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共基极放大电路
共基极放大电路
4共基极放大电路24、共基放大电路除了前面已经详细介绍过的共发射极放大电路和共集电极放大电路(即射极输出器)以外,在一些高频放大电路或其他特殊情况下有时也采用共基极放大电路,如图甲(a)所示。
甲图中Ee和Re用来给电路设置静态工作点。
输入信号经过隔直电容C1加到晶体管的e-b极之间,而c-b极输出,电路的交流通道如图甲(b)所示,由于输出端和输入端以晶体管的基极为公共端,所以叫共基在共基极电路中,晶体管的输入电流为Ie输出电流为Ic,总有IcIe,所以电路的.....电流放大倍数用价值。
IcIe.总是小于1。
但是因为有电压放大作用和功率放大作用,所以仍有实例如晶体管的re26,rb300,49,则共射电路中晶体管的输入电阻rbe300(491)261.6k而共基电路中晶体管的输入电阻reb3002632(491)可见,共基电路的输入电阻可以做得极低。
从图3-67还可以看到,共基电路的电流放大倍数虽然小于1,但由于它的输入电阻非常小,所以电压放大倍数大体上与共射电路相同。
由于共基接法时的晶体管截止频率f比共射接法时的截止频率f高
(1)倍,即f
(1)f几乎所有分立元器件的FM收音机,其高频头的第一级电路都是用图1所示的共基极调谐放大器50%图1图2图中R1、R2是直流偏置电阻。
C2、C3容量较大,在工作频段内相当于短路。
C1、C4是回路的调谐电容。
L1、L2是回路电感,L1、C1构成低Q值的固定调谐回路,覆盖88~108MHz全频段。
L2、C4构成选频回路,调谐于接收信号频率。
由于LC回路调谐时呈纯阻性,设为R0,R0=Q√(1/C),Q是回路的品质因数。
简化图1后可得等效的交流回路,如图2所示。
图1电路工作在低频时,共基极放大器和共发射极放大器具有相近的放大倍数。
FM收音机是工作在100MHz左右的高频下,此时三极管共发射极连接时的放大能力大为下降,而共基极时的放大能力却下降甚少,故高频时应采用共基极放大电路。
理论分析表明,舍去繁琐的数学推导,可得以下的结论:
1.放大系数β随工作频率的增加而迅速下降。
通常低频时值为β0,可用仪器测得。
高频时值为β,可由公式算得(计算方法从略);f越高,β比β0越小。
严格讲,β值只适用于计算共发射极放大器的放大倍数。
2.分析共基极电路,必须用图2的三极管共基极等效电路和共基极电流放大系数α来分析(详细理论从略)。
放大系数α=Ic/Ie,若低频时为α0,高频时为α;则相对于α0,高频时的α下降甚微。
3.定量关系。
共发射极放大器的放大倍数Ke可按下式计算:
Ke=-(βR0/rbe)式中rbe=rb+(1+β)re,rb是三极管有效基区的体电阻,re是发射结的正向导通电阻。
共基极放大器的放大倍数Kb为:
Kb=βR0/reb式中reb=re+(1-α)rb,是三极管共基极连接时的等效输入电阻,rb和re意义同上。
以下举一实例进行说明。
设三极管参数为rb=200Ω,re=21Ω,β0=60,α0=0.98。
频率为100MHz时算得β=5.8,α=0.97;集电极回路的谐振电阻R0=530Ω。
试计算低频时和100MHz时,两种电路的放大倍数。
低频时:
输入电阻rbe=200+(1+60)×21=1480Ω,reb=21+(1-0.98)×200=25Ω;故共发射极放大倍数∣Ke∣=60×(530/1480)=21.5,共基极放大倍数Kb=0.98×(530/25)=20.8。
可见两者绝对值几乎相等。
