共射放大電路的設(shè)計(jì)

胡劍琦，王麗丹，吳援明

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 611731)

·學(xué)生實(shí)驗(yàn)園地·

共射放大電路的設(shè)計(jì)

胡劍琦，王麗丹，吳援明

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 611731)

共射放大電路是一種基本的放大電路，在電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。文中按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了共射放大電路的設(shè)計(jì)，給出了放大電路詳細(xì)的理論分析過程，并用Multisim進(jìn)行仿真分析，通過仿真分析提出了設(shè)計(jì)方案中的不足。探究給出了采用增加射極跟隨器和改變直流偏置電壓的改進(jìn)方案，對改進(jìn)方案進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真分析。

雙極型晶體管；共射放大電路；電壓增益；射極跟隨器；Multisim仿真

放大電路是在保持信號不失真的前提下，將微弱的電信號(電壓、電流、功率)放大到所需的量級，且功率增益大于1的電子線路。因此，放大電路在電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代通信、自動(dòng)控制、電子測量、生物電子等設(shè)備中不可或缺的組成部分。雙極型晶體管(bipolar junction transistor，BJT)的一個(gè)基本應(yīng)用是構(gòu)成放大器，實(shí)際的各類放大器都是由若干基本放大電路級聯(lián)構(gòu)成的。BJT有三種基本組態(tài)：共射(common emitter，CE)放大器、共基(common base，CB)放大器和共集(common collector，CC)放大器。圖1是一個(gè)基本的采用基極分壓式偏置電路的共射放大器[1]。

本文將按照以下要求設(shè)計(jì)一個(gè)基本共射放大電路：

1)使用2N2222BJT和12 V直流電源。

3)輸入阻抗Ri≥1 kΩ。

4)輸入信號的有效值為5 mV的正弦信號時(shí)，輸出信號Vo的峰-峰值達(dá)到±2 V。

圖1 基本共射放大電路

5)負(fù)載電阻RL=1.5kΩ。

6)如圖1所示，RS=50 Ω，另有信號源內(nèi)阻50 Ω。

1 放大電路的理論分析

如圖1所示，由直流偏置電路，可得：

VCC-VCE=IC(RC+RE)

故電壓增益

又題目要求Ri≥1kΩ，RS=50Ω，另有信號源內(nèi)阻50Ω(以下令RS=50+50=100Ω)，所以

用IV分析儀分析2N2222BJT，測得當(dāng)VCE=2V時(shí)，β的值約為88，代入上式，可得：IE≤2.3mA。

考慮到上述計(jì)算忽略了RB1與RB2并聯(lián)的影響，導(dǎo)致IE的上界變大，為保險(xiǎn)起見，不妨取IE=2mA。事實(shí)上，IE的值越大越好，因?yàn)橛晒?/p>

VCC-VCE=IC(RC+RE)

RC=2.1kΩ，RE=2.9kΩ

再分析直流通路，由戴維南定理可得：

將VBE=0.7V，β=88和之前已經(jīng)計(jì)算出的數(shù)據(jù)代入，得：

由于Ri=RB1//RB2//rbe，故RB1和RB2取值一般較大，不妨取：

RB1=63.5kΩ，RB2=44kΩ。

而電容的分析可以采用時(shí)間常數(shù)法[3]，限于篇幅，不再贅述。

2 Multisim仿真及結(jié)果分析

為了減小輸出波形失真，輸入信號采用5mV有效值的交流電源，電路圖如圖2所示。

圖2 單級共射放大電路

運(yùn)用Multisim仿真[4]測得電壓增益、輸出波形失真以及采用兩次電壓法[5]測得輸入、輸出電阻，如表1所示。

表1 單級放大電路的各項(xiàng)指標(biāo)1)

注：1)表中輸入、輸出電壓均為有效值

通過仿真分析得出：要使得輸出波形失真很小，則輸入的信號不應(yīng)過大，如題目給出的有效值為5mV的正弦小信號較為理想。又因?yàn)殡妷涸鲆媸茇?fù)載電阻影響，而此題目給出的負(fù)載電阻很小，所以無法達(dá)到輸出信號Vo的峰-峰值大于±2V的要求。

會(huì)議最后，各崗位專家及試驗(yàn)站站長分別匯報(bào)了各地的養(yǎng)殖廢棄物資源化利用工作的進(jìn)展情況，企業(yè)試驗(yàn)推廣站、示范基地及企業(yè)代表之間進(jìn)行了深入的交流與探討。

事實(shí)上，VCE并非取的越小越好。因?yàn)閂CE稍取大些，由IV分析儀可以測得β的值會(huì)增大，此時(shí)IE的值就可以取的大一些，從而電壓增益也可能增大。但由于三極管輸出特性曲線是非線性的，若是精確的求解最優(yōu)值將會(huì)非常復(fù)雜。

