小,就会对输出电压的大小产生比较大的影响。
图1 共射极放大电路
从这一点,我们希望输出电阻小些,甚至为0,那么Vo’基本全部加载在负载RL上,这样负载阻抗的变化基本不会改变输出电压。
图2 输出电阻的定义
电路图3相比与共射极放大电路图1,有一个区别,就是共射极放大电路的输出从集电极引出;
而电路图3的输出由发射极引出。
在此种情况下,由于没有从集电极取出信号,所以没有必要在集电极接上电阻。
图3 射极跟随器电路图
接上电阻也能使用,但产生的压降都变成了损耗。一般情况下,取消集电极电阻。
偏置电路由R1和R2组成,共同对Vcc进行分压。
电路中,R1和R2都是10kΩ,那么Q1的基极电压VB电位为7.5V;
三极管基极-发射极要工作在正向偏置状态,那么VBE压降为0.6V;那么
VE = VB – VBE = 6.9V;
这个公式告诉我们,VE的电压只和VB有关,和RE没有关系。
那么现在我们接入一个负载电阻RL,从交流分析看,相当于与电阻RE并联,
RE' = RE // RL
我们知道RE的变化,并不会影响输出信号。
得出结论:
即使改变负载电阻的值,输出电压Uo也总是一定的,即可认为射极跟随器的输出阻抗几乎为0。
VB的电压与VE的变压仅仅相差0.6V,电路增益Au=1
由发射极引出输出,电路增益为1,所以叫做射极跟随器!
基极偏置电压VB为7.5V,那么发射极电位VE比其低0.6V,为6.9V。
所以晶体管集电极-发射极之间电压VCE为8.1V(=15V-6.9)
所以,静态时,晶体管集电极损耗为:
Pc = VCE * Ic = 8.1V * 10mA = 81mW
在晶体管的选择过程中,Pc的最大额定值要高于81mW。
正常的三极管可以达到200mW,所以不用担心这个问题。
但是集电极损耗随温度会有很大变化。
图4 2SC2001集电极损耗与环境温度的关系
从图4中,我们可以看出三极管2SC2001的集电极损耗,在常温20度时,可以达到600mW。但是当温度达到125度时,就下降到81mW左右了。
加之,射极跟随器大多用在电路的输出级。需要经常处理大电流,所以必须注意晶体管和电阻的发热问题。
在输入端串联一个万用表,设置为交流-电流档,并联一个万用表,设置为交流-电压档,分别测得电流为71.752μA,电压为349.984mV,
图5 测量输入电阻
公式 Ri = Ui / Ii
输入电阻为4.8kΩ
也可以在输入端串联一个电阻Rs=5kΩ,此时输入波形会下降一半,说明Rs与输入阻抗一致,“平分”了输入电压Ui。
输入阻抗为5kΩ。
之前阐述了射极跟随器的输出阻抗几乎为0,所以在输出端接入1 kΩ的负载,输出电压没有明显变化。
这个优点,可以用在共涉及放大电路的输出端,用来降低输出电阻。如图6所示:
图6 共发射极电路+射极跟随器电路
这幅图相比电路图1,就是把输出部分换成“射极跟随器”
首先看到的是偏置电路,电阻R1=33kΩ,电阻R2=16kΩ,三极管2SC2001的基极电压被设置成1.6V,那么如果三极管工作在放大状态,发射极电位为1V,发射极电流为1mA,那么UCE为2V,集电极电位为3V。
该电位也是三极管Q2的基极电压,那么三极管Q2的发射极电位为2.4V,电流为2mA,UCE=2.6V。
发射极引出输出电压。
电路的放大增益
Au = Rc / RE’ = 3.9kΩ / (2kΩ//390Ω) ≈ 10
图7 电路图6的放大增益
还是在电路图3,我们此时接入负载电阻680V(图8),输出电压与输入电压一致,增益为1,输出电阻为0。
这个都符合预期。
图8 射极跟随器接负载电阻680Ω
那么我们此时增大输入电压,增大为8Vp-p,此时我们观测输出电压,发现一个奇怪的现象?
波形的负侧被“削去”了!
图9 增大负载后的输出波形红色,蓝色曲线是输入
波形在向下“走”的过程中,到达一个值的时候,突然被“削去”。
说明,输出电压不可能低于这个值。
再看这个电路,没有输入交流信号的时候,发射极直流电位就已经存在6.6V,发射极的静态电流为
6.6V / 680Ω = 9.7mA
当接入负载电阻RL= 680Ω之时,从交流分析看,因为RE与RL是并联的,其两端电压降不在-3.3V以下。
9.7mA * 340Ω ≈ 3.3V
这样,带电阻负载的射极跟随器,如没有预先将空载电流增大到比最大输出电流还要大一些时,输出波形的负侧就被切去,不能得到最大的输出电压。
空载电流增大到何种程度好呢?它随必要的输出电压值与最大输出电流值而有所不同。
但是,必须要注意一点,空载电流除了让晶体管白白的发热,目前也没发现有其他的好处。
为了解决空载电流的问题,可以把电路图3的发射极负载改成PNP型晶体管的射极跟随器。这个电路空载电流为0。
即在没有输入信号时,两个晶体管都截止,所以空载电流为0。
图10 推挽型射极跟随器电路图
还是先看偏置电路,两个10kΩ电阻对+15V电源分压,三极管基极电压为7.5V,三极管的发射极电压为6.9V,此电压也是PNP三极管2SA954的发射极电压。
而三极管的基极电压都为7.5V,所以此时三极管2SA954截止。
当存在输入信号时候,交流分析:
所以,叫做push-pull推挽式电路。
值得注意的是,该电路输入信号在0V附近时,基极-发射极间没有电位差,故没有基极电流的流动。这就是说,晶体管双方都截止。此时会产生开关失真。
可以在偏置电路中,加2个二极管解决这个问题。
对电路图3进行交流分析,电压增益如图11所示
图11 射极跟随器的频率特性
几乎为一条直线。
在频率1kHz~10MHz处,频率响应没有变化。
图12 共射极放大电路频率响应
相比图12的共射极放大电路频率响应,射极跟随器的频率特性要更好。
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