一、引言三极管放大电路是模拟电子技术中最基础、最核心的内容之一。无论是音频功率放大、射频前端、传感器信号调理还是运算放大器内部电路、开关电源反馈环路几乎都离不开三极管构成的放大电路。初学者学习三极管放大电路时最先要突破的难点就是三种基本接法共发射极接法Common Emitter简称 CE、共集电极接法Common Collector简称 CC和共基极接法Common Base简称 CB。在很多教材中这三种接法也被称为三种基本组态共射组态、共集组态和共基组态。所谓“共某极”并不是说该电极必须直接接地而是指在交流通路中该电极处于输入回路和输出回路的公共端。以共发射极电路为例发射极在交流等效电路中同时属于输入回路和输出回路因此被称为公共端。同一个三极管由于接入信号和取出信号的方式不同输入电阻、输出电阻、电压增益、电流增益、相位关系、频率特性都会发生明显变化。理解三种接法的本质区别是正确阅读模拟电路图、选择放大电路结构、设计多级放大器的基础。很多实际电路看起来复杂但经过直流偏置和交流通路分析后最终都能归为三种基本接法中的一种或几种组合。本文力求从零基础出发系统讲解三种接法的电路结构、静态工作点计算、微变等效电路、动态指标推导、偏置稳定、频率响应、实验测量、故障诊断和工程设计方法。文章结合大量例题和公式推导尽量做到概念清楚、推导完整、结论可查。建议读者按照“基础回顾、单接法深入、综合比较、工程实践”的顺序学习并在纸上反复推导关键公式。二、三极管基础回顾2.1 三极管的结构和分类三极管全称半导体三极管也称晶体三极管或双极型晶体管Bipolar Junction TransistorBJT。根据半导体材料不同分为硅管和锗管根据结构形式不同分为 NPN 型和 PNP 型。目前模拟电路中应用最广泛的是硅 NPN 管和硅 PNP 管。以 NPN 管为例它由三个掺杂区域组成发射区、基区和集电区。发射区杂质浓度很高目的是向基区注入大量载流子基区非常薄且杂质浓度较低目的是让绝大多数注入的载流子能够渡越到集电区集电区面积较大杂质浓度低于发射区目的是有效收集从基区扩散过来的载流子。三个区分别引出三个电极发射极 e、基极 b、集电极 c。PNP 管的结构与 NPN 管类似只是半导体类型反过来。NPN 管中参与导电的主要是电子PNP 管中参与导电的主要是空穴。虽然载流子类型不同但二者的工作原理、分析方法完全相同只是外部电源极性和电流方向相反。三极管要具备放大能力必须同时满足内部条件和外部条件。内部条件由制造工艺保证发射区杂质浓度远高于基区基区很薄。外部条件由电路提供发射结正向偏置集电结反向偏置。对于 NPN 管放大状态下要求 UBE 为正且约为 0.6 到 0.7 VUCE 大于 UBE即集电结反偏对于 PNP 管则要求 UBE 为负UCE 小于 UBE。三极管的电路符号中发射极箭头方向表示发射结正向电流方向。NPN 管箭头向外PNP 管箭头向内。画电路图时应当正确区分箭头方向否则容易在电源极性和电流方向上出错。2.2 三极管中的电流关系三极管处于放大状态时发射极电流 IE、集电极电流 IC 和基极电流 IB 满足基尔霍夫电流定律IE IC IB从载流子运动角度看发射区向基区注入的载流子中绝大部分被集电区收集形成集电极电流只有很少一部分在基区复合形成基极电流。因此集电极电流远远大于基极电流。二者之间的比例关系用共发射极直流电流放大系数 β 表示IC ≈ β IBIE IC IB ≈ (1 β) IB这里的 β 是直流电流放大系数常用 hFE 表示。在小信号条件下交流电流放大系数用 β 或 hfe 表示。工程上通常认为二者数值接近计算时不作严格区分。常用小功率三极管的 β 值一般在几十到几百之间例如 2N2222 的 β 典型值约为 100 到 3009013 的 β 典型值约为 80 到 200。共基极直流电流放大系数 α 定义为集电极电流与发射极电流之比α IC / IE根据电流关系可以推导α β / (1 β)β α / (1 - α)由于 β 通常远大于 1α 略小于 1典型值在 0.95 到 0.999 之间。α 与 β 的关系在推导共基极电路输入电阻、电流放大倍数时非常关键。2.3 三极管的三种工作状态根据发射结和集电结的偏置状态三极管可分为放大、饱和、截止三种工作状态。放大状态发射结正偏集电结反偏。此时三极管具有电流放大能力IC ≈ β IB。放大电路要求三极管始终工作在这一区域。饱和状态发射结正偏集电结也正偏。此时 UCE 很小典型值为 0.1 到 0.3 VIC 不再随 IB 线性变化。三极管近似相当于一个闭合开关。截止状态发射结反偏集电结也反偏。此时 IB 接近 0IC 接近 0三极管近似相当于一个断开开关。判断三极管工作状态的一般步骤是先假设三极管在放大区根据电路计算 IB 和 IC再计算 UCE若 UCE 大于饱和压降则假设成立若 UCE 计算值小于饱和压降说明实际已经进入饱和区若基极电流计算值接近 0则可能处于截止区。三种工作状态的理解对调试放大电路非常重要。当输出波形出现失真时往往就是三极管超出了放大区进入了饱和区或截止区。2.4 三极管的特性曲线三极管的输入特性曲线描述 IB 与 UBE 的关系。对硅管而言输入特性曲线形状类似于二极管正向特性当 UBE 小于 0.5 V 左右时基极电流很小当 UBE 达到 0.6 到 0.7 V 时基极电流随 UBE 迅速增大。输入特性曲线在 Q 点附近的切线斜率反映了输入动态电阻是计算 rbe 的重要依据。输出特性曲线描述 IC 与 UCE 的关系参变量是 IB。输出特性曲线可以划分为截止区、放大区和饱和区。放大区中曲线近似水平IC 主要由 IB 决定受 UCE 影响较小这种特性称为受控电流源特性。曲线在放大区存在一定斜率说明随着 UCE 增大IC 会略有增大这个现象由基区宽度调制效应引起可用输出电阻 rce 描述。输出特性曲线的斜率关系为斜率 ΔIC / ΔUCE ≈ 1 / rce。理想情况下 rce 无穷大曲线完全水平实际器件中 rce 通常在几十千欧到几百千欧之间。在简化微变等效电路中rce 往往忽略不计但在精度要求较高的分析中需要保留。三、放大电路的基本概念3.1 静态与动态的概念放大电路分析通常分为静态分析和动态分析两个部分。静态分析只考虑直流电源的作用不考虑输入交流信号。静态分析的目的是求静态工作点 Q包括 IBQ、ICQ 和 UCEQ。静态分析时耦合电容和旁路电容视为开路因为直流稳态下电容中没有电流电感视为短路因为理想电感对直流没有阻抗。静态分析使用三极管的直流模型或直接利用电路方程求解。动态分析只考虑交流信号的作用不考虑直流电源。动态分析的目的是求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等交流性能指标。动态分析时大电容视为短路直流电源视为交流地。这里“交流地”的物理意义是理想直流电源两端电压恒定交流信号在上面不会产生电压变化因此对交流信号而言相当于接地。静态分析和动态分析虽然单独进行但二者之间存在联系。静态工作点决定三极管的小信号参数。例如发射结动态电阻 rbe 与发射极静态电流 IEQ 密切相关Q 点位置还决定了最大不失真输出幅度。因此必须先做静态分析再根据 Q 点计算小信号参数然后进行动态分析。这种“先直流后交流、先静态后动态”的思路是分析所有放大电路的基本方法。3.2 主要性能指标一个放大电路的性能通常用以下指标衡量电压放大倍数 Au定义为输出电压与输入电压之比Au Uo / Ui。这是电压放大器最关心的指标。电流放大倍数 Ai定义为输出电流与输入电流之比Ai Io / Ii。输入电阻 Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻越大从信号源取用的电流越小信号源内阻上的压降越小电路获得的输入电压越接近信号源电动势。