晶體管放大器放大交流輸入信號，該信號在某個正值和相應(yīng)的負(fù)值之間交替。然后需要某種“預(yù)設(shè)”共發(fā)射極放大器電路配置的方法，以便晶體管可以在這兩個最大值或峰值之間工作。這可以使用稱為偏置的過程來實現(xiàn)。

偏置在放大器設(shè)計中非常重要，因為它建立了準(zhǔn)備好接收信號的晶體管放大器的正確工作點，從而減少了輸出信號的任何失真。

此外，使用繪制在放大器輸出特性曲線上的靜態(tài)或直流負(fù)載線使我們能夠看到晶體管從完全“ON”到完全“OFF”的所有可能工作點，以及靜態(tài)工作點可以找到放大器的Q 點。

任何小信號放大器的目的都是放大所有輸入信號，同時盡可能減少對輸出信號的失真，換句話說，輸出信號必須是輸入信號的精確再現(xiàn)，但只是更大（放大）。

要在用作放大器時獲得低失真，需要正確選擇工作靜態(tài)點。這實際上是放大器的直流工作點，它的位置可以通過適當(dāng)?shù)钠醚b置確定在負(fù)載線上的任何點。

該 Q 點的最佳位置是盡可能靠近負(fù)載線的中心位置，從而產(chǎn)生 A 類放大器操作，即。Vce = 1/2Vcc。考慮如下所示的共發(fā)射極放大器電路。

共發(fā)射極放大電路

上面顯示的單級共發(fā)射極放大器電路使用通常稱為“分壓器偏置”的電路。這種類型的偏置布置使用兩個電阻器作為跨電源的分壓器網(wǎng)絡(luò)，它們的中心點為晶體管提供所需的基極偏置電壓。分壓器偏置常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計。

這種對晶體管進(jìn)行偏置的方法通過將基極偏置保持在恒定的穩(wěn)定電壓電平從而實現(xiàn)最佳穩(wěn)定性，從而大大降低了變化 Beta ( β ) 的影響。

靜態(tài)基極電壓 ( Vb ) 由兩個電阻器R1、R2和電源電壓Vcc形成的分壓器網(wǎng)絡(luò)決定，如流過兩個電阻器的電流所示。

然后總電阻R T將等于R1 + R2，給出電流i = Vcc/R T。在電阻器R1和R2的連接處產(chǎn)生的電壓電平將基極電壓 ( Vb ) 保持在低于電源電壓的值。

共發(fā)射極放大電路中使用的分壓網(wǎng)絡(luò)按電阻比例對電源電壓進(jìn)行分壓。使用下面的簡單分壓器公式可以輕松計算出該偏置參考電壓：

晶體管偏置電壓

由于相同的電源電壓，（Vcc）也決定了最大集電極電流Ic當(dāng)晶體管完全“導(dǎo)通”（飽和）時，Vce = 0。晶體管的基極電流Ib是從集電極電流Ic和直流電流增益 Beta，晶體管的β中得出的。

貝塔值

晶體管的 Beta 值，有時在數(shù)據(jù)表中稱為h FE，定義了晶體管在共發(fā)射極配置中的正向電流增益。Beta 是在制造過程中內(nèi)置于晶體管中的電氣參數(shù)。Beta (h FE ) 沒有單位，因為它是兩個電流Ic和Ib的固定比率，因此基極電流的微小變化將導(dǎo)致集電極電流的巨大變化。

關(guān)于 Beta 的最后一點。相同類型和零件編號的晶體管的 Beta 值會有很大差異。例如，BC107 NPN 雙極晶體管的直流電流增益 Beta 值介于 110 和 450（數(shù)據(jù)表值）之間。所以一個BC107的Beta值可能是110，而另一個BC107的Beta值可能是450，但它們都是BC107 npn三極管。這是因為 Beta ( β ) 是晶體管結(jié)構(gòu)的固有特性，而不是其操作的特性。

