射極跟隨器實驗研究與探索

賈 哲，張小勇，游秀芬，柴華溢，朱建華，陳丫丫

(太原學(xué)院，太原 030032)

射極跟隨器[1]是共集電極放大電路，是一種廣泛應(yīng)用的電路。它的輸出電壓通過射極電阻RE轉(zhuǎn)換得來，同時得到得輸出電壓所與輸入電壓同相位，且電路的放大倍數(shù)接近于1所以稱其為射極跟隨器，也是模擬電子技術(shù)的典型電路，因此具有重要的教學(xué)和科研意義。

射極跟隨器電路具有的特點是輸入電阻高，傳遞信號源信號效率高[2]；輸出電阻低，帶負載能力強；電壓放大倍數(shù)接近于1，雖然沒有電壓放大作用，仍有電流放大作用，因而有功率放大作用。因此在實際應(yīng)用電路中通常把射極跟隨器作為多級放大電路的輸入級[3]，減小在測量時對被測電路的影響，提高了測量精度；作為輸出級，提高放大電路帶負載的能力[4]；也可作為電子設(shè)備與負載之間的隔離級，隔離前后級的相互干擾，減小負載的變化對電子設(shè)備工作狀態(tài)的影響，保證電路的正常工作。所以射極跟隨器在電子技術(shù)中的應(yīng)用極為廣泛。

1 射極跟隨器的靜態(tài)工作點分析

射極跟隨器只接入直流電源時的情況，即在三極管的集電極接入電壓Vcc為+12 V,此時電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，各處的電壓和電流都是不變的直流，叫做“直流工作狀態(tài)”或是“靜態(tài)”，這時三極管的各極直流電壓和電流的數(shù)值將在器件特性曲線上確定一點，這點就叫做靜態(tài)工作點。電路圖如圖1所示。

圖 1 直流通路圖Fig.1 Direct current circuit

1.1 直流通路正常工作分析

射極跟隨器直流通路圖[5]中：電源電壓Vcc，基極電阻RB，和發(fā)射極，射極電阻RE，構(gòu)成了輸入回路，同時電源電壓Vcc的正極通過基極電阻RB接入基極也保證了發(fā)射結(jié)正偏；電源電壓Vcc，集電極，發(fā)射極，射極電阻RE，構(gòu)成了輸出回路，電源電壓Vcc正極接入集電極，電源電壓Vcc負極通過射極電阻RE接入集電極。

所示的直流通路可看出，在輸入回路中，其中RB為可變電阻，依據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)及晶體管的電流分配關(guān)系,可得如下公式：(1)和(1)基極電阻RB為可變電阻，通過改變電阻RB的阻值就可以得到不同的基極電流IB.

IB×RB+UBE+IE×RE-Vcc=0

(1)

IB=(Vcc-UBE)/RB+(1+β)RE

(2)

在輸出回路中，其中RE為固定電阻，能將變化的變化的發(fā)射極電流IE轉(zhuǎn)化為集電結(jié)電壓UCE.依據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)及晶體管的電流分配關(guān)系,可得:

UCE+IE×RE-Vcc=0

(3)

UCE=Vcc-IE×RE

(4)

經(jīng)過上述分析，調(diào)整靜態(tài)工作點位置[6]通過改變電阻RB的阻值就可以得到不同的基極電流IB，射極電流IE，射極電壓UE，集電結(jié)電壓UCE.

