共射放大電路中耦合電容問題分析

秦國防，張慶勝

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源，459000）

0 前言

放大電路是信號(hào)傳輸與處理中的關(guān)鍵部件，它能把微弱的電信號(hào)增強(qiáng)到所需要的數(shù)值，并且保持輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的波形相同。

將交流信號(hào)從前一級(jí)傳輸?shù)较乱患?jí)的過程叫耦合。耦合的方法有直接耦合、電容耦合和變壓器耦合。直接耦合效率最高，但前后兩級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響；而電容器耦合或變壓器耦合，能使前后級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互隔離，并使交流信號(hào)順利通過。但不同的是，用電容傳輸信號(hào)會(huì)有相移發(fā)生；用變壓器傳輸時(shí)信號(hào)的高頻成分會(huì)產(chǎn)生損失[1]。而小信號(hào)傳輸時(shí)，用電容器作為耦合元件，信號(hào)所受相移影響可以忽略。

下面詳細(xì)闡述，作為放大低頻小信號(hào)（一般幾mV,到幾十mV）的阻容耦合共發(fā)射極放大電路的耦合電容。

1 耦合電容的極性方位

NPN晶體管構(gòu)成的阻容耦合共射放大電路如圖1所示。要使晶體管處于放大狀態(tài)，必定滿足集電極電位VC>基極電位VB>發(fā)射極電位VE。由于研究的信號(hào)源是低頻小信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度不影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，無論放大電路中加入或未加入動(dòng)態(tài)信號(hào)，電容兩端的電壓基本保持不變。故極性電容放置的位置關(guān)系，主要由靜態(tài)時(shí)電容兩極所處位置的電位高低決定。所以電解電容的正極一端接高電位，電容負(fù)極一端接低電位。

圖1 NPN 阻容耦合共射放大電路

輸入耦合電容C1與信號(hào)源、晶體管的發(fā)射結(jié)，構(gòu)成輸入閉合回路。由于是小信號(hào)，晶體管的靜態(tài)基極電位始終高于信號(hào)源正極電位。所以，耦合電容C1的正極接晶體管的基極。

輸出耦合電容C2與晶體管的集電極到發(fā)射極之間部分、負(fù)載，構(gòu)成輸出閉合回路。晶體管的集電極電位始終是輸出回路的高電位端。所以，耦合電容C2的正極接晶體管的集電極[2]。

PNP 晶體管構(gòu)成的阻容耦合共射放大電路，電容的極性方位與NPN 的相反，如圖2 所示。

圖2 PNP 阻容耦合共射放大電路

圖3 是NPN 阻容耦合共射放大電路的multisim 仿真檢測(cè)電路。

圖3 NPN 阻容耦合共射放大電路的檢測(cè)電路

2 耦合電容的作用

在NPN 晶體管構(gòu)成的阻容耦合共射放大電路中，一方面，耦合電容C1用來隔斷信號(hào)源與放大電路之間的直流通路，耦合電容C2用來隔斷放大電路與負(fù)載之間的直流通路。另一方面，耦合電容C1、C2又保證交流信號(hào)順暢地經(jīng)過放大電路。

電源兩極間的電壓是由電源自身決定的，無論是直流電源還是交流電源。換句話說，電源兩極間的電壓具有鉗位作用，電源兩極接到哪里，那兩端的電壓就等于電源兩極間的電壓。信號(hào)源也具有此性質(zhì)。

在NPN 晶體管構(gòu)成的共射放大電路中，如果不加耦合電容C1，信號(hào)源與放大電路直接耦合，信號(hào)不失真地傳輸給放大電路。但信號(hào)源兩極直接接到了晶體管的基極與發(fā)射極?；鶚O與發(fā)射極之間的電壓，就被信號(hào)源電壓鉗制，而等于信號(hào)源電壓。由于信號(hào)源是小信號(hào)，信號(hào)源任意時(shí)刻的電壓都不足以使晶體管的發(fā)射結(jié)正向?qū)?，所以放大電路始終處于截止?fàn)顟B(tài)，信號(hào)就不能被放大，輸出為零。也即，如果沒有輸入耦合電容，信號(hào)源電壓會(huì)影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，使放大電路不能正常工作[3]。

圖5 是沒有輸入耦合電容時(shí)Multisim 仿真的輸入輸出波形。很明顯，此時(shí)雖有輸入波，但無輸出波。發(fā)射結(jié)電壓被信號(hào)源電壓鉗制，測(cè)量得到有效值等于14.142mV，如圖4 所示。