100MHz时,输入电阻rbe=200+(1+5.8)×21=343Ω,reb=21+(1-0.97)×200=27Ω;故∣Ke∣=5.8×(530/343)=9,Kb=0.97×(530/27)=19。
结果表明两者相差很大。
由以上计算可见,工作于低频时两种电路的放大倍数均为21倍;但在100MHz时,共发射极电路仅能放大9倍,而共基极电路却可放大到19倍。
因此,在FM收音机或TV系统中,共基极放大电路得到广泛的应用。
5分立元件应用时应注意的问题1、降额使用降额使用是在使用分立器件时,有意识地使器件实际所承受的工作条件和环境如:
耐压、容许电流、工作频率、温度条件等,合理低于额定限制值。
2、容差设计设计产品时应适当放宽器件的参数变化的允许范围。
包括制造容差﹑温度漂移﹑时间漂移﹑辐射漂移等,并以此为基础,借助有效的手段进行容差设计.应昼利用计算机辅助设计(CAD)手段进行容差设计.3热设计温度是影响微电路失效率的重要因素.在微电路工作失效率模型中,温度对失效率的影响通过温度应力系数体现,温度应力系数是温度的函数,其形式因微电路和类型而异.对微电路来说,温度升高10~20℃约可使热应力增加一倍.防过热的目的是将微电路的芯片结温控制在允许范围内,对高可靠设备,要求控制在100℃以下.微电路的芯片结温决定于自身功耗﹑热阻和热环境.因此,将芯片结温控制在允许范围内的措施包括自身功耗﹑热阻和热环境的控制.4防静电对于静电敏感的CMOS集成电路,在使用中除严格遵守有关的防静电措施外,还应注意:
①不作用的输入端应根据要求接电源或地,不得悬空;②作为线路板输入接口的电路,其输入端除加瞬变电压抑制二极管外,还应对地接电阻器,其阻值一般取0.2~1MΩ③当电路与电阻器﹑电容器组成振荡器时,电容器存储电荷产生的电压可使有关输入端的电压短时高于电源电压.为防止这一现象,应在该输入端串联限流电阻器,其阻值一般取定时电阻的2~3倍;④作为线路板输入接口的传输门,每个输入端都应串接电阻器,其值一般取50~100Ω;⑤作为线路板输入接口的逻辑门,每个输入端都应串联电阻器,其值一般取100~200Ω;⑥对作为线路板输入接口的应用部位,应防止其输入电位高于电源电位(先加信号源,后加线路板电源就可导致这一现象的发生).5防瞬态过载瞬态过载严重时,会使半导体集成电路完全失效.轻微时,也可能导致半导体集成电路产生损伤,使其技术参数降低寿命缩短.对此必须采取防瞬态过载措施.6防寄生耦合寄生耦合可能导致数字电路误码和模拟电路自激.防寄生耦合包括防电源内阻耦合和防布线寄生耦合两个方面.①防电源内阻耦合.防电源内阻耦合的主要措施是在线路板的适合位置安装电源去耦电容器,以减少电路引出端处的电源输出阻抗.电源去耦电容器配置的原则如下:
(a)对于动态功耗电源较大的电路,每个电路的每个电源引出端配一只小容量电源去耦电容器,其品种一般采用独石瓷介电容器,容量一般限制在0.01~0.1uF;(b)对于动态功耗电源较小的电路,几个相距较近电路接同一电源的引出端,共用一只小容量电源去耦电容器,其品种和容量同(a)项;(c)必要时,每块线路板配一只或几只大容量电源去耦电容器,其品种一般采用固体钽电容器,容量一般取10uF.应根据半导体集成电路的有关参数(例如动态功耗电流尖峰)和它所在线路板的情况(例如板上电路总数)确定电源去耦电容器的具体配置.②防布线寄生耦合.半导体集成电路的布线包括与其引出端直接相连的连线和由它构成线路的连线.应借助于正确的布线设计减小布线寄生耦合.布线设计的原则如下:
(a)信号线的长度尽量短,相邻信号线间的距离不应过近;(b)若信号中含有高频分量且对精度要求不特别高的电路,则其地线设计采用大面积接地带方式,要点为电路的地引出端尽量通过短而粗的连线与接地带相连;(c)信号的主要成分为低频分量且对精度要求很高的电路,其地线设计采用汇聚于一点的布线方式,要点为每个电路的每个地引出端都有其专用地线,它们汇聚于线路板电子设备的一个点.3运算放大器选用时应注意的事项①若无特殊要求,应尽量选用通用型运放.当一个电路中有多个运放时,建议选用双运放(如LM358)或四运放(如LM324等);②应正确认识和对待各种参数,不要盲目片面追求指标的先进,例如,场效应管输入级的运放,其输入阻抗虽高,但失调电压也较大,低功耗运放的转换速率也必然较低.各种参数指标是在一定的测试条件下测出的,若使用条件和测试条件不一致,则指标的数值也将会有差异.③当用运放作弱信号放大时,应特别注意选用失调以及用噪声系数均很小的运放,如ICL7650.同时应保持运放同相端与反相端对地的等效直流电阻等.此外,在高输入阻抗及低失调﹑低漂移的高精度运放的印刷底板布线方案中,其输入端应加保护环.④当运放用于直流放大时,必须妥善进行调零.有调零端的运放应按标准推荐的调零电路进行调零.⑤为了消除运放的高频自激,应参照推荐参数在规定的消振引脚之间接入适当的电容消振,同时应尽量避免两级以上放大级级连,以减小消振困难.为了消除电源内阻引起的寄生振荡,可以运放电源端对地就近接去耦电容,考虑到去耦电解电容的电感效应,常常在其两端并联一个容量为0.01~0.1uF的瓷片电容.4TTL电路选用时应注意的事项
(1)电源①稳定性应保持在±5%之内;②纹波系数应小于5%;③电源初级应有射频旁路.
(2)去耦每使用8块TTL电路就应当用一个0.01~0.1uF的射频电容器对电源电压进行去耦.去耦电容的位置应尽可能地靠近集成电路,二者之间的距离应在15cm之内.每块印刷电路板也应用一只容量更大些的低电感电容器对电源进行去耦。
(3)输入信号①输入信号的脉冲宽度应长于传播延迟时间,以免出现反射噪声.②要求逻辑"0"输出的器件,其不使用的输入端应接地或与同一门电路的在用输入端相连.③要求逻辑"1"输出的器件,其不使用的输入端应连接到一个大于2.7V的电压上.为了不增加传输时延时间和噪声敏感度,所接电压不要超过该电路的电压最大额定值5.5V④不使用的器件,其所有的输入端都应按照使功耗最低的方法连接.⑤在使用低功耗肖特基TTL电路时,应保证其输入端不出现负电压,以免电流流入输入钳位二极管.⑥时钟脉冲的上升时间和下降时间应尽可能短,以便提高电路的抗干扰能力⑦通常,时钟脉冲处于高态时,触发器的数据不应改变.若有例外,应查阅有关的数据规范.⑧扩展器应尽可能地靠近被扩展的门,扩展器的节点上不能有容性负载.⑨在长信号线的接收端应接一个0.5~1kΩ的上拉电阻,以便增加噪声容限和缩短上升时间.(4)输出信号①集电极开路器件的输出负载应连接到小于等于最大额定值的电压上,所有其他器件的输出负载应连接到UCC上.②长信号线应该由专门为其设计的电路驱动,如线驱动器﹑缓冲器等.③从线驱动器到接收电路的信号回路线应是连续的,应采用特性阻抗约为100Ω的同轴线或双绞线;④在长信号线的驱动端应加一只小于51Ω的串联电阻,以便消除可能出现的负过冲.(5)并联应用①除三态输出门外,有源上拉门不得并联连接.只有一种情况例外,即并联门的所有输入端和输出端均并联在一起,而且这些门电路封闭在同一外壳内.②某些TTL电路具有集电极开路输出端,允许将几个电路的开集电极输出端连接在一起,以实现"线与"功能.但应在该输出端加一个上拉电阻,以便提供足够的驱动信号,提高抗干扰能力,上拉电阻的阻值应根据该电路扇出能力确定.5CMOS电路选用时应注意的事项
(1)电源①稳定性应保持在±5%之内;②纹波系数应小于5%;③电源初级应有射频旁路.④如果CMOS电路自身和其输入信号源使用不同的电源,则开机时应首先接通CMOS电源,然后接通信号源;关机时应该首先关闭信号源,然后关闭CMOS电源.