输出电阻 Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出电阻越小负载变化时输出电压变化越小带负载能力越强。通频带 BW放大电路增益下降到中频区增益的 0.707 倍时的频率范围BW fH - fL。最大不失真输出电压幅度不产生明显失真的前提下电路能够输出的最大交流电压幅值。非线性失真系数衡量输出波形偏离正弦波的程度在功率放大器中尤其重要。其中 Au、Ri、Ro 被称为放大电路的三大动态指标。三种基本接法的比较本质上就是比较这三个指标以及相位和频率特性。3.3 微变等效电路法三极管是非线性器件但是当输入信号很小时三极管只工作在 Q 点附近很小范围内此时特性曲线可以近似用直线代替从而把非线性器件线性化。这种分析方法称为微变等效电路法或小信号模型法。微变等效电路法的适用条件是信号足够小三极管始终工作在放大区的小范围内。它不能用于静态分析也不能用于大信号失真分析。常用的小信号模型包括 h 参数模型、混合 π 模型等。在低频放大电路分析中常用简化的 h 参数模型输入侧用基极-发射极之间的动态电阻 rbe 等效输出侧用受控电流源 β ib 等效。受控电流源的方向为NPN 管中从集电极流向发射极PNP 管中从发射极流向集电极。微变等效电路建立后三极管就变成了由电阻和受控源组成的线性电路可以用节点电压法、回路电流法等常规电路分析方法求解。四、三种基本接法的判定方法判断放大电路属于哪种接法不能只看电路的外形而必须画出交流通路观察哪个电极同时接在输入回路和输出回路中。具体步骤如下将耦合电容、旁路电容视为交流短路将直流电源 VCC 视为交流地观察输入信号加在哪两个电极之间观察输出信号从哪两个电极之间取出找出输入回路和输出回路共用的电极该电极即公共端。如果公共端是发射极则为共发射极电路公共端是集电极则为共集电极电路公共端是基极则为共基极电路。例如一个典型共发射极电路输入信号加在基极与地之间输出从集电极与地之间取出发射极直接接地因此发射极是公共端。若发射极串接旁路电容后接地交流通路中发射极仍然接地所以还是共发射极。如果发射极串接电阻且没有旁路电容发射极不是直接交流接地但公共端仍然是发射极电路仍属于共发射极组态只是引入了电流串联负反馈。三种接法的关系可以这样理解三极管本身是同一个器件只是信号入口、出口和参考点不同。改变信号接入位置电路呈现出的输入输出特性就会发生根本变化。五、共发射极放大电路CE5.1 基本电路结构共发射极放大电路是最基本、应用最广泛的放大电路。典型电路由三极管 T、基极偏置电阻 RB、集电极负载电阻 RC、耦合电容 C1 和 C2 组成。输入信号 ui 通过 C1 耦合到基极输出信号 uo 从集电极通过 C2 耦合到负载 RL。在交流通路中VCC 对交流信号等效为短路即集电极的直流电位点对交流而言接地。发射极直接接地或通过旁路电容接地成为输入回路和输出回路的公共端。输入电流 ii 流入基极输出电流 io 从集电极流出故称为共发射极。耦合电容 C1、C2 起隔直通交作用。它们一方面隔离信号源和负载中的直流成分保护三极管静态工作点不被外部直流改变另一方面让交流信号顺利通过。因此耦合电容容量应足够大使其在工作频率范围内的阻抗远小于所在回路的电阻。5.2 固定偏置电路静态工作点计算固定偏置电路是最简单的共发射极电路基极偏置电阻 RB 直接接在电源 VCC 与基极之间。静态分析时耦合电容开路输入输出断开。根据基极回路VCC IBQ RB UBEQ可得IBQ (VCC - UBEQ) / RB对于硅管UBEQ 通常取 0.7 V对于锗管取 0.2 V 到 0.3 V。因为 VCC 通常远大于 UBEQ工程估算时也可近似为IBQ ≈ VCC / RB然后ICQ ≈ β IBQUCEQ VCC - ICQ RC例如设 VCC 12 VRB 300 kΩRC 3 kΩβ 100硅管 UBEQ 0.7 V。计算得IBQ (12 - 0.7) / 300k ≈ 37.7 μAICQ ≈ 100 × 37.7μ ≈ 3.77 mAUCEQ 12 - 3.77m × 3k ≈ 0.69 V这个计算结果表明UCEQ 只有 0.69 V已接近饱和区。固定偏置电路对 β 非常敏感只要 β 略有增大IC 就会明显增大UCE 进一步下降很可能进入饱和。因此实际电路很少采用固定偏置而是采用分压式偏置来稳定工作点。5.3 固定偏置电路动态分析动态分析的第一步是画出交流通路和微变等效电路。输入信号加在基极与地之间输出从集电极与地之间取出。三极管用 rbe 和受控电流源 β ib 代替。rbe 的估算公式为rbe rbb (1 β) × 26 mV / IEQ其中 rbb 是基区体电阻小功率管通常取 100 到 300 Ω工程估算常取 300 Ω26 mV 是常温下的热电压 UTIEQ 是发射极静态电流约等于 ICQ。输入电阻为Ri RB ∥ rbe当 RB 远大于 rbe 时Ri ≈ rbe。电压放大倍数为Au Uo / Ui -β (RC ∥ RL) / rbe记 RL RC ∥ RL则Au -β RL / rbe负号表示输出电压与输入电压反相。输出电阻为Ro ≈ RC电流放大倍数为Ai io / ii ≈ β可见共发射极电路既能放大电压又能放大电流功率增益最大。5.4 完整计算例题例题共发射极放大电路VCC 15 VRB 470 kΩRC 4.7 kΩRL 10 kΩβ 80rbb 300 Ω硅管 UBEQ 0.7 V。求静态工作点、rbe、输入电阻、电压放大倍数和输出电阻。解静态计算。IBQ (15 - 0.7) / 470k ≈ 30.4 μAICQ ≈ 80 × 30.4μ ≈ 2.43 mAIEQ ≈ (1 80) × 30.4μ ≈ 2.46 mAUCEQ 15 - 2.43m × 4.7k ≈ 3.58 VQ 点位于放大区。接下来计算rbe 300 (1 80) × 26m / 2.46m ≈ 300 81 × 10.57 ≈ 1156 ΩRL 4.7k ∥ 10k 4.7 × 10 / 14.7 ≈ 3.20 kΩ输入电阻 Ri RB ∥ rbe 470k ∥ 1.156k ≈ 1.153 kΩ电压放大倍数 Au -80 × 3.2k / 1.156k ≈ -221输出电阻 Ro ≈ RC 4.7 kΩ该例题说明共发射极电路可以获得很大的电压增益但输入电阻较小输出电阻较大。5.5 带射极电阻的共发射极电路若去掉发射极旁路电容保留发射极电阻 RE则发射极电阻同时存在于直流和交流通路中它既稳定静态工作点又引入交流电流串联负反馈。此时动态指标发生变化。输入电阻为Ri RB ∥ [rbe (1 β) RE]电压放大倍数为Au -β RL / [rbe (1 β) RE]输出电阻基本不变仍近似等于 RC。引入 RE 后电压放大倍数降低但输入电阻提高增益稳定性明显改善。当 (1 β) RE 远大于 rbe 时Au ≈ -RL / RE此时电压放大倍数几乎与 β 无关只由电阻比决定。例如 RL 3.2 kΩRE 1 kΩ则 Au ≈ -3.2。即使 β 从 80 变到 200增益变化也很小。这种设计在工程中非常实用。实际电路常在发射极电阻两端并联旁路电容 CE。这样在直流状态下RE 能稳定工作点在中频交流信号下CE 将 RE 短路交流增益较高。这种“直流负反馈、交流旁路”的方案是最常用的共射放大电路形式。5.6 共发射极电路的特点总结电压放大倍数大电流放大倍数大功率增益最高。输入电阻中等典型值为几百欧到几万欧。输出电阻较大约等于集电极电阻 RC。输出电压与输入电压反相。由于密勒效应高频截止频率在三种接法中相对较低。应用最广泛常作为多级放大器的主放大级和中间级。六、共集电极放大电路CC射极跟随器6.1 基本电路结构共集电极放大电路的输出信号从发射极取出集电极直接接电源 VCC。