“共發射極放大電路的組成”問題探究

摘要：共發射極放大電路是模擬電子技術主要的入門內容，從該電路對信號的放大過程及工作原理的角度，重點解析了共發射極放大電路的組成及各元器件的作用，為初學者對后續內容的學習奠定重要的理論基礎。

關鍵詞：共發射極放大電路；晶體管；放大

作者簡介：王青云（1983-），女，山東曹縣人，安徽工業大學工商學院，助教。（安徽 馬鞍山 243002）

基金項目：本文系安徽省自然科學基金項目（項目編號：Kj2011z044）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0233-02

在計算機科學與技術、軟件工程等相關專業中，開設的專業基礎課“電路與模擬電子技術”，一般分為兩大部分：電路分析基礎和模擬電子技術。在模擬電子技術內容中，放大電路作為主要的電路，對電信號完成基本的放大作用，被認為是電子技術的主要研究對象和學習內容。其中，共發射極放大電路由于其廣泛的應用，成為電子技術的入門內容，被初學者所接受。

對初學者來說，模擬電子技術這一部分內容是普遍反映的學習難點。[1]在學習中對模擬電路工作原理及相關概念的理解常會出現問題，例如放大電路中存在兩種電源：信號源和直流電源，電路中交流成分和直流成分的電量同時存在，這些使學生們在理解方面產生一些疑問和難點：對電路的工作原理的理解、交流量和直流量共同存在的電路如何傳遞處理等。基本放大電路是模擬電子技術入門內容，學生理解和掌握基本電路的基本理論和基本概念知識，對模擬電子技術后續內容深入的學習和以后個人的專業學習都起到關鍵作用。因此，對初步學習這門專業基礎課的學生來說，基本放大電路即共發射極放大電路的作用、其組成器件的存在意義及其如何實現放大作用等，都將是重要考慮的問題。針對這一種情況，本文將做如下探討。

共發射極放大電路的主要功能是對比較微弱的信號起放大作用。晶體管由于具有電流放大作用，在共發射極放大電路中將作為重要組成部分，主要對信號起放大作用。本文將圍繞晶體管具有電流放大作用的工作性質，通過以晶體管為主要元件，向外圍電路展開，逐步引出放大電路的其他組成部分，完成整個放大電路的解析。交流信號是放大電路的主要放大處理對象，下面將從電路對信號的放大處理過程及工作原理的角度入手，逐步解析共發射極放大電路的組成及各元器件的作用。

一、信號傳輸和放大的基本途徑

假設待放大處理的原信號源ui由一個電動勢es與一個電阻Rs串聯組成的電壓源等效表示；起放大作用的主要器件——晶體管，選擇常用硅材料NPN型晶體管；選擇一個負載電阻RL作為被放大后的信號要驅動的負載。根據共發射極放大電路的放大信號這一主要目的，初步構建出最初的電路模型，如圖1。放大電路其他組成部分，依據電路放大原理在電路模型逐步建立和完善的過程中引導出來，并在引導中一一解析各元器件作用。

圖1電路基本說明了共發射極放大電路存在的作用和意義——放大信號，并且明確地給出了信號傳遞、放大、處理的主要路徑。晶體管即三極管，有三個極：發射極e、基極b、集電極c。信號源與晶體管的基極b和發射極e連接，形成一個回路，負載電阻RL與晶體管的集電極c和發射極e連接，形成一個回路，通常，信號源所在的回路稱為輸入回路，負載所在的回路稱為輸出回路。同時，電路中的兩個回路共用發射極e，故稱該電路為共發射極放大電路。根據設計該電路的初衷，信號源ui在輸入回路產生的交流電流ib，經過晶體管的電流放大作用，得到放大的交流電流ic，然后在輸出回路轉化成放大的交流電壓uo傳遞到負載端。其中，ube和uce分別是信號傳遞過程中在晶體管基極b與發射極e和集電極c與發射極e之間產生的電壓。根據以上分析，晶體管聯系著信號所在的輸入回路和負載端所在的輸出回路，可以對信號進行放大處理，然后傳遞到輸出回路的負載端。

二、直流電源存在的作用

問題1：圖1電路能夠完成對原信號ui的放大嗎？需要從以下角度進行具體分析。

回答問題1，首先要考慮主要元件晶體管的工作狀態。晶體管有三個工作區：放大區、飽和區、截止區。若晶體管工作在截止區或飽和區，經過處理后的信號將會出現截止或飽和失真情況，失真的信號將失去作用和意義。放大電路如果要完成對信號放大處理，且過程中信號不出現失真，需要使得晶體管工作在線性放大區。這需要滿足晶體管工作在放大狀態的基本條件：發射結正偏，集電結反偏，[2]即如圖1所示，。

同時，需要考慮的是發射結的死區電壓或開啟電壓uon，[2]也就是說，如果完成信號從輸入回路到輸出回路上的傳遞，僅僅是不夠的，還需要滿足。如果，晶體管的發射結工作在截止狀態，信號無法傳輸到輸出回路的負載端。根據不同的制作材料，晶體管的開啟電壓uon的值不同，硅材料的晶體管uon大約為0.5v。[3]此時，原信號ui是微弱的信號，單位一般是mV級的，遠遠小于開啟電壓，僅僅靠信號本身開啟晶體管是行不通的，即發射結截止，。

為了解決這些問題，選擇借助外界因素，即引入兩個直流電壓源EB和EC，將EB加在晶體管基極b和發射極e兩個端子上，將EC加在晶體管基極c和發射極e兩個端子上。如圖2所示。