3 放大電路的改進(jìn)方案

3.1 加入射極跟隨器

上述的單級共射放大電路不能滿足輸出電壓4V的動(dòng)態(tài)范圍，原因之一是負(fù)載RL的值過小，因此考慮增加一級射極跟隨器，使電路的帶負(fù)載能力大大提高[5]。當(dāng)接入射極跟隨器后，RL可以看作無窮大，此時(shí)增益表達(dá)式

當(dāng)RE=0，即不接入射極電阻時(shí)，增益取得最大值。如前考慮，取VCE=3 V，測得的β值約為110?？紤]到輸入電阻，如上文分析，可取IE=2.8 mA，故此時(shí)RC=3.2 kΩ。同上分析：

于是可取RB1=330kΩ，RB2=72kΩ。為了滿足預(yù)設(shè)的VCE=3V的條件，借助Multisim軟件分析，將RB2調(diào)整為56kΩ。

而射極跟隨器的設(shè)計(jì)相對隨意，只需使其對應(yīng)的BJT處于放大狀態(tài)，正確地確定電阻的量級即可，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 帶射極跟隨器的共射放大電路

運(yùn)用Multisim仿真測得電壓增益、輸出波形失真以及采用兩次電壓法測得輸入、輸出電阻，如表2所示。

表2 加入射極跟隨器后放大電路的各項(xiàng)指標(biāo)1)

注：1)表中輸入、輸出電壓均為有效值

通過仿真分析[6]可以得出：增加射極跟隨器后電路的電壓增益大大提高，波形失真在輸入相同的情況下較之前有所減小。但是，仍然無法達(dá)到輸出信號Vo的峰-峰值大于±2V的要求。

3.2 改變直流偏置電壓

上述帶射極跟隨器的電路仍不能滿足題意要求，考慮到是偏置電壓的范圍限制，因此，考慮將直流偏置電壓改作24V，即在電路中采用±12V直流電源，設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 改變直流偏置電壓的放大電路

運(yùn)用Multisim仿真測得電壓增益、輸出波形失真以及采用兩次電壓法測得輸入、輸出電阻，如表3所示。

表3 改變偏置電壓后放大電路的各項(xiàng)指標(biāo)1)

注：1)表中輸入、輸出電壓均為有效值

通過仿真分析可以得出：增大直流偏置電壓后，輸出的動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到4.1V，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且在輸入相等的情況下，輸出波形失真較前兩個(gè)電路有所減小。

4 結(jié)束語

通過對基本共射放大器的設(shè)計(jì)及特性探究，我們可以發(fā)現(xiàn)，基本的共射放大電路結(jié)構(gòu)簡單，但電壓放大倍數(shù)較小，這種簡單放大電路的性能通常難以滿足實(shí)際電路的要求。因此，常將基本組態(tài)放大器作為一級單元電路，通過一定的方式將其連接起來構(gòu)成多級放大器以實(shí)現(xiàn)所需的技術(shù)指標(biāo)。

改進(jìn)方案中加入射極跟隨器，是利用其性能特點(diǎn)進(jìn)行阻抗變換，減小負(fù)載對電壓增益的影響，并且大大提高整個(gè)放大電路的帶負(fù)載能力。在實(shí)際應(yīng)用中，利用其輸入電阻大的特點(diǎn)，常把其作為多級放大電路的第一級，以提高電信號電壓的利用率；或作為電子設(shè)備與負(fù)載之間的隔離級，減小負(fù)載的變化對電子設(shè)備工作狀態(tài)的影響。利用其輸出電阻小的特點(diǎn)，常把其作為放大電路最末級，以提高放大電路的帶負(fù)載能力。

[1]吳援明，唐軍.模擬電路分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.

[3]楊欣，萊·諾克斯，王玉鳳，等.電子設(shè)計(jì)從零開始[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]付揚(yáng).Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(4)：120-126.

[5]苗紅宇，侯麗娟.共射放大電路實(shí)驗(yàn)的仿真研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15(5)：78-80.

[6]崔紅玲.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2008.

Design of Common Emitter Amplifier

HU Jianqi，WANG Lidan，WU Yuanming

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731，China)

This paper demonstrates the general process of designing a single stage Common Emitter Amplifier under certain condition. The paper mainly analyzes the selection of resistors based on β-parameter model considering both DC and AC circuits. Besides, amendments and revisions are introduced to improve the properties of the circuit to meet the standard illustrated below. Specifically, adding emitter-follower and changing of the DC supply is basic concern to maximize the voltage gain. The effect of the circuit will be measured and presented by using Multisim simulation.

bipolar junction transistor；common emitter amplifier；voltage gain；emitter-follower；Multisim simulation

2013-12-31；修改日期: 2014-03-10

胡劍琦(1993-)，男，本科在讀，專業(yè)方向：信息顯示與光電技術(shù)。

TN710.2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.069