在交流通路中VCC 对交流信号视为短路因此集电极是交流接地端同时处于输入回路和输出回路中故称共集电极电路。由于输出电压取自发射极且相位与输入相同、幅度略小因此又称射极跟随器。典型电路由三极管 T、基极偏置电阻 RB、发射极电阻 RE 和耦合电容 C1、C2 组成。负载 RL 通过输出耦合电容 C2 接到发射极。输入信号从基极送入输出信号从发射极送出。共集电极电路最突出的特点是输入电阻高输出电阻低电压放大倍数略小于 1具有良好的阻抗变换能力。它本身没有电压增益但能提高输入阻抗、降低输出阻抗在实际电路中常作为缓冲级、输入级和输出级。6.2 静态工作点计算静态时耦合电容开路基极回路方程为VCC IBQ RB UBEQ IEQ RE因为 IEQ ≈ (1 β) IBQ代入后VCC IBQ RB UBEQ (1 β) IBQ RE解得IBQ (VCC - UBEQ) / [RB (1 β) RE]然后ICQ ≈ β IBQUCEQ VCC - IEQ RE ≈ VCC - ICQ RE从公式看发射极电阻 RE 折算到基极回路后增大为 (1 β) RE因此共集电极电路具有很强的直流负反馈工作点稳定性好。同时这个折算关系也解释了其输入电阻高的原因。例如VCC 12 VRB 300 kΩRE 2 kΩβ 100UBEQ 0.7 V。则 IBQ (12 - 0.7) / [300k 101 × 2k] 11.3 / 502k ≈ 22.5 μAICQ ≈ 2.25 mAUCEQ ≈ 12 - 2.27m × 2k ≈ 7.46 V。6.3 微变等效电路和动态分析动态分析时输出负载 RL 与发射极电阻 RE 并联记 RE RE ∥ RL。输入电阻为Ri RB ∥ [rbe (1 β) RE]由于 (1 β) RE 通常远大于 rbe输入电阻可以做得很高往往达到几十千欧甚至几百千欧。电压放大倍数为Au (1 β) RE / [rbe (1 β) RE]因为分子小于分母所以 Au 恒小于 1当 (1 β) RE 远大于 rbe 时Au 接近 1。输出电压与输入电压同相。输出电阻很小。忽略信号源内阻时Ro ≈ rbe / (1 β)若考虑信号源内阻 RS令 RS RS ∥ RB则Ro ≈ (rbe RS) / (1 β)典型输出电阻为几十欧到几百欧带负载能力很强。6.4 电流放大倍数共集电极电路虽然没有电压增益但具有电流放大能力。输入电流是基极电流 ib输出电流是发射极电流 ie。因为ie (1 β) ib所以电流放大倍数约为 (1 β)。从功率角度看电压基本不变而电流增大约 (1 β) 倍因此射极跟随器仍能向低阻负载提供较大功率。例如 β 100则电流放大倍数约为 101。当输入信号源只能提供很小电流时射极跟随器可以在输出端提供大得多的电流这正是阻抗变换的作用。6.5 共集电极电路的特点总结电压放大倍数略小于 1输出电压与输入电压同相。电流放大倍数约为 (1 β)具有电流放大能力。输入电阻高输出电阻低阻抗变换特性好。频率特性好高频上限高密勒效应影响小。常作多级放大器的输入级、输出级和缓冲级。七、共基极放大电路CB7.1 基本电路结构共基极放大电路的输入信号从发射极送入输出信号从集电极取出基极通过旁路电容 CB 对交流信号接地成为输入输出回路的公共端因此称为共基极电路。典型电路由三极管 T、发射极电阻 RE、集电极电阻 RC 和基极偏置电路组成。输入信号加在发射极与地之间输出信号从集电极与地之间取出。输入电流是发射极电流 ie输出电流是集电极电流 ic。由于 ic 略小于 ie共基极电路的电流放大倍数略小于 1。共基极电路最突出的特点是输入电阻很小高频特性最好。因此它常用于高频放大、宽带放大、恒流源以及共射-共基级联电路。7.2 静态工作点计算共基极电路的基极通常由分压电阻 RB1 和 RB2 提供固定电位。静态分析时先求基极电位UBQ ≈ VCC RB2 / (RB1 RB2)发射极电位为UEQ UBQ - UBEQ对于 NPN 管发射结正偏UBEQ 取 0.7 V因此 UEQ 比 UBQ 低 0.7 V。发射极电流为IEQ UEQ / RE因为 ICQ ≈ α IEQ当 β 较大时ICQ ≈ IEQ。集射电压为UCEQ VCC - ICQ RC - IEQ RE ≈ VCC - ICQ(RC RE)共基极电路的发射极电流主要由 UEQ 和 RE 决定对 β 的依赖较弱工作点稳定性较好。7.3 微变等效电路和动态分析共基极电路的输入从发射极看进去发射结动态电阻折算到发射极为 rbe / (1 β)。因此输入电阻为Ri RE ∥ [rbe / (1 β)]因为 rbe / (1 β) 通常只有几十欧所以共基极电路输入电阻很小。例如 rbe 1.5 kΩβ 100则发射极看进去的等效电阻约为 14.9 Ω。电压放大倍数为Au β RL / rbe其中 RL RC ∥ RL。电压放大倍数为正值表示输出电压与输入电压同相。其数值与共发射极电路相当。电流放大倍数约为 αAi ≈ α β / (1 β)略小于 1。输出电阻较大约等于 RC。例题设 β 100rbe 1.5 kΩRE 2.2 kΩRC 4.7 kΩRL 10 kΩ。输入电阻 Ri ≈ 14.9 ΩRL 4.7k ∥ 10k ≈ 3.2 kΩAu 100 × 3.2k / 1.5k ≈ 213。可以看出共基极电路电压增益大但输入电阻极低。7.4 共基极电路的特点总结电压放大倍数大输出电压与输入电压同相。电流放大倍数略小于 1没有电流放大能力。输入电阻很小典型值为几欧到几十欧。输出电阻较大约等于 RC。频率特性最好高频上限在三种接法中最高。适合高频放大、宽带放大、恒流源和共射-共基级联电路。八、三种接法的综合比较三种基本接法的差异可以归纳如下。比较项目共发射极CE共集电极CC共基极CB公共端发射极集电极基极电压放大倍数大略小于 1大电流放大倍数大约 β大约 1β略小于 1约 α输入电阻中等高低输出电阻较大低较大输入输出相位反相同相同相高频特性一般较好最好典型应用主放大级、中间级输入缓冲、输出级高频放大、恒流源从功率增益看共发射极电路因为同时放大电压和电流功率增益最大是放大电路的首选结构。共集电极电路虽然不能放大电压但输入电阻高、输出电阻低适合做阻抗变换和缓冲。共基极电路电压增益大、电流增益略小于 1输入电阻很低但高频性能最好适合高频场合。实际多级放大电路中常见组合方式是第一级采用共集电极电路做输入缓冲提高输入阻抗。中间级采用共发射极电路提供电压增益。输出级采用共集电极或推挽射极跟随器降低输出阻抗增强带负载能力。高频场合采用共射-共基级联结构兼顾增益和带宽。九、静态工作点的设置与稳定9.1 设置合适静态工作点的意义放大电路要正常放大信号必须使三极管始终工作在放大区。如果静态工作点设置过高接近饱和区信号的正半周可能使三极管进入饱和产生饱和失真如果设置过低接近截止区信号负半周可能使三极管截止产生截止失真。因此Q 点通常设置在交流负载线中点附近使正负半周输出幅度尽可能对称。最大不失真输出电压幅度由 Q 点到饱和区和截止区的距离共同决定。设 Q 点坐标为 (UCEQICQ)交流负载为 RL则截止方向可摆动的电压幅度为 ICQ RL饱和方向可摆动的电压幅度为 UCEQ - UCES。只有当两者接近时输出动态范围最大。9.2 分压式偏置电路固定偏置电路工作点对 β 和温度敏感工程上普遍采用分压式偏置电路又称射极偏置电路。它使用 RB1 和 RB2 组成基极分压网络同时加入发射极电阻 RE 引入直流负反馈。设计原则是使流过 RB1 和 RB2 的电流 IB 远大于基极电流 IBQ一般取 IRB 5 到 10 IBQ。这样基极电位基本由分压决定UB ≈ VCC RB2 / (RB1 RB2)发射极电流为IEQ ≈ (UB - UBEQ) / RE由于 IEQ 主要由 UB 和 RE 决定与 β 关系不大因此工作点稳定。