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$R_c$Rc​（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$R_c$Rc​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：
$I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e}$IBQ​=Rb​+(1+β)Re​VCC​−UBEQ​​
静态集电极电流：
$I_{CQ}\approx{{\beta}I_{BQ}}{\approx}I_{EQ}$ICQ​≈βIBQ​≈IEQ​
集电极与发射极间的电压：
$U_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}{R_e}$UCEQ​=VCC​−IEQ​Re​

动态分析

其微变等效电路如下

其中$R^\prime_s=R_s//R_b$Rs′​=Rs​//Rb​，$R^\prime_e=R_e//R_L$Re′​=Re​//RL​
电流放大倍数：$\dot{A}_i=\frac{\dot{I}_o}{\dot{I}_i}=\frac{-\dot{I}_e}{\dot{I}_b}=-(1+\beta)$A˙i​=I˙i​I˙o​​=I˙b​−I˙e​​=−(1+β)
输入电压：$\dot{U}_i=\dot{I}_eR^{\prime}_e=(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_e$U˙i​=I˙e​Re′​=(1+β)I˙b​Re′​
输出电压：$\dot{U}_o=\dot{I}_br_{be}+\dot{I}_eR^{\prime}_e=\dot{I}_br_{be}+(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_e$U˙o​=I˙b​rbe​+I˙e​Re′​=I˙b​rbe​+(1+β)I˙b​Re′​
电压放大倍数：$\dot{A}_u=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i}=-\frac{(1+\beta)R^{\prime}_e}{r_{be}+(1+\beta)R^{\prime}_e}$A˙u​=U˙i​U˙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：$R_i=(r_{be}+(1+\beta)R^\prime_e)//R_b$Ri​=(rbe​+(1+β)Re′​)//Rb​
输出电阻：$R_o=\frac{r_{be}+R^\prime_s}{1+\beta}//R_e$Ro​=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$2V_{p-p}$2Vp−p​，最大输出电流为$\pm2mA$±2mA（$1k\Omega$1kΩ负载）$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$U_{CE}$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（$I_{E}$IE​，$U_{CBO}$UCBO​，$U_{CEO}$UCEO​，$U_{EBO}$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$\pm2mA$±2mA，这里取$I_E=8mA$IE​=8mA。

4. 确定$R_e$Re​

为分别计算和得到最佳的静态工作点，取$U_{B}=\frac{V_{CC}}{2}=6V$UB​=2VCC​​=6V，所以$U_E=U_{B}-U_{BE}=5.3V$UE​=UB​−UBE​=5.3V，所以$R_E=\frac{U_E}{I_E}=\frac{5.3V}{8mA}=662.5\Omega$RE​=IE​UE​​=8mA5.3V​=662.5Ω取标称电阻得$R_E=620\Omega$RE​=620Ω。

5. 基极偏置电路的设计

由上一篇写的博客可知，$\beta$β大约为133，所以$I_B$IB​取60uA，所以$R_2=\frac{U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.54mA}=11.1k\Omega$R2​=I1​UB​​=0.54mA6V​=11.1kΩ$R_1=\frac{V_{CC}-U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.6mA}=10k\Omega$R1​=I1​VCC​−UB​​=0.6mA6V​=10kΩ
为方便，两者取标称电阻$10k\Omega$10kΩ

6. 确定耦合电容

原理与共射极放大电路相同。这里取$C_1=50uF$C1​=50uF，则由$C_1$C1​形成的高通滤波器截止频率$f_{c_1}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx0.64Hz$fc1​​=2πRC1​=2π×50uF×5kΩ1​≈0.64Hz而由$C_2$C2​形成的高通滤波器截止频率与负载电阻有关。这里取$C_2=50uF$C2​=50uF，当接1$k\Omega$kΩ负载时，$C_2$C2​与负载电阻形成的高通滤波器截止频率为$f_{c_2}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx3.18Hz$fc2​​=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$1k\Omega$1kΩ，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$R_s$Rs​,改变其阻值大小，式$U_i=U_s/2$Ui​=Us​/2，观察示波器波形变化，如上图所示，当$R_s=5k\Omega$Rs​=5kΩ时，刚好满足，即得到输入阻抗为$5k\Omega$5kΩ，为偏置电路$R_1$R1​和$R_2$R2​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$680\Omega$680Ω时的输出电压波形图

有波形图可知$-2.65V$−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，$R_e$Re​和负载并联，两端最大压降为$-I_E(R_e//R_L)=-8.6mA\times310\Omega=-2.666V$−IE​(Re​//RL​)=−8.6mA×310Ω=−2.666V，所以不会输出$-2.65V$−2.65V以下的波形。

先写到这里，以后有时间再完善和改进