圖4 無輸入耦合電容發(fā)射結(jié)電壓仿真測(cè)試結(jié)果

圖5 無輸入耦合電容時(shí)輸入輸出波形仿真測(cè)試結(jié)果

加上輸入耦合電容后，信號(hào)源電壓不能對(duì)基極鉗位，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不受信號(hào)源的影響。圖6 是加入輸入耦合電容時(shí)Multisim 仿真的輸入輸出波形，此時(shí)輸入波與前述比較沒有發(fā)生變化，但輸出是被放大了的與輸入相同的波形。

圖6 有輸入耦合電容時(shí)輸入輸出波形及A 通道（綠色）參數(shù)呈現(xiàn)

如果沒有輸出耦合電容C2，負(fù)載承受的電壓就是放大后的信號(hào)電壓與靜態(tài)直流電壓的疊加，輸出波形嚴(yán)重失真，甚至還會(huì)燒壞負(fù)載。圖7 是沒有輸出耦合電容時(shí)Multisim仿真的輸入輸出波形。

圖7 沒有輸出耦合電容時(shí)Multisim 仿真的輸入輸出波形

3 耦合電容的取值

電容耦合實(shí)際構(gòu)成的是阻容耦合電路，由電阻和電容構(gòu)成。輸入耦合電容C1和放大電路的輸入阻抗Ri構(gòu)成阻容耦合電路，如圖8 所示；輸出耦合電容C2和負(fù)載電阻RL構(gòu)成阻容耦合電路，如圖9 所示。它們分別等效于高通濾波電路。

圖8 輸入端阻容耦合電路的等效電路

圖9 輸出端阻容耦合電路的等效電路

圖8 中，輸入耦合電容和輸入電阻構(gòu)成了典型的分壓電路，加到這一分壓電路的輸入信號(hào)Ui是信號(hào)源的電壓；它的輸出的信號(hào)Uo，對(duì)下一級(jí)放大電路而言是凈輸入信號(hào)，這一信號(hào)愈大，信號(hào)通過耦合電容產(chǎn)生的損耗愈小。

根據(jù)分壓電路特性可知，當(dāng)放大器輸入阻抗Ri大小一定時(shí)，如果耦合電容容量太小，耦合電容對(duì)低頻信號(hào)的阻礙就會(huì)很大，信號(hào)通過時(shí)衰減很多，甚至不能通過。耦合電容C1容量越大，其容抗越小，信號(hào)在耦合電容C1上的衰減就越少[4]。所以，要求耦合電容的容量要足夠大，這樣信號(hào)通過耦合電容時(shí)幾乎不發(fā)生衰減。因此，耦合電容一般由容量值較大的電解電容充當(dāng)。電解電容具有極性，使用時(shí)必須按照前述第一部分的方位要求進(jìn)行放置。

但輸入耦合電容C1也不是選擇越大越好。由于電容的工作原理是充電、放電過程，電容過大時(shí)，會(huì)使充電時(shí)間過長(zhǎng)，電路的反應(yīng)變得非常緩慢，甚至初始階段電路不能工作。所以耦合電容大小，應(yīng)該是保證輸入信號(hào)經(jīng)過耦合電容后不出現(xiàn)衰減的最小容量值，通常選擇幾微法或幾十微法。

當(dāng)放大器的輸入阻抗比較大時(shí)，可以適當(dāng)減小耦合電容的容量，從而使耦合電容的漏電電流減小。因?yàn)殡娙莸穆╇婋娏魇请S其容量增大而增大的。耦合電容的漏電流也即電路噪聲。電容容量越大，放大器的噪聲就愈大。

輸出耦合電容C2形成的高通濾波器與輸出負(fù)載有密切關(guān)系，在選擇C2時(shí)要結(jié)合所接負(fù)載的情況進(jìn)行。

4 結(jié)束語

對(duì)構(gòu)成電路元器件的認(rèn)識(shí)，是電路設(shè)計(jì)者和分析應(yīng)用人員必須熟練掌握的內(nèi)容。本文對(duì)阻容耦合共射放大電路中的耦合電容，從極性方位、功能及取值等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，這些都是教材上一句話帶過、極少講解的部分。同時(shí)應(yīng)用Multisim 仿真軟件進(jìn)行了直觀地顯示。以期讀者對(duì)耦合電容有一個(gè)深入的學(xué)習(xí)與理解，設(shè)計(jì)及應(yīng)用起來更加得心應(yīng)手。