工程上常取发射极电阻压降约 1 到 2 V基极电位约为电源电压的几分之一既稳定工作点又不浪费太多电源电压。9.3 温度对工作点的影响温度升高时三极管的穿透电流 ICEO 增大UBE 减小β 增大三者都使 IC 增大。分压式偏置电路通过 RE 的直流负反馈抑制这种漂移当温度升高使 IC 增大时IE 增大发射极电位 UE 升高由于基极电位 UB 基本固定UBE 减小基极电流减小进而抑制 IC 的增大。这个稳定过程可以概括为温度升高 → IC 增大 → IE 增大 → UE 升高 → UBE 减小 → IB 减小 → IC 减小。最终实现动态平衡。如果在交流通路中希望保持高增益可以在 RE 两端并联旁路电容使中频交流信号绕开 RE减小交流负反馈。若要求进一步改善增益稳定性和带宽可以保留部分无旁路的射极电阻牺牲一些增益。十、频率响应分析10.1 频率响应的基本概念放大电路的增益并不是在所有频率下都相同。低频段耦合电容和旁路电容的阻抗增大信号被衰减增益下降高频段三极管内部结电容和电路分布电容的影响增强增益也下降。因此幅频特性呈中间平坦、两端下降的带通形状。中频区增益最大且基本不变。当增益下降到中频增益的 0.707 倍即降低 3 dB 时对应的频率分别为下限截止频率 fL 和上限截止频率 fH。通频带为BW fH - fL低频增益下降主要由耦合电容和旁路电容形成的高通效应引起高频增益下降主要由三极管结电容和电路电容形成的低通效应引起。10.2 三种接法的频率特性差异共发射极电路存在严重的密勒效应。集电结电容 Cbc 跨接在输入端和输出端之间而输入输出反相且电压增益很大因此该电容折算到输入端后会增大 (1 |Au|) 倍。等效输入电容很大使高频极点降低高频上限变差。共集电极电路输出与输入同相且几乎相等集电结电容两端的电压变化很小密勒效应基本消失高频特性较好。共基极电路中基极交流接地集电结电容接在输出端与地之间不复现在输入端不存在密勒放大效应。同时共基极电路输入电阻很低发射结电容充放电时间常数小因此高频上限最高。因此在需要宽带或高频放大时优先考虑共基极或共集电极电路一般低频或中频放大中共发射极电路仍是最常用结构。10.3 展宽频带的措施选用特征频率 fT 高的三极管。减小集电极负载电阻 RC提高高频极点。采用共射-共基级联结构消除或削弱密勒效应。在发射极串联小电阻引入负反馈牺牲增益换取带宽。合理选择耦合电容和旁路电容保证低频截止频率满足要求。三极管的高频特性常用特征频率 fT 表征。fT 是指共射电流增益 β 下降到 1 时的频率。在共发射极接法中增益带宽积可以近似看作常数。例如某三极管 fT 300 MHz则在 3 MHz 时共射电流增益约为 100在 30 MHz 时约为 10。电路设计时应使工作频率远低于 fT并留有裕量。十一、实验设计与仿真验证11.1 仿真电路搭建思路学习三种接法时建议配合 Multisim、LTspice、Proteus 等仿真软件进行验证。以 NPN 管 2N2222 为例VCC 取 12 V输入信号为 1 kHz、10 mV 的正弦波分别搭建三种接法电路观察波形、幅度和相位测量输入输出电阻。下面给出一段 LTspice 风格的共发射极放大电路网表示例* 共发射极放大电路仿真示例 Vcc VCC 0 12V Vin IN 0 SINE(0 10mV 1kHz) C1 IN B 10uF RB1 VCC B 47k RB2 B 0 12k RC VCC C 3k RE E 0 1k CE E 0 100uF Q1 C B E 2N2222 C2 C OUT 10uF RL OUT 0 10k .tran 0 5ms 0 1us .end仿真中应观察输出电压波形是否与输入反相放大倍数是否接近理论值以及改变负载后的输出电压变化情况。建议同时测量输入电压和输出电压通过相位差判断接法是否正确。11.2 共集电极和共基极仿真要点共集电极电路仿真时输出从发射极取出。可以设置输入信号为 1 kHz、1 V 的正弦波测量输出电压峰值是否接近 1 V并与输入同相。输出电阻可以通过改变负载电阻并观察输出电压变化来估算。共基极电路仿真时输入信号加在发射极输出从集电极取出。注意输入信号源需要串联足够内阻因为共基极电路输入电阻很小否则输入信号源可能过载。观察输出电压与输入电压是否同相电压增益是否较大。11.3 实验测量方法静态工作点测量不加交流信号用万用表测 UB、UE、UC计算 ICQ 和 UCEQ。电压放大倍数测量用示波器同时观察输入输出记录幅度和相位。输入电阻测量在信号源与放大器输入端之间串联已知电阻 R测得输入端电压 Ui 和信号源电动势 US则 Ri Ui R / (US - Ui)。输出电阻测量分别测得空载输出电压 Uo∞ 和带负载 RL 时输出电压 UoL则 Ro (Uo∞/UoL - 1) RL。频率响应测量保持输入幅度不变改变频率记录输出幅度变化绘制幅频曲线。十二、常见故障分析与调试技巧12.1 输出波形失真输出波形顶部或底部被削平说明三极管超过了放大区。对 NPN 管共发射极电路如果截止失真通常表现为输出波形正半周被压缩如果饱和失真表现为负半周被压缩。不过具体判断还要结合示波器相位和电路结构。截止失真多因静态工作点过低可减小基极上偏置电阻或增大发射极电阻使 ICQ 增大。饱和失真多因工作点过高或集电极负载电阻过大可调整偏置电阻或减小 RC。判断时先测量 UCEQ若 UCEQ 过低可能偏饱和若 ICQ 过小可能偏截止。根据实际情况调整偏置后再观察输出波形确保正负半周都不失真。12.2 放大倍数偏低可能原因包括耦合电容容量不足信号被衰减。发射极旁路电容开路或容量过小引入交流负反馈。负载电阻过小导致实际增益降低。信号源内阻过大输入信号在源内阻上分压过多。静态工作点不合适三极管未工作在最佳放大区。排查时先用示波器观察输入端和输出端波形判断问题出在输入耦合、放大级还是输出耦合。若发射极旁路电容开路检查电容引脚、焊点和容量若耦合电容容量不足更换更大容量电容。12.3 电路自激振荡高频或高增益电路中可能因为布线寄生参数、电源退耦不良等原因产生自激振荡。表现为无输入信号时输出仍有高频波形。解决方法包括加强电源退耦在电源引脚附近并联 0.1 μF 电容和大容量电解电容。缩短高频信号路径减小分布电容和电感。增加负反馈降低增益提高稳定性。在输入输出之间做好屏蔽和隔离。12.4 三种接法的选择思路需要高电压增益和电流增益时优先选共发射极。需要高输入阻抗、低输出阻抗进行阻抗匹配时优先选共集电极。需要高频放大、宽带放大或恒流源时优先选共基极。需要兼顾增益和带宽的高频放大器可选共射-共基级联。十三、总结三极管放大电路的三种基本接法共发射极、共集电极和共基极是模拟电子技术的重要基础。它们的本质区别在于交流通路中公共端的选择不同。公共端的改变使电路在电压增益、电流增益、输入输出电阻、相位和频率特性等方面呈现不同特点。共发射极电路放大能力最全面是主放大级的首选共集电极电路以高输入电阻、低输出电阻著称是优秀的缓冲级和输出级共基极电路输入电阻低但高频性能最好适合高频放大。实际设计时三种接法往往组合使用以实现更好的整体性能。掌握三种接法的关键在于建立“公共端决定电路性质”的直觉并熟练运用静态分析和微变等效电路两大工具。静态分析确定三极管的工作位置动态分析确定信号放大能力。只有把偏置设计、微变等效模型、输入输出电阻求解、增益计算和频率响应串联起来才能真正理解并灵活运用三极管放大电路。最后建议读者多做计算、仿真和实验。通过理论计算预测结果再用仿真和实测验证在反复对比中加深理解。三极管放大电路的分析方法也会为后续学习场效应管放大电路、差分放大电路、功率放大电路和负反馈等内容打下坚实基础。 一、引言三极管放大电路是模拟电子技术中最基础、最核心的内容之一。