如今在三極管的應(yīng)用電路中，越來越多的開關(guān)電路被MOSFET取代。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)為壓控型器件，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，速度快，驅(qū)動(dòng)能耗低，因此更加廣泛的應(yīng)用在開關(guān)電路中。 本文將對(duì)一些三極管典型的放大應(yīng)用電路進(jìn)行比較深入和分析和仿真。

1、基本放大電路

回顧一下學(xué)校的課程知識(shí)，基本三極管的電路圍繞著三種基本的放大電路進(jìn)行學(xué)習(xí)：共射極放大電路，共集極放大電路，共基極放大電路。 這三大電路在分立晶體管時(shí)代應(yīng)用十足的廣泛，現(xiàn)在基本已經(jīng)被性能更強(qiáng)大和穩(wěn)定的OPA電路所取代，或者在各種模擬IC里面才能找到它的身影。

OPA簡(jiǎn)單易用，但是想要更深入地了解OPA，我們有必要“溫故而知新”。

在進(jìn)行三種基本的放大電路分析之前，我們需要明確一個(gè)基本的準(zhǔn)則：三極管是一個(gè)受控的電流源! 需要注意的是這個(gè)受控電流源是有邊界的(電壓軌)!基于這兩個(gè)基本的準(zhǔn)則，不管什么樣的三極管放大電流都可以分析的明明白白。

1.1 共射極放大電路

如下圖1.1所示，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的共射極電路模型，其包含了一個(gè)放大電路最基本的結(jié)構(gòu)：偏置-輸入-轉(zhuǎn)換-輸出。 Vbias為偏置電壓，偏置電壓的作用是確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。 為什么(放大)電路需要靜態(tài)工作點(diǎn)呢? 因?yàn)樾枰w管工作在“線性區(qū)”，一旦晶體管工作在線性區(qū)，根據(jù)《電路》理論就可以直接將電路問題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)問題了。

輸入電壓V1和偏置電壓Vbias可以利用疊加定理：Vout=Vout(V1響應(yīng)分量)+Vout(Vbias響應(yīng)分量)。 其中，Vbias為直流分量，V1為交流分量，我們先將輸入信號(hào)拆分成直流+交流的形式，這一點(diǎn)很重要。

關(guān)于BJT晶體管上一節(jié)我們講過：在線性工作區(qū)滿足Ic=β*Ib的受控恒流源模型。

這個(gè)時(shí)候我們控制Vbias在一個(gè)中間值狀態(tài)，也即是Ib(bias)=(Vbias-0.7V)/R1=1.8mA，Ic(bias)=β*Ib(bias)，該電流即是電路的靜態(tài)工作電流。 三極管的關(guān)鍵參數(shù)β是使用DC Gain=hFE進(jìn)行表示的，這里說明一下對(duì)于低頻放大電路不考慮三極管器件本身的寄生參數(shù)影響(帶寬無限大)!所以，進(jìn)行交流分析三極管的“AC Gain”=DC Gain=hFE。 一般三極管的hFE根據(jù)管子的應(yīng)用場(chǎng)景不同，大約在幾十到幾百之間。

靜態(tài)工作點(diǎn)我們已經(jīng)根據(jù)電路原理算出來了，那么交流電路是不是可以通過同樣的電路求解方法呢? 當(dāng)然可以! 但是，為什么課本上總是告訴我們：“交流等效電路需要將VCC和GND短路”?其實(shí)，這里面需要一個(gè)前提條件：小信號(hào)! 何為小信號(hào)，就是我們認(rèn)為這個(gè)輸入信號(hào)的交流量V1足夠小，不足以改變?nèi)龢O管電路工作狀態(tài)，保持在“線性工作區(qū)”。 保持在線性工作區(qū)的三極管交流電路，Vbias=0(也即是短路)，同樣Vcc也是認(rèn)為是直流電壓源，在直流偏置電路中已經(jīng)完成了直流量的響應(yīng)計(jì)算! 因此也需要Vcc=0(也即是短路)。 那么可以得到圖1.2所示的小信號(hào)交流電路模型! 至此，完成了一個(gè)典型三極管放大電路的分析和求解過程，仿真結(jié)果如圖1.3所示，可以看出輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位是相反的。

圖1.1 共射極放大電路

圖1.2 共射極放大電路小信號(hào)等效

圖1.3 共射極放大電路的仿真輸出

1.2 共集極放大電路

如圖1.4所示，為集電極放大電路，和共射極電路相比該電路將集電極直接接入Vcc1，那么由小信號(hào)等效電路可知Q2的集電極將短接到GND，成為參考平面，因此為共集電極放大電路。 可以看出，隨著Vin1的增加，Ic電流增加，Ie電流增加，Vout1電壓增加，輸出信號(hào)Vout1和輸入信號(hào)Vin1同相位。 如圖1.5所示，為電路的仿真波形。