由于基極/發(fā)射極結(jié)是正向偏置，發(fā)射極電壓Ve將是一個不同于基極電壓的結(jié)壓降。如果發(fā)射極電阻兩端的電壓已知，則可以使用歐姆定律輕松計算發(fā)射極電流Ie 。集電極電流Ic可以近似計算，因為它與發(fā)射極電流的值幾乎相同。

共發(fā)射極放大器示例 No1

共發(fā)射極放大器電路具有1.2kΩ的負(fù)載電阻R L和12v的電源電壓。當(dāng)晶體管完全“導(dǎo)通”（飽和）時，計算流經(jīng)負(fù)載電阻的最大集電極電流 ( Ic )，假設(shè)Vce = 0。還要找出發(fā)射極電阻R E的值，如果它兩端的電壓降為 1v。假定標(biāo)準(zhǔn) NPN 硅晶體管，計算所有其他電路電阻器的值。

然后在特性曲線的集電極電流垂直軸上建立點“A”，并在Vce = 0時出現(xiàn)。當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時，電阻器R E或R L上沒有電壓降，因為沒有電流流過它們。然后晶體管兩端的電壓降Vce等于電源電壓Vcc。這在特性曲線的水平軸上建立了點“B”。

通常，放大器的靜態(tài) Q 點是零輸入信號施加到基極，因此集電極位于零伏和電源電壓 ( Vcc/2 )之間負(fù)載線的大約一半位置。因此，放大器 Q 點的集電極電流為：

該靜態(tài)直流負(fù)載線產(chǎn)生一個直線方程，其斜率給出為：-1/(R L + R E )并且它在等于Vcc/(R L + R E )的點處穿過垂直Ic軸。Q點在直流負(fù)載線上的實際位置由Ib的平均值決定。

作為集電極電流，晶體管的Ic也等于晶體管的直流增益 (Beta)，乘以基極電流 ( β*Ib )，如果我們假設(shè)晶體管的Beta ( β ) 值為 100，（一百是低功率信號晶體管的合理平均值）流入晶體管的基極電流Ib將給出如下：

通常不使用單獨的基極偏置電源，而是通過降壓電阻器R1從主電源軌 (Vcc) 提供基極偏置電壓?，F(xiàn)在可以選擇電阻器R1和R2來提供 45.8μA 或 46μA 的合適靜態(tài)基極電流，四舍五入到最接近的整數(shù)。流過分壓器電路的電流必須比實際基極電流Ib大，這樣分壓器網(wǎng)絡(luò)就不會被基極電流加載。

一般的經(jīng)驗法則是流過電阻器R2的值至少是Ib的 10 倍。晶體管基極/發(fā)射極電壓，Vbe固定在 0.7V（硅晶體管），這給出了R2的值：

如果流過電阻R2的電流是基極電流值的 10 倍，則分壓網(wǎng)絡(luò)中流過電阻R1的電流必須是基極電流值的 11 倍。即：I R2  + Ib。

因此，電阻器R1兩端的電壓等于Vcc – 1.7v（對于硅晶體管，VRE + 0.7）等于 10.3V，因此R1可以計算為：

發(fā)射極電阻R E的值可以使用歐姆定律輕松計算。流過R E 的電流是基極電流Ib和集電極電流Ic的組合，給出如下：

電阻R E連接在晶體管的發(fā)射極端子和地之間，我們之前說過它兩端有 1 伏的壓降。因此，發(fā)射極電阻R E的值計算如下：

因此，對于我們上面的示例，為提供 5% (E24) 容差而選擇的電阻器的首選值是：

然后，可以重寫上面我們原來的共發(fā)射極放大器電路，以包括我們剛剛在上面計算的組件的值。

完成的共發(fā)射極電路

放大器耦合電容器

在共發(fā)射極放大器電路中，電容器C1和C2用作耦合電容器，以將交流信號與直流偏置電壓分開。這確保了為電路正確運行而設(shè)置的偏置條件不受任何額外放大器級的影響，因為電容器只會傳遞交流信號并阻止任何直流分量。然后將輸出交流信號疊加到以下級的偏置上。發(fā)射極支路電路中還包含一個旁路電容器C E 。