无论是音频功率放大、射频前端、传感器信号调理还是运算放大器内部电路、开关电源反馈环路几乎都离不开三极管构成的放大电路。初学者学习三极管放大电路时最先要突破的难点就是三种基本接法共发射极接法Common Emitter简称 CE、共集电极接法Common Collector简称 CC和共基极接法Common Base简称 CB。在很多教材中这三种接法也被称为三种基本组态共射组态、共集组态和共基组态。所谓“共某极”并不是说该电极必须直接接地而是指在交流通路中该电极处于输入回路和输出回路的公共端。以共发射极电路为例发射极在交流等效电路中同时属于输入回路和输出回路因此被称为公共端。同一个三极管由于接入信号和取出信号的方式不同输入电阻、输出电阻、电压增益、电流增益、相位关系、频率特性都会发生明显变化。理解三种接法的本质区别是正确阅读模拟电路图、选择放大电路结构、设计多级放大器的基础。很多实际电路看起来复杂但经过直流偏置和交流通路分析后最终都能归为三种基本接法中的一种或几种组合。本文力求从零基础出发系统讲解三种接法的电路结构、静态工作点计算、微变等效电路、动态指标推导、偏置稳定、频率响应、实验测量、故障诊断和工程设计方法。文章结合大量例题和公式推导尽量做到概念清楚、推导完整、结论可查。建议读者按照“基础回顾、单接法深入、综合比较、工程实践”的顺序学习并在纸上反复推导关键公式。二、三极管基础回顾2.1 三极管的结构和分类三极管全称半导体三极管也称晶体三极管或双极型晶体管Bipolar Junction TransistorBJT。根据半导体材料不同分为硅管和锗管根据结构形式不同分为 NPN 型和 PNP 型。目前模拟电路中应用最广泛的是硅 NPN 管和硅 PNP 管。以 NPN 管为例它由三个掺杂区域组成发射区、基区和集电区。发射区杂质浓度很高目的是向基区注入大量载流子基区非常薄且杂质浓度较低目的是让绝大多数注入的载流子能够渡越到集电区集电区面积较大杂质浓度低于发射区目的是有效收集从基区扩散过来的载流子。三个区分别引出三个电极发射极 e、基极 b、集电极 c。PNP 管的结构与 NPN 管类似只是半导体类型反过来。NPN 管中参与导电的主要是电子PNP 管中参与导电的主要是空穴。虽然载流子类型不同但二者的工作原理、分析方法完全相同只是外部电源极性和电流方向相反。三极管要具备放大能力必须同时满足内部条件和外部条件。内部条件由制造工艺保证发射区杂质浓度远高于基区基区很薄。外部条件由电路提供发射结正向偏置集电结反向偏置。对于 NPN 管放大状态下要求 UBE 为正且约为 0.6 到 0.7 VUCE 大于 UBE即集电结反偏对于 PNP 管则要求 UBE 为负UCE 小于 UBE。三极管的电路符号中发射极箭头方向表示发射结正向电流方向。NPN 管箭头向外PNP 管箭头向内。画电路图时应当正确区分箭头方向否则容易在电源极性和电流方向上出错。2.2 三极管中的电流关系三极管处于放大状态时发射极电流 IE、集电极电流 IC 和基极电流 IB 满足基尔霍夫电流定律IE IC IB从载流子运动角度看发射区向基区注入的载流子中绝大部分被集电区收集形成集电极电流只有很少一部分在基区复合形成基极电流。因此集电极电流远远大于基极电流。二者之间的比例关系用共发射极直流电流放大系数 β 表示IC ≈ β IBIE IC IB ≈ (1 β) IB这里的 β 是直流电流放大系数常用 hFE 表示。在小信号条件下交流电流放大系数用 β 或 hfe 表示。工程上通常认为二者数值接近计算时不作严格区分。常用小功率三极管的 β 值一般在几十到几百之间例如 2N2222 的 β 典型值约为 100 到 3009013 的 β 典型值约为 80 到 200。共基极直流电流放大系数 α 定义为集电极电流与发射极电流之比α IC / IE根据电流关系可以推导α β / (1 β)β α / (1 - α)由于 β 通常远大于 1α 略小于 1典型值在 0.95 到 0.999 之间。α 与 β 的关系在推导共基极电路输入电阻、电流放大倍数时非常关键。2.3 三极管的三种工作状态根据发射结和集电结的偏置状态三极管可分为放大、饱和、截止三种工作状态。放大状态发射结正偏集电结反偏。此时三极管具有电流放大能力IC ≈ β IB。放大电路要求三极管始终工作在这一区域。饱和状态发射结正偏集电结也正偏。此时 UCE 很小典型值为 0.1 到 0.3 VIC 不再随 IB 线性变化。三极管近似相当于一个闭合开关。截止状态发射结反偏集电结也反偏。此时 IB 接近 0IC 接近 0三极管近似相当于一个断开开关。判断三极管工作状态的一般步骤是先假设三极管在放大区根据电路计算 IB 和 IC再计算 UCE若 UCE 大于饱和压降则假设成立若 UCE 计算值小于饱和压降说明实际已经进入饱和区若基极电流计算值接近 0则可能处于截止区。三种工作状态的理解对调试放大电路非常重要。当输出波形出现失真时往往就是三极管超出了放大区进入了饱和区或截止区。2.4 三极管的特性曲线三极管的输入特性曲线描述 IB 与 UBE 的关系。对硅管而言输入特性曲线形状类似于二极管正向特性当 UBE 小于 0.5 V 左右时基极电流很小当 UBE 达到 0.6 到 0.7 V 时基极电流随 UBE 迅速增大。输入特性曲线在 Q 点附近的切线斜率反映了输入动态电阻是计算 rbe 的重要依据。输出特性曲线描述 IC 与 UCE 的关系参变量是 IB。输出特性曲线可以划分为截止区、放大区和饱和区。放大区中曲线近似水平IC 主要由 IB 决定受 UCE 影响较小这种特性称为受控电流源特性。曲线在放大区存在一定斜率说明随着 UCE 增大IC 会略有增大这个现象由基区宽度调制效应引起可用输出电阻 rce 描述。输出特性曲线的斜率关系为斜率 ΔIC / ΔUCE ≈ 1 / rce。理想情况下 rce 无穷大曲线完全水平实际器件中 rce 通常在几十千欧到几百千欧之间。在简化微变等效电路中rce 往往忽略不计但在精度要求较高的分析中需要保留。三、放大电路的基本概念3.1 静态与动态的概念放大电路分析通常分为静态分析和动态分析两个部分。静态分析只考虑直流电源的作用不考虑输入交流信号。静态分析的目的是求静态工作点 Q包括 IBQ、ICQ 和 UCEQ。静态分析时耦合电容和旁路电容视为开路因为直流稳态下电容中没有电流电感视为短路因为理想电感对直流没有阻抗。静态分析使用三极管的直流模型或直接利用电路方程求解。动态分析只考虑交流信号的作用不考虑直流电源。动态分析的目的是求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等交流性能指标。动态分析时大电容视为短路直流电源视为交流地。这里“交流地”的物理意义是理想直流电源两端电压恒定交流信号在上面不会产生电压变化因此对交流信号而言相当于接地。静态分析和动态分析虽然单独进行但二者之间存在联系。静态工作点决定三极管的小信号参数。例如发射结动态电阻 rbe 与发射极静态电流 IEQ 密切相关Q 点位置还决定了最大不失真输出幅度。因此必须先做静态分析再根据 Q 点计算小信号参数然后进行动态分析。这种“先直流后交流、先静态后动态”的思路是分析所有放大电路的基本方法。3.2 主要性能指标一个放大电路的性能通常用以下指标衡量电压放大倍数 Au定义为输出电压与输入电压之比Au Uo / Ui。这是电压放大器最关心的指标。电流放大倍数 Ai定义为输出电流与输入电流之比Ai Io / Ii。输入电阻 Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻越大从信号源取用的电流越小信号源内阻上的压降越小电路获得的输入电压越接近信号源电动势。