從波形上可以看出輸入和輸出基本上保持了一致，存在一定的固定電壓差(三極管的BE壓降)，由于輸出機(jī)為三極管的發(fā)射極，因此該電路也被稱為“射極跟隨器”。 幾乎沒有放大的作用! 但是，其優(yōu)秀的阻抗特性可以用于各種緩沖級(jí)電路中。 對(duì)于大增益的三極管Ib電流可以控制非常小≈0，因此理想情況下輸入阻抗無窮大; 而輸出直接從發(fā)射極引出，沒有其他線路分走電壓，因此輸出阻抗近似無窮小。 這個(gè)特性幾乎不影響前級(jí)的輸出信號(hào)，同時(shí)具有很強(qiáng)的后級(jí)帶載能力!

圖1.4 共集電極放大電路

圖1.5 共集電極放大電路仿真輸出

1.3 共基極放大電路

如圖1.6所示，為共基極放大電路。 從結(jié)構(gòu)上看，Vbias2提供直流偏置點(diǎn)，在小信號(hào)電路中Q3的基極接到GND，因此為共基極放大電路。 先看下如圖1.7所示的仿真波形，可以看出輸出的波形和輸入的波形是同相位的，由于Ic≈Ie，因此交流放大倍數(shù)約等于R6/R7=5。

圖1.6 共基極放大電路

圖1.7 共基極放大電路仿真輸出

同樣都有放大信號(hào)的作用，共射極放大電路和共基極放大電路有什么區(qū)別呢?

在實(shí)際的放大電路中，需要將交流信號(hào)在直流偏置點(diǎn)上進(jìn)行疊加，電路的關(guān)鍵在于交流耦合。這里引申下交流耦合，實(shí)際電路中沒辦法設(shè)置很多的偏置電源進(jìn)行工作點(diǎn)確定，如圖1.8是兩個(gè)實(shí)用的共射極放大電路，左圖為直接耦合，Rb1,Rb2分壓為電路提供直流偏置點(diǎn)，u1作為輸入信號(hào)如果含有直流分量，那么電路的直流偏置點(diǎn)將會(huì)發(fā)生“漂移”，這可能導(dǎo)致電路離開線性工作區(qū)，這是我們不希望看到。因此，我們更常用的是使用右圖的阻容耦合形式，Rb確定電路的直流偏置點(diǎn)，u1的交流分量通過C1進(jìn)行疊加，這將不會(huì)影響到原來電路的直流偏置點(diǎn)，能夠很安全的將電路保持在“線性工作區(qū)”。但是這里有一個(gè)問題，C1和Rb構(gòu)成了RC濾波器結(jié)構(gòu)，這就注定該電路的頻率帶寬不能做得太高!

圖1.8 共射極的兩種耦合形式

回到共基極放大電路進(jìn)行分析，如圖1.9
所示為兩種三極管的共基極電路。Rb1和Rb2構(gòu)成了電路的直流偏置電壓，Cb為去耦電容，Cb的交流阻抗≈0，將Rb2電阻短路。由于發(fā)射極的交流阻抗為零，因此和耦合電容無法構(gòu)成RC濾波器(R=0)，帶寬可以獲得極大的提高(約等于三極管自身的帶寬)。但是輸入阻抗很小，對(duì)前級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力要求比較高，同時(shí)輸出阻抗為Rc，和共射極放大電路相當(dāng)。

圖1.9 共基極放大電路的交流耦合

2、基本放大電路的應(yīng)用比較

我們稍微比較下三種基本的放大電路，這里引用了參考資料5里面的結(jié)論：

(1)共射電路：

電壓增益和電流增益都較高，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關(guān)系。由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，它是最常用的一種組態(tài)，而且還可以將多個(gè)共射放大器級(jí)聯(lián)起來，構(gòu)成多級(jí)放大器，以獲得更高的增益。

(2)共集電路：

只放大電流、不放大電壓，有電壓跟隨作用。所以不能用多個(gè)共集電路組成多級(jí)放大電路。但其在三種組態(tài)中，輸入電阻最高，輸出電阻最小，常用于多級(jí)電路輸入級(jí)、輸出級(jí)，以及作中間緩沖級(jí)。

(3)共基電路：

只放大電壓，不放大電流，有電流跟隨作用，所以也不宜單純由共基電路組成多級(jí)電路。 其輸入電阻小，輸出電阻高,
可用作恒流源。 從目前我們所看到的這些特性，還看不出它突出的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際上共基放大電路的通頻帶很寬，在高頻和寬帶的領(lǐng)域，它是大有用武之地的。

如圖2.1所示，為三種基本放大電路的參數(shù)比較。

圖2.1 基本放大電路的比較