为什么称为射极跟随器?该电路的特点与参数选择

2019-11-28   通信M班长

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

射极跟随器电路

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!

集电极损耗

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

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。

输入输出阻抗

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

有趣的现象

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。

推挽型射极跟随器

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:

  • 输入信号ui波形正侧,三极管Q1导通,电流从内向外推出(从节点5流向7),就像电路向外面“吐”一样;
  • 输入信号ui波形负侧,三极管Q2导通,电流从外向内吸入(从节点7流向5),就像电路向内部“挽”一样;

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。

频率特性

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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