输出电阻 Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出电阻越小负载变化时输出电压变化越小带负载能力越强。通频带 BW放大电路增益下降到中频区增益的 0.707 倍时的频率范围BW fH - fL。最大不失真输出电压幅度不产生明显失真的前提下电路能够输出的最大交流电压幅值。非线性失真系数衡量输出波形偏离正弦波的程度在功率放大器中尤其重要。其中 Au、Ri、Ro 被称为放大电路的三大动态指标。三种基本接法的比较本质上就是比较这三个指标以及相位和频率特性。3.3 微变等效电路法三极管是非线性器件但是当输入信号很小时三极管只工作在 Q 点附近很小范围内此时特性曲线可以近似用直线代替从而把非线性器件线性化。这种分析方法称为微变等效电路法或小信号模型法。微变等效电路法的适用条件是信号足够小三极管始终工作在放大区的小范围内。它不能用于静态分析也不能用于大信号失真分析。常用的小信号模型包括 h 参数模型、混合 π 模型等。在低频放大电路分析中常用简化的 h 参数模型输入侧用基极-发射极之间的动态电阻 rbe 等效输出侧用受控电流源 β ib 等效。受控电流源的方向为NPN 管中从集电极流向发射极PNP 管中从发射极流向集电极。微变等效电路建立后三极管就变成了由电阻和受控源组成的线性电路可以用节点电压法、回路电流法等常规电路分析方法求解。四、三种基本接法的判定方法判断放大电路属于哪种接法不能只看电路的外形而必须画出交流通路观察哪个电极同时接在输入回路和输出回路中。具体步骤如下将耦合电容、旁路电容视为交流短路将直流电源 VCC 视为交流地观察输入信号加在哪两个电极之间观察输出信号从哪两个电极之间取出找出输入回路和输出回路共用的电极该电极即公共端。如果公共端是发射极则为共发射极电路公共端是集电极则为共集电极电路公共端是基极则为共基极电路。例如一个典型共发射极电路输入信号加在基极与地之间输出从集电极与地之间取出发射极直接接地因此发射极是公共端。若发射极串接旁路电容后接地交流通路中发射极仍然接地所以还是共发射极。如果发射极串接电阻且没有旁路电容发射极不是直接交流接地但公共端仍然是发射极电路仍属于共发射极组态只是引入了电流串联负反馈。三种接法的关系可以这样理解三极管本身是同一个器件只是信号入口、出口和参考点不同。改变信号接入位置电路呈现出的输入输出特性就会发生根本变化。五、共发射极放大电路CE5.1 基本电路结构共发射极放大电路是最基本、应用最广泛的放大电路。典型电路由三极管 T、基极偏置电阻 RB、集电极负载电阻 RC、耦合电容 C1 和 C2 组成。输入信号 ui 通过 C1 耦合到基极输出信号 uo 从集电极通过 C2 耦合到负载 RL。在交流通路中VCC 对交流信号等效为短路即集电极的直流电位点对交流而言接地。发射极直接接地或通过旁路电容接地成为输入回路和输出回路的公共端。输入电流 ii 流入基极输出电流 io 从集电极流出故称为共发射极。耦合电容 C1、C2 起隔直通交作用。它们一方面隔离信号源和负载中的直流成分保护三极管静态工作点不被外部直流改变另一方面让交流信号顺利通过。因此耦合电容容量应足够大使其在工作频率范围内的阻抗远小于所在回路的电阻。5.2 固定偏置电路静态工作点计算固定偏置电路是最简单的共发射极电路基极偏置电阻 RB 直接接在电源 VCC 与基极之间。静态分析时耦合电容开路输入输出断开。根据基极回路VCC IBQ RB UBEQ可得IBQ (VCC - UBEQ) / RB对于硅管UBEQ 通常取 0.7 V对于锗管取 0.2 V 到 0.3 V。因为 VCC 通常远大于 UBEQ工程估算时也可近似为IBQ ≈ VCC / RB然后ICQ ≈ β IBQUCEQ VCC - ICQ RC例如设 VCC 12 VRB 300 kΩRC 3 kΩβ 100硅管 UBEQ 0.7 V。计算得IBQ (12 - 0.7) / 300k ≈ 37.7 μAICQ ≈ 100 × 37.7μ ≈ 3.77 mAUCEQ 12 - 3.77m × 3k ≈ 0.69 V这个计算结果表明UCEQ 只有 0.69 V已接近饱和区。固定偏置电路对 β 非常敏感只要 β 略有增大IC 就会明显增大UCE 进一步下降很可能进入饱和。因此实际电路很少采用固定偏置而是采用分压式偏置来稳定工作点。5.3 固定偏置电路动态分析动态分析的第一步是画出交流通路和微变等效电路。输入信号加在基极与地之间输出从集电极与地之间取出。三极管用 rbe 和受控电流源 β ib 代替。rbe 的估算公式为rbe rbb (1 β) × 26 mV / IEQ其中 rbb 是基区体电阻小功率管通常取 100 到 300 Ω工程估算常取 300 Ω26 mV 是常温下的热电压 UTIEQ 是发射极静态电流约等于 ICQ。输入电阻为Ri RB ∥ rbe当 RB 远大于 rbe 时Ri ≈ rbe。电压放大倍数为Au Uo / Ui -β (RC ∥ RL) / rbe记 RL RC ∥ RL则Au -β RL / rbe负号表示输出电压与输入电压反相。输出电阻为Ro ≈ RC电流放大倍数为Ai io / ii ≈ β可见共发射极电路既能放大电压又能放大电流功率增益最大。5.4 完整计算例题例题共发射极放大电路VCC 15 VRB 470 kΩRC 4.7 kΩRL 10 kΩβ 80rbb 300 Ω硅管 UBEQ 0.7 V。求静态工作点、rbe、输入电阻、电压放大倍数和输出电阻。解静态计算。IBQ (15 - 0.7) / 470k ≈ 30.4 μAICQ ≈ 80 × 30.4μ ≈ 2.43 mAIEQ ≈ (1 80) × 30.4μ ≈ 2.46 mAUCEQ 15 - 2.43m × 4.7k ≈ 3.58 VQ 点位于放大区。接下来计算rbe 300 (1 80) × 26m / 2.46m ≈ 300 81 × 10.57 ≈ 1156 ΩRL 4.7k ∥ 10k 4.7 × 10 / 14.7 ≈ 3.20 kΩ输入电阻 Ri RB ∥ rbe 470k ∥ 1.156k ≈ 1.153 kΩ电压放大倍数 Au -80 × 3.2k / 1.156k ≈ -221输出电阻 Ro ≈ RC 4.7 kΩ该例题说明共发射极电路可以获得很大的电压增益但输入电阻较小输出电阻较大。5.5 带射极电阻的共发射极电路若去掉发射极旁路电容保留发射极电阻 RE则发射极电阻同时存在于直流和交流通路中它既稳定静态工作点又引入交流电流串联负反馈。此时动态指标发生变化。输入电阻为Ri RB ∥ [rbe (1 β) RE]电压放大倍数为Au -β RL / [rbe (1 β) RE]输出电阻基本不变仍近似等于 RC。引入 RE 后电压放大倍数降低但输入电阻提高增益稳定性明显改善。当 (1 β) RE 远大于 rbe 时Au ≈ -RL / RE此时电压放大倍数几乎与 β 无关只由电阻比决定。例如 RL 3.2 kΩRE 1 kΩ则 Au ≈ -3.2。即使 β 从 80 变到 200增益变化也很小。这种设计在工程中非常实用。实际电路常在发射极电阻两端并联旁路电容 CE。这样在直流状态下RE 能稳定工作点在中频交流信号下CE 将 RE 短路交流增益较高。这种“直流负反馈、交流旁路”的方案是最常用的共射放大电路形式。5.6 共发射极电路的特点总结电压放大倍数大电流放大倍数大功率增益最高。输入电阻中等典型值为几百欧到几万欧。输出电阻较大约等于集电极电阻 RC。输出电压与输入电压反相。由于密勒效应高频截止频率在三种接法中相对较低。应用最广泛常作为多级放大器的主放大级和中间级。六、共集电极放大电路CC射极跟随器6.1 基本电路结构共集电极放大电路的输出信号从发射极取出集电极直接接电源 VCC。