1.2 直流通路故障分析

1.2.1 晶體管出現(xiàn)故障

晶體管是整個放大電路的核心，要具有放大作用，就必須使晶體管處于放大區(qū)的偏置條件：除了在制造工藝上，要求位于中間的基區(qū)必須做的很薄，而且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)的濃度遠大于集電區(qū)；還需要滿足外部條件發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

當(dāng)三極管出現(xiàn)故障時[7]，無法給放大電路提供合適的靜態(tài)工作點。三極管出現(xiàn)斷路故障時，c-e極、b-c極、b-e極之間斷開不能導(dǎo)通電流。電路中有晶體管的各級的直流電壓發(fā)生改變，當(dāng)b-e極之間斷開，測量電壓時出現(xiàn)基極電壓UB為電源電壓，射極電壓UE為0 V；當(dāng)b-c極之間斷開，測量電壓時出現(xiàn)集電極電壓UC為電源電壓，射極電壓UB為0 V；當(dāng)c-e極之間斷開，測量電壓時出現(xiàn)集電極電壓UC為電源電壓，射極電壓UE為0 V；這時晶體管的基極就不能得到合適的基極電流IB，無法實現(xiàn)交流信號的放大。三極管出現(xiàn)短路故障時，三極管出現(xiàn)斷路故短路故障通常表現(xiàn)為c-e極短路、b-e或b-c極短路。三極管擊穿故障主要是集電極與發(fā)射極之間擊穿。三極管發(fā)生擊穿故障后，集電結(jié)電壓UCE的值就0 V，無法使放大電路有合適的靜態(tài)工作點，從而不能實現(xiàn)線性輸出。

1.2.2 當(dāng)基極電阻RB出現(xiàn)故障

基極電阻RB它的作用是提供大小適當(dāng)?shù)幕鶚O電流，以使放大電路獲得合適的工作點，并使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，本次實驗中，通過改變基極電阻RB的阻值，可獲得不同的基極電流，得到不同的靜態(tài)工作點。當(dāng)基極電阻RB發(fā)生故障時，晶體管的各級的直流電壓發(fā)生改變，主要出現(xiàn)當(dāng)基極電阻RB發(fā)生斷路時基極電壓UB為0 V，當(dāng)基極電阻RB發(fā)生短路時基極電壓UB為電源電壓，這時晶體管的基極就不能得到合適的基極電流IB，也無法給提供放大電路有合適的靜態(tài)工作點，實現(xiàn)交流信號的放大時容易出現(xiàn)失真。

1.2.3 當(dāng)基極電阻RE出現(xiàn)故障

晶體管的發(fā)射極接入電阻RE，在直流通路中，當(dāng)基極電流IB增大時，射極電流IE也會增大，射極電壓UE增大，發(fā)射結(jié)電壓UBE會減小，可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用。在交流通路中因發(fā)射極交流電流Ie需經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓從發(fā)射極輸出，發(fā)射極電阻RE兩端就可得到射極跟隨器的輸出電壓。當(dāng)射極電阻RE發(fā)生故障時，當(dāng)射極電阻RE發(fā)生短路時射極電壓UE為0 V，雖然可得到合適的基極電流IB，提供放大電路有合適的靜態(tài)工作點，無法輸出交流信號的放大。

2 射極跟隨器動態(tài)分析

直流電源Vcc提供工作電壓，保證了合適的靜態(tài)工作點，同時當(dāng)晶體管電路實現(xiàn)交流信號放大時，直流電源Vcc提供放大信號的能量，從而得到了輸出信號。當(dāng)接入交流信號時，射極跟隨器電路輸入端為基極，輸出端為發(fā)射極，而集電極為輸入回路和輸出回路共有的交流接地端，輸出信號取自于發(fā)射極，電路就處在動態(tài)工作狀態(tài)。交流通路的微變等效電路如圖2所示。

圖2 微變等效電路Fig.2 Micro-variation equivalent circuit

2.1 射極輸出器電壓放大倍數(shù)及跟隨范圍

2.1.1 射極輸出器電壓放大倍數(shù)

電壓放大倍數(shù)反映對輸入信號的放大能力，利用微變等效電路法求得圖2所示的射極輸出器的電壓放大倍數(shù)。

(5)

