為什麼稱為射極跟隨器?該電路的特點與參數選擇

2019-11-28   通信M班長

共射極放大電路(圖1)的輸出電阻,一般情況下,可以用RC表示,但是RC的阻值比較大。

所以得出一個結論,共射極放大電路的輸出電阻比較大,這樣的話,所接負載阻抗的大小,就會對輸出電壓的大小產生比較大的影響。

圖1 共射極放大電路

從這一點,我們希望輸出電阻小些,甚至為0,那麼Vo』基本全部加載在負載RL上,這樣負載阻抗的變化基本不會改變輸出電壓。

圖2 輸出電阻的定義

射極跟隨器電路

電路圖3相比與共射極放大電路圖1,有一個區別,就是共射極放大電路的輸出從集電極引出;

而電路圖3的輸出由發射極引出。

在此種情況下,由於沒有從集電極取出信號,所以沒有必要在集電極接上電阻。

圖3 射極跟隨器電路圖

接上電阻也能使用,但產生的壓降都變成了損耗。一般情況下,取消集電極電阻。

偏置電路由R1和R2組成,共同對Vcc進行分壓。

電路中,R1和R2都是10kΩ,那麼Q1的基極電壓VB電位為7.5V;

三極體基極-發射極要工作在正向偏置狀態,那麼VBE壓降為0.6V;那麼

VE = VB – VBE = 6.9V;

這個公式告訴我們,VE的電壓只和VB有關,和RE沒有關係。

那麼現在我們接入一個負載電阻RL,從交流分析看,相當於與電阻RE並聯,

RE' = RE // RL

我們知道RE的變化,並不會影響輸出信號。

得出結論:

即使改變負載電阻的值,輸出電壓Uo也總是一定的,即可認為射極跟隨器的輸出阻抗幾乎為0。

VB的電壓與VE的變壓僅僅相差0.6V,電路增益Au=1

由發射極引出輸出,電路增益為1,所以叫做射極跟隨器!

集電極損耗

基極偏置電壓VB為7.5V,那麼發射極電位VE比其低0.6V,為6.9V。

所以電晶體集電極-發射極之間電壓VCE為8.1V(=15V-6.9)

所以,靜態時,電晶體集電極損耗為:

Pc = VCE * Ic = 8.1V * 10mA = 81mW

在電晶體的選擇過程中,Pc的最大額定值要高於81mW。

正常的三極體可以達到200mW,所以不用擔心這個問題。

但是集電極損耗隨溫度會有很大變化。

圖4 2SC2001集電極損耗與環境溫度的關係

圖4中,我們可以看出三極體2SC2001的集電極損耗,在常溫20度時,可以達到600mW。但是當溫度達到125度時,就下降到81mW左右了。

加之,射極跟隨器大多用在電路的輸出級。需要經常處理大電流,所以必須注意電晶體和電阻的發熱問題。

輸入輸出阻抗

在輸入端串聯一個萬用表,設置為交流-電流檔,並聯一個萬用表,設置為交流-電壓檔,分別測得電流為71.752μA,電壓為349.984mV,

圖5 測量輸入電阻

公式 Ri = Ui / Ii

輸入電阻為4.8kΩ

也可以在輸入端串聯一個電阻Rs=5kΩ,此時輸入波形會下降一半,說明Rs與輸入阻抗一致,「平分」了輸入電壓Ui。

輸入阻抗為5kΩ。

之前闡述了射極跟隨器的輸出阻抗幾乎為0,所以在輸出端接入1 kΩ的負載,輸出電壓沒有明顯變化。

這個優點,可以用在共涉及放大電路的輸出端,用來降低輸出電阻。如圖6所示:

圖6 共發射極電路+射極跟隨器電路

這幅圖相比電路圖1,就是把輸出部分換成「射極跟隨器」

首先看到的是偏置電路,電阻R1=33kΩ,電阻R2=16kΩ,三極體2SC2001的基極電壓被設置成1.6V,那麼如果三極體工作在放大狀態,發射極電位為1V,發射極電流為1mA,那麼UCE為2V,集電極電位為3V。

該電位也是三極體Q2的基極電壓,那麼三極體Q2的發射極電位為2.4V,電流為2mA,UCE=2.6V。

發射極引出輸出電壓。

電路的放大增益

Au = Rc / RE』 = 3.9kΩ / (2kΩ//390Ω) ≈ 10

圖7 電路圖6的放大增益

有趣的現象

還是在電路圖3,我們此時接入負載電阻680V(圖8),輸出電壓與輸入電壓一致,增益為1,輸出電阻為0。

這個都符合預期。

圖8 射極跟隨器接負載電阻680Ω

那麼我們此時增大輸入電壓,增大為8Vp-p,此時我們觀測輸出電壓,發現一個奇怪的現象?

波形的負側被「削去」了!

圖9 增大負載後的輸出波形紅色,藍色曲線是輸入

波形在向下「走」的過程中,到達一個值的時候,突然被「削去」。

說明,輸出電壓不可能低於這個值。

再看這個電路,沒有輸入交流信號的時候,發射極直流電位就已經存在6.6V,發射極的靜態電流為

6.6V / 680Ω = 9.7mA

當接入負載電阻RL= 680Ω之時,從交流分析看,因為RE與RL是並聯的,其兩端電壓降不在-3.3V以下。

9.7mA * 340Ω ≈ 3.3V

這樣,帶電阻負載的射極跟隨器,如沒有預先將空載電流增大到比最大輸出電流還要大一些時,輸出波形的負側就被切去,不能得到最大的輸出電壓。

空載電流增大到何種程度好呢?它隨必要的輸出電壓值與最大輸出電流值而有所不同。

但是,必須要注意一點,空載電流除了讓電晶體白白的發熱,目前也沒發現有其他的好處。

推挽型射極跟隨器

為了解決空載電流的問題,可以把電路圖3的發射極負載改成PNP型電晶體的射極跟隨器。這個電路空載電流為0。

即在沒有輸入信號時,兩個電晶體都截止,所以空載電流為0。

圖10 推挽型射極跟隨器電路圖

還是先看偏置電路,兩個10kΩ電阻對+15V電源分壓,三極體基極電壓為7.5V,三極體的發射極電壓為6.9V,此電壓也是PNP三極體2SA954的發射極電壓。

而三極體的基極電壓都為7.5V,所以此時三極體2SA954截止。

當存在輸入信號時候,交流分析:

  • 輸入信號ui波形正側,三極體Q1導通,電流從內向外推出(從節點5流向7),就像電路向外面「吐」一樣;
  • 輸入信號ui波形負側,三極體Q2導通,電流從外向內吸入(從節點7流向5),就像電路向內部「挽」一樣;

所以,叫做push-pull推挽式電路。

值得注意的是,該電路輸入信號在0V附近時,基極-發射極間沒有電位差,故沒有基極電流的流動。這就是說,電晶體雙方都截止。此時會產生開關失真。

可以在偏置電路中,加2個二極體解決這個問題。

頻率特性

對電路圖3進行交流分析,電壓增益如圖11所示

圖11 射極跟隨器的頻率特性

幾乎為一條直線。

在頻率1kHz~10MHz處,頻率響應沒有變化。

圖12 共射極放大電路頻率響應

相比圖12的共射極放大電路頻率響應,射極跟隨器的頻率特性要更好。

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