在交流通路中VCC 对交流信号视为短路因此集电极是交流接地端同时处于输入回路和输出回路中故称共集电极电路。由于输出电压取自发射极且相位与输入相同、幅度略小因此又称射极跟随器。典型电路由三极管 T、基极偏置电阻 RB、发射极电阻 RE 和耦合电容 C1、C2 组成。负载 RL 通过输出耦合电容 C2 接到发射极。输入信号从基极送入输出信号从发射极送出。共集电极电路最突出的特点是输入电阻高输出电阻低电压放大倍数略小于 1具有良好的阻抗变换能力。它本身没有电压增益但能提高输入阻抗、降低输出阻抗在实际电路中常作为缓冲级、输入级和输出级。6.2 静态工作点计算静态时耦合电容开路基极回路方程为VCC IBQ RB UBEQ IEQ RE因为 IEQ ≈ (1 β) IBQ代入后VCC IBQ RB UBEQ (1 β) IBQ RE解得IBQ (VCC - UBEQ) / [RB (1 β) RE]然后ICQ ≈ β IBQUCEQ VCC - IEQ RE ≈ VCC - ICQ RE从公式看发射极电阻 RE 折算到基极回路后增大为 (1 β) RE因此共集电极电路具有很强的直流负反馈工作点稳定性好。同时这个折算关系也解释了其输入电阻高的原因。例如VCC 12 VRB 300 kΩRE 2 kΩβ 100UBEQ 0.7 V。则 IBQ (12 - 0.7) / [300k 101 × 2k] 11.3 / 502k ≈ 22.5 μAICQ ≈ 2.25 mAUCEQ ≈ 12 - 2.27m × 2k ≈ 7.46 V。6.3 微变等效电路和动态分析动态分析时输出负载 RL 与发射极电阻 RE 并联记 RE RE ∥ RL。输入电阻为Ri RB ∥ [rbe (1 β) RE]由于 (1 β) RE 通常远大于 rbe输入电阻可以做得很高往往达到几十千欧甚至几百千欧。电压放大倍数为Au (1 β) RE / [rbe (1 β) RE]因为分子小于分母所以 Au 恒小于 1当 (1 β) RE 远大于 rbe 时Au 接近 1。输出电压与输入电压同相。输出电阻很小。忽略信号源内阻时Ro ≈ rbe / (1 β)若考虑信号源内阻 RS令 RS RS ∥ RB则Ro ≈ (rbe RS) / (1 β)典型输出电阻为几十欧到几百欧带负载能力很强。6.4 电流放大倍数共集电极电路虽然没有电压增益但具有电流放大能力。输入电流是基极电流 ib输出电流是发射极电流 ie。因为ie (1 β) ib所以电流放大倍数约为 (1 β)。从功率角度看电压基本不变而电流增大约 (1 β) 倍因此射极跟随器仍能向低阻负载提供较大功率。例如 β 100则电流放大倍数约为 101。当输入信号源只能提供很小电流时射极跟随器可以在输出端提供大得多的电流这正是阻抗变换的作用。6.5 共集电极电路的特点总结电压放大倍数略小于 1输出电压与输入电压同相。电流放大倍数约为 (1 β)具有电流放大能力。输入电阻高输出电阻低阻抗变换特性好。频率特性好高频上限高密勒效应影响小。常作多级放大器的输入级、输出级和缓冲级。七、共基极放大电路CB7.1 基本电路结构共基极放大电路的输入信号从发射极送入输出信号从集电极取出基极通过旁路电容 CB 对交流信号接地成为输入输出回路的公共端因此称为共基极电路。典型电路由三极管 T、发射极电阻 RE、集电极电阻 RC 和基极偏置电路组成。输入信号加在发射极与地之间输出信号从集电极与地之间取出。输入电流是发射极电流 ie输出电流是集电极电流 ic。由于 ic 略小于 ie共基极电路的电流放大倍数略小于 1。共基极电路最突出的特点是输入电阻很小高频特性最好。因此它常用于高频放大、宽带放大、恒流源以及共射-共基级联电路。7.2 静态工作点计算共基极电路的基极通常由分压电阻 RB1 和 RB2 提供固定电位。静态分析时先求基极电位UBQ ≈ VCC RB2 / (RB1 RB2)发射极电位为UEQ UBQ - UBEQ对于 NPN 管发射结正偏UBEQ 取 0.7 V因此 UEQ 比 UBQ 低 0.7 V。发射极电流为IEQ UEQ / RE因为 ICQ ≈ α IEQ当 β 较大时ICQ ≈ IEQ。集射电压为UCEQ VCC - ICQ RC - IEQ RE ≈ VCC - ICQ(RC RE)共基极电路的发射极电流主要由 UEQ 和 RE 决定对 β 的依赖较弱工作点稳定性较好。7.3 微变等效电路和动态分析共基极电路的输入从发射极看进去发射结动态电阻折算到发射极为 rbe / (1 β)。因此输入电阻为Ri RE ∥ [rbe / (1 β)]因为 rbe / (1 β) 通常只有几十欧所以共基极电路输入电阻很小。例如 rbe 1.5 kΩβ 100则发射极看进去的等效电阻约为 14.9 Ω。电压放大倍数为Au β RL / rbe其中 RL RC ∥ RL。电压放大倍数为正值表示输出电压与输入电压同相。其数值与共发射极电路相当。电流放大倍数约为 αAi ≈ α β / (1 β)略小于 1。输出电阻较大约等于 RC。例题设 β 100rbe 1.5 kΩRE 2.2 kΩRC 4.7 kΩRL 10 kΩ。输入电阻 Ri ≈ 14.9 ΩRL 4.7k ∥ 10k ≈ 3.2 kΩAu 100 × 3.2k / 1.5k ≈ 213。可以看出共基极电路电压增益大但输入电阻极低。7.4 共基极电路的特点总结电压放大倍数大输出电压与输入电压同相。电流放大倍数略小于 1没有电流放大能力。输入电阻很小典型值为几欧到几十欧。输出电阻较大约等于 RC。频率特性最好高频上限在三种接法中最高。适合高频放大、宽带放大、恒流源和共射-共基级联电路。八、三种接法的综合比较三种基本接法的差异可以归纳如下。比较项目共发射极CE共集电极CC共基极CB公共端发射极集电极基极电压放大倍数大略小于 1大电流放大倍数大约 β大约 1β略小于 1约 α输入电阻中等高低输出电阻较大低较大输入输出相位反相同相同相高频特性一般较好最好典型应用主放大级、中间级输入缓冲、输出级高频放大、恒流源从功率增益看共发射极电路因为同时放大电压和电流功率增益最大是放大电路的首选结构。共集电极电路虽然不能放大电压但输入电阻高、输出电阻低适合做阻抗变换和缓冲。共基极电路电压增益大、电流增益略小于 1输入电阻很低但高频性能最好适合高频场合。实际多级放大电路中常见组合方式是第一级采用共集电极电路做输入缓冲提高输入阻抗。中间级采用共发射极电路提供电压增益。输出级采用共集电极或推挽射极跟随器降低输出阻抗增强带负载能力。高频场合采用共射-共基级联结构兼顾增益和带宽。九、静态工作点的设置与稳定9.1 设置合适静态工作点的意义放大电路要正常放大信号必须使三极管始终工作在放大区。如果静态工作点设置过高接近饱和区信号的正半周可能使三极管进入饱和产生饱和失真如果设置过低接近截止区信号负半周可能使三极管截止产生截止失真。因此Q 点通常设置在交流负载线中点附近使正负半周输出幅度尽可能对称。最大不失真输出电压幅度由 Q 点到饱和区和截止区的距离共同决定。设 Q 点坐标为 (UCEQICQ)交流负载为 RL则截止方向可摆动的电压幅度为 ICQ RL饱和方向可摆动的电压幅度为 UCEQ - UCES。只有当两者接近时输出动态范围最大。9.2 分压式偏置电路固定偏置电路工作点对 β 和温度敏感工程上普遍采用分压式偏置电路又称射极偏置电路。它使用 RB1 和 RB2 组成基极分压网络同时加入发射极电阻 RE 引入直流负反馈。设计原则是使流过 RB1 和 RB2 的电流 IB 远大于基极电流 IBQ一般取 IRB 5 到 10 IBQ。这样基极电位基本由分压决定UB ≈ VCC RB2 / (RB1 RB2)发射极电流为IEQ ≈ (UB - UBEQ) / RE由于 IEQ 主要由 UB 和 RE 决定与 β 关系不大因此工作点稳定。