典型共发射极放大电路设计
典型共发射极放大电路设计
- 电路原理图
- 步骤1：确定性能指标参数
- 步骤2：确定RER_{E}RE上的直流压降
- 步骤3：确定集电极电流的工作点
- 步骤4：确定RCR_{C}RC和RER_{E}RE
- 步骤5：确定电源电压
- 步骤6：基极偏置电路设计
- 步骤7：确定耦合电容C1C_{1}C1与C2C_{2}C2
- 步骤8：确定电源去耦电容C3C_{3}C3与C4C_{4}C4
电路原理图
步骤1：确定性能指标参数
在进行电路设计时，首先要明确“设计什么样性能的电路”，这取决于实际需求。
本次设计的性能指标如下表所示
| 电压增益 | 5倍（14dB） |
| 输出电压范围 | ±1.5V |
| 频率特性 | 1MHz |
步骤2：确定RER_{E}RE上的直流压降
晶体管的基极-发射极之间等效为一个二极管，所以VBE同二极管一样具有 -2.5mV/℃ 的温度特性。
为了吸收基极-发射极间电压 VBE 随温度的变化（这里的吸收不是指减小 VBE 随温度的变化，而是减小因 VBE 随温度变化而导致的集电极电流变化），使工作点（集电极电流）稳定， RE 的直流压降必须比 ΔVBE(max) 大得多（一般为10倍以上）。
基极电流相对于集电极电流来说很小（ IB 约等于 1/hFE 倍 IC ，hFE 通常为几十至几百），所以 IB 可以忽略不计，故而认为IC=IE=VEREI_{C}=I_{E}=\frac{V_{E}}{R_{E}}IC=IE=REVE。若 RE 上的直流压降 VE 十倍于 ΔVBE(max) ，则 IC 随温度的变化量ΔIC不会超过十分之一。
假设电路实际最大工作温度为50℃，则:
ΔVBE(max)=−2.5mV/℃×(50℃−25℃)=0.0875V\Delta V_{BE(max)}=-2.5mV/℃\times (50℃-25℃)=0.0875VΔVBE(max)=−2.5mV/℃×(50℃−25℃)=0.0875V
为减小温度对静态工作点的影响，通常RE的直流压降必须在1V以上。
因输入电压 vi 通过基极-发射极间的等效二极管直接叠加在 RE 上，所以为了保证在输入信号 vi 的负峰值处晶体管不进入截止状态 ，VE 必须大于输入信号负峰值的绝对值。由步骤1中的设计指标可推算出输入电压负峰值为 -0.3V 。
本设计中我们取VE=1V。
步骤3：确定集电极电流的工作点
要考虑的因素主要有特征频率和功耗，特征频率表示交流放大系数为1时的频率。
从低功耗方面考虑 IC 越小越好；从特征频率考虑 IC 必须在某一区间内，具体需查看晶体管的数据手册，下图为S9013三极管的特征频率和集电极电流的关系。
步骤1性能指标中给出的特征频率要求为1MHz，由上图可知， IC=10mA 时特征频率大于100MHz，可以满足我们的设计要求。
再考虑静态功耗，本设计取 IC=1mA。
步骤4：确定RCR_{C}RC和RER_{E}RE
由于基极-发射极间存在的二极管是在导通情况下工作的（V-I曲线无限陡峭，交流电阻为0，导通压降0.6 ~ 0.7V），所以基极端子的交流电位（=vi ）直接地出现在发射极。
故输入信号 vi 的电压变化在 RE 上转换成电流变化 Δie=viRE\Delta i_{e}=\frac{v_{i}}{R_{E}}Δie=REvi ，因为 Δib 相对于 Δic 可以忽略，进而可认为 Δic= Δie。
利用集电极与电源之间的电阻RC， Δic 以在电阻RC上产生压降的形式再次变回到电压的变化 Δvc=Δic×RC=viRE×RC\Delta v_{c}=\Delta i_{c}\times R_{C}=\frac{v_{i}}{R_{E}}\times R_{C}Δvc=Δic×RC=REvi×RC。
因输出耦合电容将 vc 的直流成分截去，故输出交流信号 vo 即为 Δvc 本身。因此，该电路的交流电压放大倍数 Av=vovi=RCREA_{v}=\frac{v_{o}}{v_{i}}=\frac{R_{C}}{R_{E}}Av=vivo=RERC 。
步骤1性能指标中要求电压增益为5倍，所以 Rc:RE=5:1；
步骤2中为减小温度对工作点的影响，确定了 VE=1V；
步骤3中根据特征频率要求和功耗考虑确定了 IE=1mA；
故可得 RE=VEIE=1V1mA=1kΩR_{E}=\frac{V_{E}}{I_{E}}=\frac{1V}{1mA}=1k\OmegaRE=IEVE=1mA1V=1kΩ ，RC=5RE=5kΩR_{C}=5R_{E}=5k\OmegaRC=5RE=5kΩ 。
步骤5：确定电源电压
要确定电源电压，最大输出电压是重点。为了输出步骤1性能指标中给出的 3Vp-p 输出电压，显然必须要3V以上的电源电压。
其次，步骤2中确定了 RE 上的直流压降 VE=1V，在静态工作点上， RC 上的压降为 AV·VE=5V，当输入电压 vi 为正峰值 0.3V 时，RC 上的最大压降为6.5V，所以电源电压必须要 7.8V（VE + vi(max) + vRc(max)）以上。