該電容器實際上是直流偏置條件下的開路元件，這意味著偏置電流和電壓不受添加電容器的影響，保持良好的 Q 點穩(wěn)定性。

然而，由于其電抗，這個并聯(lián)連接的旁路電容器在高頻信號下實際上變成了對發(fā)射極電阻的短路。因此只有R L加上一個非常小的內(nèi)阻作為其負(fù)載將電壓增益增加到最大值。通常，選擇旁路電容器C E的值以在最低工作信號頻率下提供最多為R E值的 1/10 的電抗。

輸出特性曲線

好的，到目前為止一切順利。我們現(xiàn)在可以構(gòu)建一系列曲線，顯示集電極電流Ic與集電極/發(fā)射極電壓Vce以及我們簡單的共發(fā)射極放大器電路的不同基極電流Ib值。

這些曲線被稱為“輸出特性曲線”，用于顯示晶體管如何在其動態(tài)范圍內(nèi)運行。在1.2kΩ負(fù)載電阻RL的曲線上繪制了一條靜態(tài)或直流負(fù)載線，以顯示晶體管的所有可能工作點。

當(dāng)晶體管切換為“OFF”時，Vce等于電源電壓Vcc，這是線上的“B”點。同樣，當(dāng)晶體管完全“導(dǎo)通”并飽和時，集電極電流由負(fù)載電阻R L決定，這是線上的“A”點。

我們之前從晶體管的直流增益計算出晶體管平均位置所需的基極電流為45.8μA ，這在負(fù)載線上標(biāo)記為Q點，代表放大器的靜態(tài)點或Q 點。我們可以很容易地讓自己的生活變得輕松，并將這個值精確地四舍五入到50μA，而不會對工作點產(chǎn)生任何影響。

輸出特性曲線

負(fù)載線上的 Q 點為我們提供了 Ib = 45.8μA 或46μA的基極電流 Q 點。我們需要找到基極電流的最大和最小峰值擺幅，這將導(dǎo)致集電極電流Ic成比例變化，而不會對輸出信號造成任何失真。

當(dāng)負(fù)載線穿過直流特性曲線上的不同基極電流值時，我們可以找到沿負(fù)載線等距分布的基極電流峰值擺幅。這些值被標(biāo)記為線上的點“N”和“M”，分別給出了 20μA 和 80μA 的最小和最大基極電流。

這些點“N”和“M”可以位于我們選擇的負(fù)載線上的任何位置，只要它們與 Q 的距離相等即可。這為我們提供了一個理論最大輸入信號到 60μA 峰峰值的基本端子, (30μA 峰值) 而不會對輸出信號產(chǎn)生任何失真。

基極電流大于此值的任何輸入信號都會驅(qū)動晶體管超過“N”點并進(jìn)入其“截止”區(qū)域或超過“M”點并進(jìn)入其飽和區(qū)域，從而導(dǎo)致輸出信號失真以“剪輯”的形式。

以“N”和“M”點為例，可以從負(fù)載線上投影出集電極電流的瞬時值和相應(yīng)的集電極-發(fā)射極電壓值?？梢钥闯?，集電極-發(fā)射極電壓與集電極電流反相（–180 o ）。

當(dāng)基極電流Ib從 50μA 正向變化到 80μA 時，集電極-發(fā)射極電壓（也是輸出電壓）從其穩(wěn)態(tài)值 5.8 伏特降低到 2.0 伏特。

然后，單級共發(fā)射極放大器也是“反相放大器”，因為基極電壓的增加會導(dǎo)致 Vout 降低，而基極電壓的降低會導(dǎo)致 Vout 增加。換句話說，輸出信號與輸入信號異相 180 度。

