射极跟随器及其应用

一、概述

共射极放大电路可以在常规情况下（负载较轻、所需电流较小）时提供较为稳定的电压增益。然而，在遇到较重负载的情况下，或者需要提供较大输出电流时，电路输出往往会失真。此时，需要级联输出增强电路，以提高其带载能力和输出电流的能力、降低输出阻抗，而不影响电压增益。这就是射极输出器（又称射极跟随器）电路的作用。

二、射极输出器原理

最简洁的原理叙述即为基射结电压为定值（一般0.7V）。这就意味着，当三极管工作在放大区时、在小信号输入情况下，基极电位与发射极电位只相差一个固定值，在波形的形状上没有变化。由此，我们在共射极放大电路的基础上进行改造，将输出波形的取出部位改成发射极，并添加适当去耦，在理论上就能获得一模一样的波形。让我们通过仿真软件看看输入输出波形的关系（输入1Vpk，1kHz）：

打开示波器观察波形，红色为输出信号，蓝色为输入信号。由于输出效果里重合度很高，笔者将两个通道分别平移一部分以便比较：

经过仿真，我们有充分理由认为我们的设计是成功的。接下来将介绍射极输出器的设计流程。

三、基本电路设计

射极跟随器的设计要比共射极放大电路的设计简单。总结起来就是“三阻两容一电压”的设计要点：

三阻：两个基极偏置电阻和射极电阻；
两容：去耦电容和耦合电容；
一电压：电源供电电压。

首先，我们根据输入信号的最大摆幅确定供电电压。在单电源情况下，供电电压要略大于输入信号的Vpk以弥补电路非轨到轨的特性。另外，当输出电流较大时，集射间电流较大，故此时集射极损耗可能较大，故必须考虑额定功率的问题。另考虑到兼容性，可以取常见OPA的电源电压，如5V，12V，15V等等。
通过审查集电极功率，可以选择合适的晶体管进行电路搭建。为避免大信号输入使得发射极电位下降到GND而使晶体管被击穿的情况出现，晶体管的额定电压尽量选择不低于电源电压的值。另外要关注集电极的功率损耗。
其次，确定射极电阻。射极电阻是对射极输出器带载能力影响最大的元件，它决定了输出电阻的大小。我们首先给出结论，在下面的部分详细论证：射极电阻最大值为：
RE<RL⋅∣vo∣maxVE−∣vo∣maxR_E<R_L·\dfrac{|v_o|_{max}}{V_E-|v_o|_{max}} RE<RL⋅VE−∣vo∣max∣vo∣max
其中RLR_LRL是负载电阻（或下一级的输入电阻），∣vo∣max|v_o|_{max}∣vo∣max是输入信号的最大值，VEV_EVE是发射极静态电位，由基极静态电位确定，一般是供电电压的一半减去基射结压降。
最后，根据工作频率确定耦合、去耦电容即可。

四、射极输出器的性能及优化

1、较重负载情况分析

尽管我们认为射极输出器的输出电阻很小（无论接上多大的负载都不会有增益衰减的现象），但在实际情况中，射极输出器的输出和负载关系很大。当输入信号摆幅较大，或负载较重时，输出很可能出现削波现象，比如（输入1Vpk，1kHz）：

在上述电路中，我们在输出端加上了一个91Ω的负载，这是相当重的负载了。下面让我们观察其波形：

可见，此时波形发生了严重的失真，下半部分被严重地削去了。这种情况出现的原因是，输出端电容两端始终有一个VEV_EVE大小的电位差，这使得负载电阻上的电流可以是从上到下，也可以是从下到上（交流耦合作用）。注意，射极输出器工作的条件是位于放大区，也即发射极电阻上的电流必须从上向下流。当负载电阻回灌电流大于此时发射极电阻上的电流时，由基尔霍夫电流定律，此时发射极的电流不再是流出，而是流入了，显然此时晶体管不再位于放大区而产生了截止。因此，要想保证波形不失真，必须满足：
−voRL<vo+VERE-\dfrac{v_o}{R_L}<\dfrac{v_o+V_E}{R_E} −RLvo<REvo+VE
注意，此时vov_ovo处于负半周，是负值，在极限条件下取为∣vo∣max|v_o|_{max}∣vo∣max即可。经过化简，我们可以得到第三节中的式子。因此，在设计发射极电阻时，一定要考虑所接负载的大小和输入信号的最大值，避免波形的失真。
回到我们上面的电路，如要不失真的最小负载电阻值应为多少呢？不难算出是1.11kΩ左右。我们换成1.2kΩ的电阻观察效果：

可见，失真问题已经解决了。

2、有源负载代替射极电阻

除了根据公式对射极电阻进行设计，用恒流源代替射极电阻来提供一个稳定的射极电流也是一个好的选择。当然，设计的原则依然是保证射极输出器工作在放大区，也即负载的回灌电流要小于设计的恒流源电流。不妨看下面这个电路，它能轻松带起50Ω的负载（输入1Vpk，1kHz，供电15V）：

恒流电路可以提高电路的效率，减少损耗。恒流源部分的射极电位也设置在一至数V即可。

3、推挽的射极跟随器及改进

以上讨论的电路在整个信号周期内晶体管均导通，称为甲类工作状态。而推挽的射极跟随器在一个信号周期内，每个管仅有一半时间导通，称为乙类工作状态。推挽电路理论上能带任意重的负载，但在实际设计的时候仍要关注具体参数。
推挽互补晶体管电路并非提供了固定大小的电流，而是提高了电路输出电流的能力（上限），同时减小了静态功耗。
由于在0V附近时，两管均处于截止状态，故会产生交越失真。只需用二极管压降来抵消即可。

进一步地，若用同种管的基射结作为抗交越失真二极管使用，则可以获得能处理直流信号的、高频性能良好的缓冲放大器。

4、射极跟随器与运放的结合

运放作为常用的放大器件，在电路中常用来提供电压增益；然而它的输出电流并不大，不能带动较重的负载。此时，可以级联一个射极跟随器来提供较大的输出电流，从而提高带载能力。

①射极跟随器的组合

较为简便的单管接法，可以方便快捷地增大输出电流，尽管其能带动的最重负载仍受射极输出器的射极电阻的影响，但设计原则和方法都没有太大变动：

要注意的是放大器的反馈接法，接在了射极输出器的输出端，这使得整个电路的输出信号和输入信号的比值仍服从运放的反馈电阻的设计。这种接法常见于两级放大器的级联，可以控制其中某个放大器的增益变化。此外，在反馈回路的9.1k电阻两端可以并联一个10pF的电容来提供轻微相位补偿。

②推挽射极跟随器与放大器的结合

采用推挽接法可以更好地提高带载能力，输出电流也非常大。

注意上图里电路的交越失真由于负反馈的作用而变得很小。

上图里的四个二极管可以彻底清除交越失真。基极偏置电流通过正负电源和四个二极管的总压降来求得。而两个200Ω电阻是为了防止热击穿，但从而也使得带载能力受限。

五、总结

射极跟随器类似于运放的跟随器，具有一定的隔离作用，能够进行阻抗变换/电流放大等。尤其是在功率放大器电路中，射极输出器是基础的电路结构。

风扬江渊
2020.4.16

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