(2)去耦每使用10~15块CMOS电路就应当用一个0.01~0.1uF的射频电容器对电源电压进行去耦.去耦电容的位置应尽可能地靠近集成电路,二者之间的距离应在15cm之内.每块印刷电路板也应用一只容量更大些的低电感电容器对电源进行去耦。
(3)输入信号①输入信号电压的幅度应限制在CMOS电路电源电压范围内,以免引发门锁.②多余的输入端在任何情况下都不得悬空.应适当地连接到CMOS电路的电压正端或负端上.③当CMOS电路由TTL电路驱动时,应该在CMOS电路的输入端与UCC连一个上拉电阻.④在非稳态和单稳态多谐振荡器等应用中,允许CMOS电路有一定的输入电流(通过保护二极管),但应在其输入加接一只串联电阻,将输入电流限制在微安级的水平上.(4)输出信号①输出电压的幅度应限制在CMOS电路电源电压范围内,以免引发门锁②长信号线应该由专门为其设计的电路驱动,如线驱动器﹑缓冲器等.③应避免在CMOS电流的输出端接大于500pF的电容负载;④CMOS电路的扇出系数应根据其输出容性负载量来确定,通常可按下式计算:
FO0.8CLCi式中,FO为扇出系数,CL为CMOS电路的额定容性负载电容,0.8是容性负载的降额系数,Ci为CMOS电路的额定输入电容.(5)并联应用除三态输出门外,有源上拉门不得并联连接.只有一种情况例外,即并联门的所有输入端和输出端均并联在一起,而且这些门电路封闭在同一外壳内.(6)对集成电路使用条件应注意的问题使用环境包括电源种﹑工作速度的要求﹑外界干扰情况﹑体积要求﹑可靠性要求和环境温度等.①功耗问题.设计一个便携式设备,使用电池供电,不必须选择功耗极低的CMOS电路②工作频率问题.若电路工作频率高于10MHz,就不能选用4000系列器件,因为4000系列器件的最高工作频率为7MHz.③工作温度问题.例如:
民用级74LSxx系列的器件,其工作温度为0~70℃.当产品工作温度低于0℃时就可能会出现故障④抗干扰问题.若产品工作环境中有较大的电气设备等强干扰源时,除需采取抗干扰措施外,最好选用电源电压较高的CMOS电路,电源电压较高时,器件的噪声容限也较高⑤新器件问题.选择一个器件前必须对同类器件的性能有比较详细的了解,特别是一些新型器件的出现,对于产品的研发经常起着事半功倍作用的器件.⑥功能问题.在选择器件时尽可能选择规模较大的器件,既可以简化设计,降低系统成本,还能降低故障率.⑦设计思路问题.例如:
译码器是数字集成电路中常用的组合电路器件,但要完成8位二进制的数的译码,需要使用多片译码器器件和部分门电路,比较复杂.很多情况下,不需要将8位二进制数的状态全部译码出来,只需要少量几个译码结果,放弃使用通用译码器而采用可编程逻辑器件译码,这样不但使用方便,电路简单,效果良好,还提高了系统的保密性能.一个良好的设计思路往往会带来令人意想不到的效果.⑧市场供求和价格因素.选择器件必须了解市场行情,并不是所有能在手册中查找到的器件在市场上都能买到.即使在市场上能买到样片,批量生产时也可能会出现生产厂家已经停止生产,市场缺货的情况.如果市场上也没有同类替代器件,就只好重新修改设计,报废所设计的印刷电路板,造成了时间和材料的浪费.产品价格是产品在市场竞争中的重要因素,器件的价格直接影响产品成本,因此在满足产品技术条件的前提下,设计者要尽可能地降低成本.器件的市场价格不仅取决于器件的质量﹑集成度和本身的技术含量,还取决于商家的进货渠道﹑经营策略等,更重要的是取决于市场供求关系.一个有经验的设计者在设计某个电路时往往会做出几在套方案,然后根据器件价格等因素筛选.共基极放大电路共基极放大电路分析与计算共基极放大电路(简称共基放大电路)如图1(a)所示,直流通路采用的是分压偏置式,交流信号经C1从发射极输入,从集电极经C2输出,C1、C2为耦合电容,Cb为基极旁路电容,使基极交流接地,故称为共基极放大器。