共發(fā)射極電壓增益

共發(fā)射極放大器的電壓增益等于輸入電壓變化與放大器輸出電壓變化之比。則ΔV L為Vout，ΔV B為Vin。但是電壓增益也等于集電極中的信號電阻與發(fā)射極中的信號電阻之比，并給出如下：

我們之前提到，隨著交流信號頻率增加旁路電容，C E由于其電抗而開始短路發(fā)射極電阻。然后在高頻下R E  = 0，使增益無限大。

然而，雙極型晶體管在其發(fā)射極區(qū)域中內(nèi)置了一個稱為r' e的小內(nèi)阻。晶體管的半導(dǎo)體材料為流過它的電流提供內(nèi)部電阻，通常由主晶體管符號內(nèi)顯示的小電阻器符號表示。

晶體管數(shù)據(jù)表告訴我們，對于小信號雙極晶體管，這個內(nèi)部電阻是25mV ÷ Ie的乘積（25mV 是發(fā)射極結(jié)層上的內(nèi)部電壓降），那么對于我們常見的發(fā)射極放大器電路，這個電阻值以上將等于到：

這個內(nèi)部發(fā)射極支路電阻將與外部發(fā)射極電阻R E串聯(lián)，然后晶體管實際增益的方程將被修改以包括這個內(nèi)部電阻，因此將是：

在低頻信號下，發(fā)射器支路中的總電阻等于R E  + r' e。在高頻時，旁路電容器使發(fā)射極電阻短路，只在發(fā)射極支路中留下內(nèi)部電阻r' e，從而導(dǎo)致高增益。

然后對于我們上面的共發(fā)射極放大器電路，電路在低信號頻率和高信號頻率下的增益為：

低頻放大器增益

高頻放大器增益

因此，在非常低的輸入信號頻率下，電容器 (X C ) 的電抗很高，因此外部發(fā)射極電阻 R E對電壓增益有影響，在本例中將其降低至 5.32。然而，當(dāng)輸入信號頻率非常高時，電容器的電抗會使 R E (R E = 0)短路，因此放大器的電壓增益會增加到 218，在本例中。

最后一點，電壓增益僅取決于集電極電阻R L和發(fā)射極電阻 ( R E  + r' e ) 的值，它不受電流增益 Beta 的影響，β ( h FE )晶體管。

因此，對于我們上面的簡單示例，我們現(xiàn)在可以總結(jié)我們?yōu)楣舶l(fā)射極放大器電路計算的所有值，這些是：

共發(fā)射極放大器總結(jié)

然后總結(jié)一下。共發(fā)射極放大器電路在其集電極電路中有一個電阻。流過該電阻的電流產(chǎn)生放大器的電壓輸出。選擇該電阻器的值，以便在放大器的靜態(tài)工作點Q 點，該輸出電壓位于其負(fù)載線的一半位置。

共發(fā)射極放大器中使用的晶體管基極使用兩個電阻器作為分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偏置。這種類型的偏置布置通常用于雙極晶體管放大器電路的設(shè)計，并通過將基極偏置保持在恒定的穩(wěn)定電壓來大大減少變化的 Beta ( β )的影響。這種類型的偏置產(chǎn)生最大的穩(wěn)定性。

發(fā)射極支路中可以包含一個電阻器，在這種情況下，電壓增益變?yōu)?R L /R E。如果沒有外部發(fā)射極電阻，則放大器的電壓增益不是無限大，因為發(fā)射極支路中的內(nèi)部電阻r'e非常小。該內(nèi)阻值等于25mV/I E

在下一個關(guān)于雙極晶體管放大器的教程中，我們將了解通常稱為 JFET 放大器的結(jié)型場效應(yīng)放大器。與晶體管一樣，JFET 用于單級放大器電路，使其更容易理解。我們可以使用幾種不同類型的場效應(yīng)晶體管，但最容易理解的是結(jié)型場效應(yīng)晶體管，或 JFET，它具有非常高的輸入阻抗，非常適合放大器電路。