射極跟隨器也叫共集電極放大電路,具有輸入阻抗高和輸出阻抗低的優點,但不具備電壓放大功能,可以放大電流。下圖是典型的射極跟隨器電路。
一 靜態工作點設定
設計三極管放大電路,首先要確定好靜態工作點。
靜態工作點就是在沒有交流信號輸入時,電路的工作狀態。
靜態工作點的確定要圍繞輸入信號和輸出的規格來確定,為了降低電路分析的難度,這里我們假設負載為純阻性負載,最大±5mA的帶載能力,最大輸出電壓5Vpp。
1.1確定直流偏置電壓VB
為了使得輸入信號中心對稱,從而不會削頂或者截底,一般設置為Vcc/2,計算公式如下:
公式(1)
要求最大輸出為5Vpp,那么電源電壓必須大于5V,為了方便計算,本設計電源電壓采用的11.4V,故VB=5.7V。
1.2 確定射極電流及電阻
三極管在導通狀態下,射級電壓比基級電壓低0.6-0.7V,這里取0.7V,已知最大輸出能力為5mA,增加余量,Ie設定為10mA,計算得RE=500Ω,計算如下:
1.3 確定偏置電阻
設計中選用的是低噪聲NPN三極管,查閱其資料,其β取值150~300之間,這里取300,由Ib=Ic/β得最小Ib=33.3uA,偏置電流與基級電流的關系必須滿足IB>>Ib,這里取10倍(一般10~100倍),即IB=333uA,R1=R2=R,根據公式(1)得R=34.23K,這里取30K。
到這里靜態工作點已經確定完成。
二 動態分析
動態分析是基于靜態工作點來分析的,根據輸出規格5Vpp可知,輸入信號不應超過±2.5V,上面算得靜態偏置電壓為5.7V,那么基級電壓在3.2V~8.2V之間,沒有超過電源電壓,不會產生削頂失真。下面進行詳細分析。
2.1 確定輸入電容
輸入電容Ci和后級電路的輸入阻抗Ri組成了高通濾波電路,其等效電路如下:
該電路的截止頻率fi為:
只要知道截止頻率和輸入阻抗就能求出電容的值,截止頻率設多少都沒關系(注意三極管的頻率特性,只不過一般這樣的電路頻率不會太高),取決于信號的頻率范圍,這里設截止頻率為100Hz(衰減3db)。輸入阻抗Ri就復雜了點,可以這么去分析:輸入阻抗可以看成三個電阻并聯,Ri=R1||R2||Rj,R1和R2是偏置電阻,很好理解,Rj就是三極管的輸入阻抗。Rj的值是很大的,遠大于R1和R2,所以Ri就約等于R1||R2。其實也可以簡單分析一下Rj的數量級,已知射級電阻Re上流過的電流Ie是基級電流Ib的1+β倍,那么在射級電阻上的壓降Ve=Ib(1+β)Re,對于輸入端而言,Ib所產生的電壓為Ib*rbe+Ve=Ib(rbe+(1+β)Re),所以,Ri的等效阻抗就為rbe+(1+β)Re。
在本設計中,β=300,Re=500,Ri=rbe+150.5K,很大的電阻了,故本設計Ri=R1||R2=15K。所以,就可以根據公式(3)求出電容,如下:
2.2 確定輸出電容
輸出電容與負載組成高通濾波電路,負載電阻不確定,故要把輸出電容比輸入電容取大一些,這里取100倍,Co=10uF。為了提高電源的頻率響應,在三極管的集電極并聯了去耦電容。
2.3 最終電路
輸出波形:
不想篇幅太長,下篇《射級跟隨器—分析篇》來仿真分析這個電路,驗證這個電路的正確性以及缺點。特別值得注意的是,雖然射級跟隨器的輸出阻抗可以近似為0,無論負載大小都不會影響輸出,但實際,
當負載過重,輸出信號會被截底,下次詳細分析原因與條件。如下圖:
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