微变等效电路如图1(b)所示。
(a)iii+uo-(b)图1共基极放大电路(a)基本放大电路;(b)微变等效电路1)静态工作点(与共发射极放大电路分析方法一样)图1中如果忽略IBQ对Rb1、Rb2分压电路中电流的分流作用,则基极静态电压UBQ为UBQRb2UCCRb1Rb2流经Re的电流IEQ为IEQUEUBUBEReRe如果满足UB〉〉UBE,则上式可简化为ICQIEQRb2UB1UCCReReRb1Rb2而IBQIEQ1UCEQUCC(RCRe)ICQ2)动态分析利用三极管的微变等效模型,可以画出图1(a)电路的微变等效电路如图1(b)所示。
图中,b、e之间用rbe代替,c、e之间用电流源βib代替。
(1)电流放大倍数。
在图1(b)中,当忽略Re对输入电流ii的分流作用时,则ii≈-ie;流经R′L(R′L=Rc∥RL)的输出电流io=-ic。
Aii0icaiiieα称作三极管共基电流放大系数。
由于α小于且近似等于1,所以共基极电路没有电流放大作用。
(2)电压放大倍数。
根据图1(b)可得ui=-rbeibuo=R’Lio=-R’Lic=-βR’Lib所以,电压放大倍数为AuuORLuirbe上式表明,共基极放大电路具有电压放大作用,其电压放大倍数和共射电路的电压放大倍数在数值上相等,共基极电路输出电压和输入电压同相位。
(3)输入电阻。
当不考虑Re的并联支路时,即从发射极向里看进去的输入电阻r′i为rirbeibrbe
(1)ib1rbe是共射极电路从基极向里看进去的输入电阻,显然,共基极电路从发射极向里看进去的输入电阻为共射极电路的1(1+β)。
(4)输出电阻。
在图1(b)中,令us=0,则ib=0,受控电流源βib=0,可视为开路,断开RL,接入u,可得i=u/Rc,因此,求得共基放大电路的输出电阻ro=Rc。
综上所述,共基、共射电路元件参数相同时,它们的电压放大倍数Au数值是相等的,但是,由于共基电路的输入电阻很小,输入信号源电压不能有效地激励放大电路,所以,在Rs相同时,共基极电路实际提供的源电压放大倍数将远小于共射电路的源电压放大倍数。
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例题计算:
下面是对下图共基极放大电路的计算分析,可以和仿真分析进行、Ri和Ro;对比;设晶体管的=100,rbb=100Ω。
求电路的Q点、Au解:
静态分析:
(与共发射极电路同)URb1BQRVCC2Vb1Rb2IUBQUBEQEQR1mAfReIEQIBQ110μAUCEQVCCIEQ(RcRfRe)5.7V动态分析:
iii+uo-(b)26mVrberbb
(1)2.73kIEQib(RC∥RL)(RC∥RL)A100uibrberbeR/uiibrberbeii
(1)iib
(1)Rrberbei(ReRf)//11RoRC20()8共集电极放大电路与共基极放大电路一、复习引入共射极放大的特点有哪些?
