晶体三极管共射放大电路（共射基本放大电路）的研究与设计

_{这家伙竟然开始搞模电了！}

简报-0

模电，又称模拟电子技术基础，是一种常年横行与各大高校电子类专业之中，以其多亚种变种、食量巨大、胃口丰富、生命周期奇长而令众多大雪参闻风丧胆，谈模色变。若是不及时处理好身边残余的模电，天灾生物卦蝌就会被吸引到大雪参的身边，将其吞噬，或者进入到最靠近退雪的阶段：捕烤。所以，作为高中物理3-1、3-2的进化版电子技术基础的进化版模拟电子技术基础，大雪参们要全力以赴将其在身边彻底清除。为了保护众多大雪参（包括俺自己），特别推出此专栏，以此记。

简报

本科阶段的模拟电子技术基础，主要是对基于晶体管的各种电路进行分析与计算。其中，由于对实际工程较为贴近，所以大（我）多（们）数学校淡化了计算的精度，着重强调了理论与性质的应用。至于晶体管，二极管的性质过于简单（高频时PN结的电容特性，正向压降，反向截止与击穿与稳压），所以笔者决定就从（晶体）三极管入手，通过一个实验的分析，对三极管的性质进行深入的讲解。

电流的放大作用

基本工作原理

上面的电路图中，笔者将基极作为共地端，利用三极管、电阻、直流电压源构成了一个简单的共基极放大电路。在电路中，鉴于电流在导线中的微观表现形势为电子的定向移动，对电子进行分析显然是一个更直观的选择。首先，发射极E通过V_EE提供电流，得到了电子电流I_EN。但I_E并不是完全转化为了I_EN。由于发射结正向偏置（基极B电位显然低于发射极E电位，具体原因后面分析），所以多子的扩散作用显著，在产生电子电流的情况下，发射结的P极也产生了空穴的扩散电流I_EP。I_EN与I_EP共同构成了发射极电流I_E，得到第一个等式：

I_E=I_EN+I_EP

继续向后分析。当电子电流进入到基区所在的P型半导体中时，由于基区：
1.空穴浓度低
2.薄
进入基区的电子电流I_EN中极少的电子与基区的空穴结合，形成基极电子电流I_BN，大部分电子在集电结反偏电压作用下进入到了集电区，形成集电极电子电流I_CN。另外，由于集电结反偏，少子的漂移运动较为显著，表现为在基区形成了少子电子与集电极少子空穴漂移运动而共同产生的漂移电流（集电结反向饱和电流）I_CBO。另外，由于发射结正偏，存在空穴的扩散电流I_EP。这三个电流（I_BN、I_CBO、I_EP）共同构成了基区电流I_B，根据电流流向，得到第二个等式：

I_B=I_BN–I_CBO+I_EP

继续分析。根据上述关系，空穴漂移电流I_CBO流入基极，电子流入集电极导致电子电流I_CN流入基极，这两个电流共同构成了集电极电流I_C，根据电流方向得到等式：

I_C=I_CN+I_CBO

这时，我们对以上三个方程进行联立，可以得到式子：

I_E=I_B–I_BN+I_C–I_CN+I_EN

而对于I_EN，经过对电流的分析我们可以发现，其在进入基极后，分为了两个电子电流部分，分别为I_CN与I_BN。于是我们又可以得到等式：

I_EN=I_CN+I_BN

再次联立，我们便可以得到双极型晶体管三级电流之间的关系：

I_E=I_B+I_C

想要对其进行验证也是一件很简单的事情。直接基尔霍夫KCL就行了~

交流电流放大倍数

首先我们需要明确一个概念，就是当三极管工作在放大状态时三极电流之间存在一定的比例关系。这个比例关系大部分高校的教材（笔者曾在学校图书馆查阅了不下六本不同的模电教材，只有一本在2000年或者更早时期出版的书中对三极管的直流放大倍数产生原因有简略的介绍，而且晦涩难懂。因此，笔者决定使用一种更加易于接受的方法对三极管放大倍数产生的原理进行讲解。可能存在很大的不合理的地方，但在某种意义上也是可以说得通的。各位读者如果发现这套理解方法存在错误之处，欢迎联系笔者进行指正。）
首先众多的研究人员为我们提供了这张图片：