2.1.2 射極輸出器電壓跟隨范圍

本次實驗，采用微課教學(xué)法，錄制視頻放在班級群里，一邊講解一邊實驗，通過改變RB的阻值，使VE的電壓達到6 V，則UCE的取值為6 V左右，UCE的取值在直流負載特性曲線的中點，即為適中的Q點的位置。觀察射極跟隨器輸出電壓Ui跟隨跟隨輸入電壓Ui作線性變化的區(qū)域，逐漸增加ui的幅度，觀察不失真輸出電壓UO；當(dāng)輸入電壓Ui超過一定范圍時，輸出電壓UO就不能跟隨輸入電壓Ui做線性變化，當(dāng)輸入電壓Ui稍微減少時輸出電壓uO就又可實現(xiàn)線性變化，這時就得到了輸出最大不失真電壓，也就是電壓的跟隨范圍。實驗波形如下圖3，測試數(shù)據(jù)如表1.

圖3 跟隨波形比較Fig.3 Following waveform comparison

表1 測試數(shù)據(jù)

通過上述分析,可得射極輸出器在一定范圍內(nèi)具有良好的跟隨輸出性能，其主要作用是將交流電流放大，以提高整個放大電路的帶負載能力。

2.2 射極輸出器的輸入電阻

射極輸出器的輸入電阻Ri，反映對信號源的影響程度，可用微變等效電路計算：

(6)

Ri=RB//[rbe+(1+β)RL]

(7)

由于基極電阻RB接入，輸入電阻Ri也會減少，但是一般也為幾十幾百千歐。

本次實驗中，根據(jù)輸入電阻Ri定義測量。首先保證射極輸出器在正常工作狀態(tài)下，分別用交流毫伏表測出輸入信號源電壓Us輸入電壓Ui計算出輸入電流Ii，即可得出輸入電阻Ri.測試數(shù)據(jù)如表2.

表2 測試數(shù)據(jù)

(8)

實驗結(jié)果表明，輸入電阻Ri的較大，因而從信號源索取的電流小，可以減小信號源的功率容量。在合適靜態(tài)工作點下，可以減少了信號源損失，有效傳輸信號。

2.3 射極輸出器的輸出電阻

射極輸出器的輸出電阻R0，反映了攜帶負載的能力,用微變等效電路計算：

(9)

(10)

由于射電阻RE并聯(lián)接入，可忽略RE的阻值，輸出電阻R0會較小，一般也為幾十幾百歐。

本次實驗中，采取等效電路法來計算輸出電阻R0，如圖4所示。由于射極輸出器的輸出端為負載RL提供電壓，可將射極輸出器的輸出端等效為一個實際電壓源模型，射極輸出器的輸出電阻R0為其內(nèi)阻，串聯(lián)接入負載電阻RL.`保持輸入電壓Ui不變，空載時測出電壓U0為電壓源，然后再測出接入負載電阻RL的電壓UL，即可計算出射極輸出器的輸出電阻R0.測試數(shù)據(jù)如表3.

圖4 輸出電阻等效電路Fig.4 Output resistance equivalent circuit

(11)

表3 測試數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果表明，輸出電阻R0很小，自身會較少輸出能量損耗，所以射極輸出器的帶負載能力就增強，負載RL壓基本穩(wěn)定不變。

3 結(jié)語

本文詳細研究了射極跟隨器電路的直流通路，論述了直流通路正常工作狀態(tài)，通過故障分析法論證如何設(shè)置合適靜態(tài)工作點；同時研究了交流通路中，輸出電壓跟隨輸入電壓的特性，同時通過對比超出跟隨范圍時輸出電壓失真，得到最大不失真電壓；采用等效電路法得出射極跟隨器的輸入電阻高，輸出電阻低的特點。

本次實驗采用故障分析法，微課教學(xué)法方法，一方面充分調(diào)動了學(xué)生對數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器和示波器等實驗儀器的使用的積極性，另一方面加強了學(xué)生的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，及解決實際問題的能力，增強了學(xué)生們創(chuàng)新意識，為進一步的研究提供了基礎(chǔ)。