共射极放大器中射极电阻的作用是什么?
我正在努力了解需要这样做的确切情况。
大多数人对共射极放大器的要求是直流集电极电压约为电源电压的一半。因此,当输入端出现交流信号时,放大器的输出端(集电极)不会不对称地削波信号。另一种表述方式是,您的目标是获得良好的线性动态范围能力。
为了实现这一点,您需要创建一个直流静态集电极电流保持相当恒定的情况。因此,如果 Vcc 为(例如)12 伏,而 Rc 为(例如)2200 Ω,那么您希望通过 Rc 的静态电流约为 2.73 mA(通过 2k2 电阻器的 2.73 mA 下降 6.006 伏)。
为确保 2.73 mA 的直流电流流过 Rc,始终需要一个发射极电阻器。如果发射极电阻为 220 Ω(例如),则 2.73 mA 的 DC 电流从集电极流入发射极,然后通过电阻,它会下降约 0.601 伏特。
然后基极偏置电压需要大约为 0.601 伏加上大约 0.7 伏(内部基极-发射极电压降)。因此,底座上大约 1.301 伏的电压将确保集电极上大约有 6 伏直流电。
知道这一点后,您就可以计算基极偏置电阻值。这是一个模拟,我调整了 R4 以显示我的意思:-
在此示例中,我使用了 BC547 BJT,基极对地电压为 1.269 伏(这意味着基极-发射极电压降为 0.669 伏)。因此,它很容易理解,您几乎总能获得可预测的结果,但您永远无法从单个 BJT 放大器中获得准确的结果。
因此,这是使用发射极电阻器的正常情况。
如果您没有发射极电阻器,您如何正确定义流经发射极(和集电极)的电流?好吧,如果您知道围绕 CE 配置的数学知识,那么您会发现温度效应会非常高,并且集电极上所需的 6 伏电压可能会以这种方式和那种方式随温度漂移几伏。
那么,您想要一个漂移的 5h1tty 电路,还是想要一个稳定的电路?
但我很难理解需要这样做的确切情况。是电源电压的变化,还是晶体管 beta 的变化?
它既是,也是温度,也是电路可重复性。这是一个并排的比较:-
而且,如果我将左侧电路中的 R4 和右侧电路中的 R8 增加 5%,我们会看到:-
您能看到偏置条件的微小变化并没有真正改变左侧电路上的静态直流电压,但在右侧电路上,集电极电压已从 6 伏降至 188 mV。右侧电路非常容易受到元件漂移的影响。
如果我恢复电阻值并将电源电压从 12 伏增加到 13 伏,这就是我们所看到的:-
换句话说,右侧电路非常容易受到电源电压变化(以及元件值变化)的影响。如果我将电源电压恢复为 12 伏,并将模拟中的环境温度从 27°C 更改为 37°C,我们会看到以下变化:-
换言之,右手电路非常容易受到电源电压变化、元件值变化和环境温度变化的影响。但是,如果我用 2N3904 换掉晶体管怎么办:-
以上已将环境温度恢复到 27°C,但将 BC547 换成了 2N3904。左边的电路在处理这种情况时显然更加稳健。
发射极电阻有多种用途。它改善了放大器的线性度,提高了输入阻抗,并简化了偏置。让我们分别看看每个特征。
在下文中,我将省略\$R_E\$的电路变体称为“接地共射极放大器”。
线性度
接地共射放大器的增益为\$G=-R_C/r_e=-R_CI_C/{25\mathrm{mV}}\$。这里,\$r_e\$是本征发射极电阻,即跨导的倒数。如果输入信号足够大,它将大大调制集电极电流\$I_C\$,从而调制增益。如果增益取决于输入信号电平,那正是非线性!
添加的发射极电阻将增益更改为\$G=-R_C/(r_e+R_E)\$。显然,收益现在几乎不依赖于\$r_e\$的微小变化。
输入阻抗
接地共射极放大器基极的输入阻抗约为\$Z_\mathrm{in} = \beta (r_e + R_E)\$。对于\$I_C=1\mathrm{mA}\$,\$r_e\$仅为 25 欧姆。通过使\$R_e\$大于此值,可以显着增加输入阻抗。请记住,如果输入信号是电压,通常需要高输入阻抗。
偏向
假设您微调了输入偏置分压器,使正确的集电极电流流过晶体管。对于接地发射器变体,偏置将不稳定。温度的任何变化都会导致晶体管的基极-发射极电压(在固定的\$I_C\$ 处)发生变化。相反,当我们保持实际\$V_\mathrm{BE}\$恒定时,这会在集电极电流中产生指数变化。仅仅几°C的变化就会使输出饱和。
对于电源电压的变化情况也是如此。基极处小至 25mV 的变化将使静态电流增加/减少一个因数\$e\$。
添加发射极电阻器可以使发射极电压保持一定的顺从性,从而减少此问题。如果它比\$r_e\$ 大得多,则扰动电压会在\$R_E\$上下降,而不是实际改变\$I_C\$太多。
结论
添加发射极电阻器极大地改善了所有这些特性,但以牺牲增益为代价。
如果您仍在为这些概念苦苦挣扎,请查看Horowitz & Hill的The Art of Electronics(第 3 版)第 2.3.4 章。关于这个主题的最佳参考。
关于发射极电容的注意事项
在 OP 的原理图中,有一个与发射极电阻并联的电容器。这样,\$R_E\$在信号频率处被绕过。这产生了与接地发射极放大器相同的高增益(包括降低的线性度和输入阻抗),但仍然提供可靠的偏置。
看发射极电路。
一旦基极-发射极二极管达到其正向电压,偏置就会消失。你不能完全解决这个问题,因为你想让电流流入基地。但是你不想在那个地方有二极管特性。你想要它是线性的。这就是发射极电阻的作用。它将通过 BE 二极管的电流线性化。与串联电阻器对任何其他二极管的作用相同。该电路现在对 V+ 的波动更加稳定。