3.3.5共射放大电路的设计

好，这节课我们介绍

共射放大电路的设计

它位于教材的3.4.8节

想要大概了解

共射放大电路的原理

是很简单的

几行数学推导就够了

但是想要真正设计好

一个共射放大电路

却并非容易的事

我们用了 N 个小节来学习

共射放大电路的细节问题

有了这些知识的储备

就可以开始真正设计电路了

如图所示的

阻容耦合共射放大电路为例

对输入2 Vpp/1 kHz 的正弦波信号

负载100千欧

设计5倍放大电路的思路和步骤

首先必须选定供电电压 VCC

电路中供电电压高

那么功耗就大

在可能的情况下

大家总是在不断减小供电电压

以期实现低功耗

在放大电路中

最小的供电电压

应取决于信号的幅度

例如我们要把2 Vpp 的信号放大5倍

那么极限 VCC

将等于2 Vpp 乘以5

就是10 Vpp

然后再加上

0.5伏的 UCES 和 URE

所以最小应该是10.5伏

供电电压的余量越大

设计压力越小

这里我们取15伏常见电压

然后我们设计

RC 和 RE 的取值

根据负载电阻的大小

设定共射放大电路的输出阻抗 RC

电路中的设计

我们有这么一句话

甘蔗没有两头甜

什么意思呢

比如说电阻

电阻的取值它是有权衡的

如果越大越好我们就开路了

如果越小越好我们就短路了

一定是有权衡

这里面我们 RC 就是

RC 越小

当然输出阻抗越小

带上负载后

它的放大倍数就越稳定

但是 RC 越小

电路的静态功耗就越大了

即不带负载时

也会白白消耗掉能量

所以这个 RC 不可能越大越好

也不可能越小越好

那取多少呢

综合考虑负载的情况

RC 设定为10千欧

因为那正好是

负载100千欧的十分之一

达到电路中

远小于的这样一个标准

带上负载以后

对放大电路的影响并不大

接着是根据放大倍数确定 RE

因为我们的放大倍数是5倍

RC 定为10千欧的话

除以5

那 RE 就应该是2千欧

然后是设计

输入信号的偏置电压

共射放大电路是反向放大

所以输入信号的直流偏置越高

输出信号越往下移

输入信号的偏置越低

输出信号越往上移

如果没有特殊要求的话

我们还是要将输出信号

放在电源轨的正中央保险

这样可以得到最大不失真的增益

那对于图当中

我们电源电压是15伏的话

取中间值应该是7.5伏

好，根据 uI = 0伏

也就是所谓的静态

我们 VC 取了是7.5伏

然后我们可以反推出

输入信号的偏置 VB 来

VB 怎么算呢

我们先求出 iC 电流

iC 电流等于

(VCC - VC) / RC

就可以得到0.75毫安

因为 iC 约等于 iE

那么我们的 VB

将由 VE 加上0.7伏得到

所以等于2.2伏

然后根据偏置电压

设置分压电阻 R1 和 R2

由15伏分压出2.2伏

分压电阻的配比是无穷无尽的

当然这个阻值越大越好

第一，它越大功耗就越低

第二，它的输入阻抗就更高

但是甘蔗没有两头甜

前面说过

由于我们的分压式网络当中

还包含一个支路

它有这么一个支路

R2 必须小到可以忽略支路电流才行

也就是说

如果 R2 的阻值取得太大了

这个电流太小

那么不能忽略

基极这个分流电流的话

那么这点的电位

将不单单由这两个电阻说了算

也就是说这里面

R2 的取值不能太大

好，按β值100倍计算

RE' 我们取200千欧

因为 RE 要反射到输入端

正好放大β倍

所以是200千欧

R2 的取值

我们取远小于 RE'