直流電壓源EB的引入，在晶體管的基極b和發射極e之間產生了直流電壓UBE，此時基極b和發射極e的電壓含有兩種成分：直流電壓UBE和信號產生的交流電壓ube，用uBE表示混合量，即，當UBE足夠大時，uBE大于開啟電壓uon，晶體管發射結正偏且導通，產生基極電流iB，基極電流iB是含有交流信號和直流電流成分的混合量。如圖3所示。

同時，集電結存在兩種可能的狀態：集電結反偏和集電結正偏。如果集電結正偏，晶體管工作在飽和區，被其處理后的信號將出現失真情況。在此引入的直流電壓源EC，可以實現集電結反偏。這時，晶體管具備了放大條件：發射結正偏和集電結反偏，可以工作在放大區，完成對信號的不失真放大傳輸。

這樣，混合量uBE在晶體管基極b產生的基極電流iB，經過晶體管的電流放大作用，在其集電極產生放大的集電極電流ic，ic是含有交流信號成分的混合量，即交流信號被傳輸到輸出回路。

直流電源（如EB和EC）的存在，使得晶體管工作在放大區，來完成對信號的放大處理。

三、基極電阻RB、集電極電阻RC和極性電容C1和C2的作用

問題2：圖2電路中被放大后的信號能傳遞到負載端嗎？當電路中的一些參數不合適的時候，如何方便快捷地實現調節，以完成對信號合適的放大處理？下面做具體分析。

分析圖2電路，發現此時的直流電壓源EC鉗制了輸出電壓uo，使得，含有信號的集電極電流iC無法轉化成信號電壓uo輸出給負載RL。為了解決這個問題，引入一集電極電阻RC和EC串聯，這樣使得輸出電壓uo被解救出來，uo能隨著集電極電流iC的變化而變化。電阻RC的引入，使得uo不再受到EC的制約，含有交流信號的集電極電流iC可以轉化為電壓輸出到負載RL。

同時，根據晶體管的工作特性，如果晶體管的基極電流不合適，即使晶體管滿足工作在放大區的條件，信號在傳輸處理過程中也容易出現截止或飽和等失真情況。在圖2電路中，原信號ui和直流電源EB共同作用下在晶體管的基極上產生基極電流iB，其值如果不合適，不方便對iB進行調節。為此，引入一基極電阻RB和EB串聯，通過調節RB，可使基極電流iB達到合適的值。

問題3：在圖2電路中串入基極電阻和集電極電阻RC后，電路中傳輸的物理量仍然是交流和直流同時存在的混合量，直流量的存在，對交流信號會造成不利的影響，如何處理？傳輸到負載端的電壓也仍然是交流和直流同時存在的混合量，如何使負載端的電壓只含有交流量，即如何使負載端接收到的電壓是交流信號？

為了解決問題3中的問題，在圖2電路串入基極電阻和集電極電阻RC的基礎上，再引入一個極性電容C1，可以阻隔直流量影響信號源。同時，為了得到只含有交流信號的輸出量，再引入一個極性電容C2，阻隔直流量輸出到負載端。電路如圖4所示。

這里選擇極性電容而沒有選擇一般普通的無極性電容，是為了更好地完成信號的傳遞。這里選擇電容的目的是阻隔直流量，同時盡可能地使交流信號在無阻礙情況下在電路中傳遞，由此，電容的容量越大，對直流量的阻礙越大，對交流信號的阻礙越小。一般普通的無極性電容，容量越大體積也越大，而相同體積的電容，極性電容的容量比普通的無極性電容容量大很多，特別是對電子電路來說，元器件體積小的話，方便電路集成，故選擇極性電容，而沒有選擇無極性電容。

通常，將電路中的兩個電壓源EB和EC合并成一個直流電壓源，以簡化電路。此外，共發射極放大電路的實質，是能量較小的信號通過晶體管的控制作用，去控制直流電源所供給的能量，以在輸出端獲得一個能量較大的信號。直流電源的存在，有提供能量的作用。

上述內容，從信號傳遞放大的過程，一一解析了各個組成元器件的作用，為后續內容的學習奠定了基礎。至于這些元件選取什么合適的值，才能使得放大電路對信號起到合適合理的放大作用，而不至于出現失真情況，與晶體管的工作特性和外界電壓、溫度等因素有關，[4]如何考慮多方面因素選擇元件設計電路，使得電路更好地完成對信號的放大，可以參閱相關資料。

本文從電路對信號的處理放大過程及工作原理的角度入手，對共發射極放大電路的組成及各元器件的作用進行了具體分析，明確指出放大電路的主要處理對象是交流信號，而直流電源起提供能量的作用，并具體詳細分析了共發射極放大電路中各組成元器件的作用。為初學者學習模擬電子技術建立清晰明了的學習思路提供幫助，為初學者對后續內容的學習做鋪墊。

參考文獻：

[1]孟秀玲.《模擬電子技術》課教學難度的分析及對策[J].裝甲兵工程學院學報，2001，15（4）：75-79.

[2]秦增煌.電工學（下冊：電子技術）[M].第七版.北京：高等教育出版社，2009：22-23.

[3]高玉良.電路與模擬電子技術[M].第2版.北京：高等教育出版社，2009：150.

[4]郝寧眉，李芳.雙極型晶體管溫度特性的Multisim仿真研究[J].儀表技術與傳感器，2010，（4）：81-83.

（責任編輯：劉輝）