共集电极放大电路与Multisim仿真学习笔记

前言

上一篇写了共射极放大电路的设计，本篇就写共集电极放大电路吧
晶体管放大电路与Multisim仿真学习笔记

共集电极放大电路的基本原理

下图为共集电极放大电路

共集电极放大电路输出信号是从发射极取出的，且没有集电极负载电阻RcR_cRc（因为输出信号是从发射极取出的，若留有集电极负载电阻，则RcR_cRc会有压降造成损耗）。

静态分析

下图为直流通路

静态基极电流：
IBQ=VCC−UBEQRb+(1+β)ReI_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e}IBQ=Rb+(1+β)ReVCC−UBEQ
静态集电极电流：
ICQ≈βIBQ≈IEQI_{CQ}\approx{{\beta}I_{BQ}}{\approx}I_{EQ}ICQ≈βIBQ≈IEQ
集电极与发射极间的电压：
UCEQ=VCC−IEQReU_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}{R_e}UCEQ=VCC−IEQRe

动态分析

其微变等效电路如下

其中Rs′=Rs//RbR^\prime_s=R_s//R_bRs′=Rs//Rb，Re′=Re//RLR^\prime_e=R_e//R_LRe′=Re//RL
电流放大倍数：A˙i=I˙oI˙i=−I˙eI˙b=−(1+β)\dot{A}_i=\frac{\dot{I}_o}{\dot{I}_i}=\frac{-\dot{I}_e}{\dot{I}_b}=-(1+\beta)A˙i=I˙iI˙o=I˙b−I˙e=−(1+β)
输入电压：U˙i=I˙eRe′=(1+β)I˙bRe′\dot{U}_i=\dot{I}_eR^{\prime}_e=(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_eU˙i=I˙eRe′=(1+β)I˙bRe′
输出电压：U˙o=I˙brbe+I˙eRe′=I˙brbe+(1+β)I˙bRe′\dot{U}_o=\dot{I}_br_{be}+\dot{I}_eR^{\prime}_e=\dot{I}_br_{be}+(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_eU˙o=I˙brbe+I˙eRe′=I˙brbe+(1+β)I˙bRe′
电压放大倍数：A˙u=U˙oU˙i=−(1+β)Re′rbe+(1+β)Re′\dot{A}_u=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i}=-\frac{(1+\beta)R^{\prime}_e}{r_{be}+(1+\beta)R^{\prime}_e}A˙u=U˙iU˙o=−rbe+(1+β)Re′(1+β)Re′
可见共集电极放大电路具有电流放大作用，但其电压放大倍数恒小于1而接近1，且输出电压与输入电压同相，故又称之为射极跟随器
输入电阻：Ri=(rbe+(1+β)Re′)//RbR_i=(r_{be}+(1+\beta)R^\prime_e)//R_bRi=(rbe+(1+β)Re′)//Rb
输出电阻：Ro=rbe+Rs′1+β//ReR_o=\frac{r_{be}+R^\prime_s}{1+\beta}//R_eRo=1+βrbe+Rs′//Re
可见射极跟随器输入电阻很高，输出电阻很低。

电路设计

基本电路图如下

例：设计最大输出电压2Vp−p2V_{p-p}2Vp−p，最大输出电流为±2mA\pm2mA±2mA（1kΩ1k\Omega1kΩ负载）的射极跟随器。

1. 确定直流电源电压

主要考虑集电极与发射极间的饱和电压UCEU_{CE}UCE和该电路的最大输出电流。这里选用12V电源电压。

2. 选择晶体管

考虑最大额定值（IEI_{E}IE，UCBOU_{CBO}UCBO，UCEOU_{CEO}UCEO，UEBOU_{EBO}UEBO）。这里选用通用小信号晶体管2N5551

3. 确定发射极电流工作点

电路的最大输出电流为±2mA\pm2mA±2mA，这里取IE=8mAI_E=8mAIE=8mA。

4. 确定ReR_eRe

为分别计算和得到最佳的静态工作点，取UB=VCC2=6VU_{B}=\frac{V_{CC}}{2}=6VUB=2VCC=6V，所以UE=UB−UBE=5.3VU_E=U_{B}-U_{BE}=5.3VUE=UB−UBE=5.3V，所以RE=UEIE=5.3V8mA=662.5ΩR_E=\frac{U_E}{I_E}=\frac{5.3V}{8mA}=662.5\OmegaRE=IEUE=8mA5.3V=662.5Ω取标称电阻得RE=620ΩR_E=620\OmegaRE=620Ω。

5. 基极偏置电路的设计

由上一篇写的博客可知，β\betaβ大约为133，所以IBI_BIB取60uA，所以R2=UBI1=6V0.54mA=11.1kΩR_2=\frac{U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.54mA}=11.1k\OmegaR2=I1UB=0.54mA6V=11.1kΩR1=VCC−UBI1=6V0.6mA=10kΩR_1=\frac{V_{CC}-U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.6mA}=10k\OmegaR1=I1VCC−UB=0.6mA6V=10kΩ
为方便，两者取标称电阻10kΩ10k\Omega10kΩ

6. 确定耦合电容

原理与共射极放大电路相同。这里取C1=50uFC_1=50uFC1=50uF，则由C1C_1C1形成的高通滤波器截止频率fc1=12πRC=12π×50uF×5kΩ≈0.64Hzf_{c_1}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx0.64Hzfc1=2πRC1=2π×50uF×5kΩ1≈0.64Hz而由C2C_2C2形成的高通滤波器截止频率与负载电阻有关。这里取C2=50uFC_2=50uFC2=50uF，当接1kΩk\OmegakΩ负载时，C2C_2C2与负载电阻形成的高通滤波器截止频率为fc2=12πRC=12π×50uF×5kΩ≈3.18Hzf_{c_2}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx3.18Hzfc2=2πRC1=2π×50uF×5kΩ1≈3.18Hz

7. Multisim仿真验证

设置好参数进行仿真，如下图

可见电压放大倍数接近于1，负载为1kΩ1k\Omega1kΩ，输出交流电流为1.975mA，输入输出电压波形如下图

8. 输入输出阻抗

如下图

加入信号源串联电阻RsR_sRs,改变其阻值大小，式Ui=Us/2U_i=U_s/2Ui=Us/2，观察示波器波形变化，如上图所示，当Rs=5kΩR_s=5k\OmegaRs=5kΩ时，刚好满足，即得到输入阻抗为5kΩ5k\Omega5kΩ，为偏置电路R1R_1R1和R2R_2R2并联的值。
而输出阻抗是极低的

9. 输出负载加重的情况

当负载电阻过小时，输出波形底部会被截去，下图为负载为680Ω680\Omega680Ω时的输出电压波形图

有波形图可知−2.65V-2.65V−2.65V以下的波形被截去。下图为此时发射极的电位

原因是交流通路时，ReR_eRe和负载并联，两端最大压降为−IE(Re//RL)=−8.6mA×310Ω=−2.666V-I_E(R_e//R_L)=-8.6mA\times310\Omega=-2.666V−IE(Re//RL)=−8.6mA×310Ω=−2.666V，所以不会输出−2.65V-2.65V−2.65V以下的波形。

先写到这里，以后有时间再完善和改进