图源：《模拟电子技术基础》哈尔滨工业大学教研室编高等教育出版社

这是NPN型晶体管的共射输出特性曲线（多条不同的曲线）与输出回路的直流负载线（一条倾斜的直线）共同构成的图形。根据共射输出特性曲线不难看出，当集电结反偏电压达到一定值，即集电结反偏且导通后，集电极电流与基极电流有类似线性的关系。我们称这一比例为三极管的交流电流放大倍数，用希腊字母β表示。即：

I_C=βI_B

直流电流放大倍数与交流电流放大倍数差别不大，一般用同一值表示。
以上便是三极管工作的基本原理。通过 I_C=βI_B 与 I_E=I_B+I_C ，我们可以对三极管的一些电路进行分析。鉴于本文主要介绍晶体三极管共射放大电路的研究与设计，不再对三极管的工作原理进行赘述。

分压偏置共射基本放大电路

电路

这是用NI Multisim设计的电路图

由于分压偏置共射基本放大电路放大倍数在几十到几千，所以应当输入交流小信号进行试验，以免在实际试验中输出较大交流电压损坏期间，甚至对实验者人身安全造成威胁。另外，由于使用交流小信号，一般实验室的示波器与信号源内部往往存在较大噪声信号，且在电路连接过程中，根据电磁场理论，错综复杂的线路等效而成的线圈产生的磁场足以对实验的交流小信号造成干扰。所以应当时常调整示波器触发源，确保输出波形稳定。另外，由于噪声的干扰，在对输入输出信号峰峰值进行测量时，应当尽量使用光标方式测量，选曲线峰值区域的中心位置进行测量。

_{麦克斯韦方程组，式二为法拉第电磁感应定律}

静态工作点设置

由于各个三极管的性质不同，不同厂商的品控也存在差异，所以在设置静态工作点时我们应当秉持闭着眼睛走楼梯的原则，通过对基极电阻的调试，慢慢的将静态工作点调整出来。具体方法为：

连接电路，此时输入信号应当为0，直流电压设置为12V。
输入交流小信号（笔者采用30mV，1kHz的信号，实际实验中也是相同数值），通过示波器的CH1观察输入波形，通过示波器CH2观察输出波形（实际实验中，在输入端口充足的情况下尽量使用CH1固定观察输入波形，这样操作更加规范，同时也可及时发现因信号源不稳定造成的输出紊乱的现象）
调整电位器R3（R3选多少阻值都可以，毕竟本身还是一个滑动变阻器），观察输出波形，当输出波形峰峰值最大时，停止调整R3，此时电路为三极管设置的电压即为静态工作点附近的电压值（实际操作中，可能会出现增大或减小R3时，示波器显示输出峰峰值为固定值且为最大值，这时估算一个中间点即可）
测量三极电压，从而记录该电路的静态工作点（注意要以地面为电势零点进行测量）

负载10kΩ时电压放大倍数测量

断开S2，调整输入信号峰峰值，直至输入三极管基极的信号有效值为10mV，此时测量输出信号有效值，二者之比即为分压偏置共射基本放大电路放大倍数。

小结

以上为模拟电子技术基础实验晶体三极管共射放大电路（共射基本放大电路）的研究与设计的讲解。主要侧重研究部分（好像没有讲设计。。。），但是根据三极管工作原理，类比分压偏置共射基本放大电路，对电阻进行调整之后，还是能够进行理论电路的设计的。实际应用中，由于三极管收到温度影响较为严重，常常出现零点漂移（零漂、温漂）的情况。为了消除温度的影响，往往采用上述分压偏置共射基本放大电路或热敏元件补偿或差分放大电路的形势进行修正。但应用最多的还是差分放大电路。笔者接触较多的差分放大电路就是两个共射基本放大电路相对进行连接，共V_EE共Vcc，可双输出可单输出，可双输入可单输入。应用以上内容，亦可对其进行研究与分析。