再者，当晶体管进入饱和状态之后，hFE将减小，以至于基极电流相对于集电极电流来说不再可以忽略。所以为避免晶体管进入饱和状态，电源电压必须高于 VE + vi(max) + vRc(max) + VCE(sat) ，其中 VCE(sat) 为晶体管的集电极-发射极饱和电压。
本设计采用S9013三极管， VCE(sat)=0.6V ，所以电源电压要 8.4V 以上，这里决定采用12V电源供电。
晶体管的集电极-发射极间电压：
VCE=VCC−IC⋅RC−IE⋅REV_{CE}=V_{CC}-I_{C}·R_{C}-I_{E}·R_{E}VCE=VCC−IC⋅RC−IE⋅RE
=12V−1mA⋅5kΩ−1V=6V=12V-1mA· 5k\Omega -1V=6V=12V−1mA⋅5kΩ−1V=6V
晶体管的集电极静态损耗：
PC=VCE⋅ICP_{C}=V_{CE}·I_{C}PC=VCE⋅IC
=6V×1mA=6mW=6V\times 1mA=6mW=6V×1mA=6mW
步骤6：基极偏置电路设计
步骤2中选定了 VE=1V，由于 VBE=0.6V，所以基极电位必须是1.6V（=1V+0.6V）。
如果 R1与R2 流过比基极电流大得多的电流，那么 IB 就可以忽略，基极电位就可以认为是 R1与R2 分压后的电位。
本设计选用 H档（放大倍数200 ~ 350）的S9013三极管，假设 hFE=200，因为 IC=1mA，则基极电流为 0.005mA。
这里 R1与R2 上流动的电流取 0.1mA (一般误差在十分之一以下是可以忽略的)，即 R1与R2 ：
R1=10.4V0.1mA=104kΩR_{1}=\frac{10.4V}{0.1mA}=104k\OmegaR1=0.1mA10.4V=104kΩ
R2=1.6V0.1mA=16kΩR_{2}=\frac{1.6V}{0.1mA}=16k\OmegaR2=0.1mA1.6V=16kΩ
计算所得的阻值可能是 E24 系列电阻中没有的，在这里选取 R1=100K，R2=15K（104:16≈100:15）。
步骤7：确定耦合电容C1C_{1}C1与C2C_{2}C2
C1 和 C2 分别是将基极、集电极的直流成分隔离仅让交流成分通过的耦合电容。
但是 C1 与输入阻抗、C2 与负载阻抗均形成了高通滤波器，当 C1 和 C2 取值不恰当时，难于通过低频信号。
高通滤波器的截止频率（振幅特性下降 3dB —— 即下降12\frac{1}{\sqrt{2}}21）为：
f=12π⋅C⋅Rf=\frac{1}{2\pi ·C·R}f=2π⋅C⋅R1
dB是一个比值，一种纯计数方式，增益 dB 是倍数的另一种说法，对于电压来说X倍可以记作 20lg(X) dB。
晶体管基极电流很小，所以晶体管的输入阻抗可以看作非常大，而电源阻抗可以看作为0Ω。
计算输入阻抗时，把电压源看作短路，电流源看作开路。则放大电路的输入阻抗为 R1 与 R2 的并联 R1//R2。
本设计取 C1=C2=47μF，输入截止频率为：
fc=12π⋅C⋅R=12π×47μF×13kΩ=0.26Hzf_{c}=\frac{1}{2\pi ·C·R}=\frac{1}{2\pi \times 47\mu F\times 13k\Omega }=0.26Hzfc=2π⋅C⋅R1=2π×47μF×13kΩ1=0.26Hz
由 C2 与负载形成的高通滤波器的 fef_{e}fe，会因输出端接有不同的负载阻抗而发生变化，因此预先考虑一下接有什么样的负载是至关重要的。
步骤8：确定电源去耦电容C3C_{3}C3与C4C_{4}C4
C3 与 C4 是电源的去耦电容，当没有这个电容时，电路的交流特性会变得很奇特，严重时电路产生振荡。
理想电容的容抗是 f=12π⋅C⋅Rf=\frac{1}{2\pi ·C·R}f=2π⋅C⋅R1 ，理论上频率越高，容抗应该越小。但由于实际电容内部存在感抗成分，从某个频率开始，容抗反而变高。下图所示为某品牌 47μF 陶瓷电容的阻抗频率曲线。
小电容在高频率处容抗最低，而大电容在低频率处容抗最低。为了在很宽的频率范围内降低电源对GND的容抗，通常在电源上并联一大一小两个电容。
关于更多电容阻抗-频率曲线的内容，请参考另一位博主的文章如何理解电容的阻抗-频率曲线。
大电容即使离电源远一些也没有问题，为了减小布线的阻抗，小电容要紧靠电路安置。
小电容是在高频情况下降低阻抗用的，高频下的导线等效于电感和电阻串联，如果小电容不紧靠电路安置，由于引线本身的阻抗，电源的阻抗已经不能为零了。
在低频电路中即使没有小电容，电路也能正常工作。但是在高频电路中，小电容起着更为重要的作用。
本设计采用 10μF 铝电解电容和 0.1μF 叠层陶瓷电容作为电源去耦电容。
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