二、新授
(一)共集电极放大电路共集电极放大电路的组成如图1(a)所示。
图1(b)为其微变等效电路,由交流通路可见,基极是信号的输入端,集电极则是输入、输出回路的公共端,所以是共集电极放大电路,发射极是信号的输出端,又称射极输出器。
各元件的作用与共发射极放大电路基本相同,只是Re除具有稳定静态工作的作用外,还作为放大电路空载时的负载。
(a)电路图(b)微变等效电路图1共集电极放大电路1.静态分析由图1(a)可得方程VCC=IBRB+UBE+(1+β)IBRE则IB=(VCC-UBE)/RB+(1+β)REIC=βIBUCE=Vcc-IERE≈Vcc-ICRE3.动态分析
(1)电压放大倍数Au由图1(b)可知ui=ibrbe+ieRL′=ib[rbe+(1+β)RL′]uo=ieRL′=(1+β)ibRL′式中:
RL′=RE//RL。
故Au==uo/ui=ib(1+β)RL′/Ib[rbe+(1+β)RL′]=(1+β)RL′/[rbe+(1+β)RL′]一般(1+β)RL′>rbe,故Au≈1,即共集电极放大电路输出电压与输入电压大小近似相等,相位相同,没有电压放大作用。
(2)输入电阻RiRi=ui/ib=ibreb+(1+β)ibRL′/Ib=rbe+(1+β)RL′故Ri=RB//RL′=RB//[rbe+(1+β)RL′]说明,共集电极放大电路的输入电阻比较高,它一般比共射基本放大电路的输入电阻高几十倍到几百倍.(3)输出电阻Ro将图3(b)中信号源Us短路,负载RL断开,计算R0的等效电路如图2所示。
图2计算输出电阻的等效电路由图可得I=Ie+Ib+βIb=Ie+(1+β)Ib=Uo/(RE+(1+β))·U/(rbe+RS′)式中:
Rs′=RS//RB。
故uo/i=RE//(rbe+RS′/1+β)通常Re一般较小,所以R0≈(rbe+RS′)/(1+β)=[rbe+(RS//Rb)]/1+β式中,信号源内阻和三极管输入电阻rbe都很小,而管子的β值一般较大,所以共集电极放大电路的输出电阻比共射极放大电路的输出电阻小得多,一般在几十欧左右。
例1若如图1(a)所示电路中各元件参数为:
UCC=12V,RB=240k,RE=3.9k,RS=600,RL=12k。
β=60。
C1和C2容量足够大,试求:
Au,Ri,Ro。
解:
由(2.19)得IBUCCUBE12mA25ARB
(1)RE240(160)3.9IEICIB6025A1.5mA26mV26mV因此rbe=300+(1+)300(160)1.4KIE1.5mA3.912K2.9K又RLRE//RL3.912(1+)RL(160)2.9得Au0.99rbe(1+)RL1.4(160)2.9RiRB//[rbe(1+)RL]200//[1.4(160)2.9]K102Krbe(Rs//RB)1.4103(0.6//240)103Ro331+1603.特点和应用共集电极放大电路的主要特点是:
输入电阻高,传递信号源信号效率高。
输出电阻低,带负载能力强;电压放大倍数小于或近似等于1而接近于1;且输出电压与输入电压同相位,具有跟随特性。
虽然没有电压放大作用,但仍有电流放大作用,因而有功率放大作用。
这些特点使它在电子电路中获得了广泛的应用。
(1)作多级放大电路的输入级由于输入电阻高可使输入放大电路的信号电压基本上等于信号源电压。
因此常用在测量电压的电子仪器中作输入级。
(2)作多级放大电路的输出级由于输出电阻小提了放大电路的带负载能力,故常用于负载电阻较小和负载变动较大的放大电路的输出级。
(3)作多级放大电路的缓冲级将射极输出器接在两级放大电路之间,利用其输入电阻高、输出电阻小的特点。
可作阻抗变换用,在两级放大电路中间起缓冲作用。
(二)共基极放大电路共基极放大电路的主要作用是高频信号放大,频带宽,其电路组成如图3所示。
图3中RB1、RB2为发射结提供正向偏置,公共端三极管的基极通过一个电容器接地,不能直接接地,否则基极上得不到直流偏置电压。
输入端发射极可以通过一个电阻或一个绕组与电源的负极连接,输入信号加在发射极与基极之间(输入信号也可以通过电感耦合接入放大电路)。
集电极为输出端,输出信号从集电极和基极之间取出。
图3共基极放大电路1.静态分析由图3不难看出,共基极放大电路的直流通路与图3共射极分压式偏置电路的直流通路一样,所以与共射极放大电路的静态工作点的计算相同。
2.动态分析共基极放大电路的微变等效电路如图3所示,由图3可知UoIc(Re//RL)RLAuUiIbrberbe说明,共基极放大电路的输出电压与输入
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- 基极 放大 电路
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