工程上常取发射极电阻压降约 1 到 2 V基极电位约为电源电压的几分之一既稳定工作点又不浪费太多电源电压。9.3 温度对工作点的影响温度升高时三极管的穿透电流 ICEO 增大UBE 减小β 增大三者都使 IC 增大。分压式偏置电路通过 RE 的直流负反馈抑制这种漂移当温度升高使 IC 增大时IE 增大发射极电位 UE 升高由于基极电位 UB 基本固定UBE 减小基极电流减小进而抑制 IC 的增大。这个稳定过程可以概括为温度升高 → IC 增大 → IE 增大 → UE 升高 → UBE 减小 → IB 减小 → IC 减小。最终实现动态平衡。如果在交流通路中希望保持高增益可以在 RE 两端并联旁路电容使中频交流信号绕开 RE减小交流负反馈。若要求进一步改善增益稳定性和带宽可以保留部分无旁路的射极电阻牺牲一些增益。十、频率响应分析10.1 频率响应的基本概念放大电路的增益并不是在所有频率下都相同。低频段耦合电容和旁路电容的阻抗增大信号被衰减增益下降高频段三极管内部结电容和电路分布电容的影响增强增益也下降。因此幅频特性呈中间平坦、两端下降的带通形状。中频区增益最大且基本不变。当增益下降到中频增益的 0.707 倍即降低 3 dB 时对应的频率分别为下限截止频率 fL 和上限截止频率 fH。通频带为BW fH - fL低频增益下降主要由耦合电容和旁路电容形成的高通效应引起高频增益下降主要由三极管结电容和电路电容形成的低通效应引起。10.2 三种接法的频率特性差异共发射极电路存在严重的密勒效应。集电结电容 Cbc 跨接在输入端和输出端之间而输入输出反相且电压增益很大因此该电容折算到输入端后会增大 (1 |Au|) 倍。等效输入电容很大使高频极点降低高频上限变差。共集电极电路输出与输入同相且几乎相等集电结电容两端的电压变化很小密勒效应基本消失高频特性较好。共基极电路中基极交流接地集电结电容接在输出端与地之间不复现在输入端不存在密勒放大效应。同时共基极电路输入电阻很低发射结电容充放电时间常数小因此高频上限最高。因此在需要宽带或高频放大时优先考虑共基极或共集电极电路一般低频或中频放大中共发射极电路仍是最常用结构。10.3 展宽频带的措施选用特征频率 fT 高的三极管。减小集电极负载电阻 RC提高高频极点。采用共射-共基级联结构消除或削弱密勒效应。在发射极串联小电阻引入负反馈牺牲增益换取带宽。合理选择耦合电容和旁路电容保证低频截止频率满足要求。三极管的高频特性常用特征频率 fT 表征。fT 是指共射电流增益 β 下降到 1 时的频率。在共发射极接法中增益带宽积可以近似看作常数。例如某三极管 fT 300 MHz则在 3 MHz 时共射电流增益约为 100在 30 MHz 时约为 10。电路设计时应使工作频率远低于 fT并留有裕量。十一、实验设计与仿真验证11.1 仿真电路搭建思路学习三种接法时建议配合 Multisim、LTspice、Proteus 等仿真软件进行验证。以 NPN 管 2N2222 为例VCC 取 12 V输入信号为 1 kHz、10 mV 的正弦波分别搭建三种接法电路观察波形、幅度和相位测量输入输出电阻。下面给出一段 LTspice 风格的共发射极放大电路网表示例* 共发射极放大电路仿真示例 Vcc VCC 0 12V Vin IN 0 SINE(0 10mV 1kHz) C1 IN B 10uF RB1 VCC B 47k RB2 B 0 12k RC VCC C 3k RE E 0 1k CE E 0 100uF Q1 C B E 2N2222 C2 C OUT 10uF RL OUT 0 10k .tran 0 5ms 0 1us .end仿真中应观察输出电压波形是否与输入反相放大倍数是否接近理论值以及改变负载后的输出电压变化情况。建议同时测量输入电压和输出电压通过相位差判断接法是否正确。11.2 共集电极和共基极仿真要点共集电极电路仿真时输出从发射极取出。可以设置输入信号为 1 kHz、1 V 的正弦波测量输出电压峰值是否接近 1 V并与输入同相。输出电阻可以通过改变负载电阻并观察输出电压变化来估算。共基极电路仿真时输入信号加在发射极输出从集电极取出。注意输入信号源需要串联足够内阻因为共基极电路输入电阻很小否则输入信号源可能过载。观察输出电压与输入电压是否同相电压增益是否较大。11.3 实验测量方法静态工作点测量不加交流信号用万用表测 UB、UE、UC计算 ICQ 和 UCEQ。电压放大倍数测量用示波器同时观察输入输出记录幅度和相位。输入电阻测量在信号源与放大器输入端之间串联已知电阻 R测得输入端电压 Ui 和信号源电动势 US则 Ri Ui R / (US - Ui)。输出电阻测量分别测得空载输出电压 Uo∞ 和带负载 RL 时输出电压 UoL则 Ro (Uo∞/UoL - 1) RL。频率响应测量保持输入幅度不变改变频率记录输出幅度变化绘制幅频曲线。十二、常见故障分析与调试技巧12.1 输出波形失真输出波形顶部或底部被削平说明三极管超过了放大区。对 NPN 管共发射极电路如果截止失真通常表现为输出波形正半周被压缩如果饱和失真表现为负半周被压缩。不过具体判断还要结合示波器相位和电路结构。截止失真多因静态工作点过低可减小基极上偏置电阻或增大发射极电阻使 ICQ 增大。饱和失真多因工作点过高或集电极负载电阻过大可调整偏置电阻或减小 RC。判断时先测量 UCEQ若 UCEQ 过低可能偏饱和若 ICQ 过小可能偏截止。根据实际情况调整偏置后再观察输出波形确保正负半周都不失真。12.2 放大倍数偏低可能原因包括耦合电容容量不足信号被衰减。发射极旁路电容开路或容量过小引入交流负反馈。负载电阻过小导致实际增益降低。信号源内阻过大输入信号在源内阻上分压过多。静态工作点不合适三极管未工作在最佳放大区。排查时先用示波器观察输入端和输出端波形判断问题出在输入耦合、放大级还是输出耦合。若发射极旁路电容开路检查电容引脚、焊点和容量若耦合电容容量不足更换更大容量电容。12.3 电路自激振荡高频或高增益电路中可能因为布线寄生参数、电源退耦不良等原因产生自激振荡。表现为无输入信号时输出仍有高频波形。解决方法包括加强电源退耦在电源引脚附近并联 0.1 μF 电容和大容量电解电容。缩短高频信号路径减小分布电容和电感。增加负反馈降低增益提高稳定性。在输入输出之间做好屏蔽和隔离。12.4 三种接法的选择思路需要高电压增益和电流增益时优先选共发射极。需要高输入阻抗、低输出阻抗进行阻抗匹配时优先选共集电极。需要高频放大、宽带放大或恒流源时优先选共基极。需要兼顾增益和带宽的高频放大器可选共射-共基级联。十三、总结三极管放大电路的三种基本接法共发射极、共集电极和共基极是模拟电子技术的重要基础。它们的本质区别在于交流通路中公共端的选择不同。公共端的改变使电路在电压增益、电流增益、输入输出电阻、相位和频率特性等方面呈现不同特点。共发射极电路放大能力最全面是主放大级的首选共集电极电路以高输入电阻、低输出电阻著称是优秀的缓冲级和输出级共基极电路输入电阻低但高频性能最好适合高频放大。实际设计时三种接法往往组合使用以实现更好的整体性能。掌握三种接法的关键在于建立“公共端决定电路性质”的直觉并熟练运用静态分析和微变等效电路两大工具。静态分析确定三极管的工作位置动态分析确定信号放大能力。只有把偏置设计、微变等效模型、输入输出电阻求解、增益计算和频率响应串联起来才能真正理解并灵活运用三极管放大电路。最后建议读者多做计算、仿真和实验。通过理论计算预测结果再用仿真和实测验证在反复对比中加深理解。三极管放大电路的分析方法也会为后续学习场效应管放大电路、差分放大电路、功率放大电路和负反馈等内容打下坚实基础。 
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