所以我们取了十分之一

20千欧

根据 R2 为20千欧

就可以算出 R1 的阻值了

R1 为116千欧

但是在 E24 系列当中

没有116千欧怎么办

我们就近取了个120千欧

这样会带来一点直流误差

但是由于 VCC 余量比较大

这个误差影响不大

好，最后我们再看

电解电容 C1 和 C2 的选择

前面说过

电解电容在模拟电路中的作用

可以看成是一个电池

为了达到这一效果

电容必须对信号频率的阻抗接近0

换句话说

电解电容用多大才够呢

是和信号频率有关的

不能影响我们的信号频率

从滤波器的观点

电容 C1 和 R1 并 R2 并 RE'

也就是我们的输入电阻

构成的是高通滤波器

只要保证

这个高通滤波器的截止频率

低于我们信号的频率十分之一

我们就认为

它不会影响我们的信号

那么计算一下

截止频率小于100 Hz

因为我们信号是1000 Hz

十分之一就是100 Hz

可以计算出

C1大于102nF就可以了

同理电容 C2 是和负载 RL

构成的高通滤波器

只要保证

这个高通滤波器的截止频率

低于信号频率的十分之一

就认为它没有影响了

所以我们也可以算出来

它的截止频率小于100 Hz

那反推一下 C2 的值

为15.9 nF

由于电路中使用的

都是1千欧以上的电阻

所以元件的功耗

一般是没有问题的

如果电路当中

用了非常小阻值的电阻

就需要再核对一下

元件的功耗是否合理

最后我们进行 TINA 仿真

这就是我们设计的

电路的输入输出波形

非常漂亮，没有失真

好，我们总结一下

整个共射放大电路的设计过程

第一步

是要根据输入输出信号的幅值

来选定供电电压

第二，根据负载 RL

去选择 RC

第三，根据放大倍数以及 RC

来确定 RE 的阻值

第四步，根据 RC 和 RE

计算基极偏置电压 VB

再根据 VB 和 RE

计算 R1 和 R2

根据信号频率

以及输入输出电阻

我们才可以算出

C1 和 C2 的值

这就是整个

共射放大电路的设计过程

那么这节课就到这里

好，这节课我们介绍

共射放大电路的设计

它位于教材的3.4.8节

想要大概了解

共射放大电路的原理

是很简单的

几行数学推导就够了

但是想要真正设计好

一个共射放大电路

却并非容易的事

我们用了 N 个小节来学习

共射放大电路的细节问题

有了这些知识的储备

就可以开始真正设计电路了

如图所示的

阻容耦合共射放大电路为例

对输入2 Vpp/1 kHz 的正弦波信号

负载100千欧

设计5倍放大电路的思路和步骤

首先必须选定供电电压 VCC

电路中供电电压高

那么功耗就大

在可能的情况下

大家总是在不断减小供电电压

以期实现低功耗

在放大电路中

最小的供电电压

应取决于信号的幅度

例如我们要把2 Vpp 的信号放大5倍

那么极限 VCC

将等于2 Vpp 乘以5

就是10 Vpp

然后再加上

0.5伏的 UCES 和 URE

所以最小应该是10.5伏

供电电压的余量越大

设计压力越小

这里我们取15伏常见电压

然后我们设计

RC 和 RE 的取值

根据负载电阻的大小

设定共射放大电路的输出阻抗 RC

电路中的设计

我们有这么一句话

甘蔗没有两头甜

什么意思呢

比如说电阻

电阻的取值它是有权衡的

如果越大越好我们就开路了

如果越小越好我们就短路了

一定是有权衡

这里面我们 RC 就是

RC 越小

当然输出阻抗越小

带上负载后

它的放大倍数就越稳定

但是 RC 越小

电路的静态功耗就越大了

即不带负载时

也会白白消耗掉能量

所以这个 RC 不可能越大越好

也不可能越小越好

那取多少呢

综合考虑负载的情况

RC 设定为10千欧

因为那正好是

负载100千欧的十分之一

达到电路中

远小于的这样一个标准

带上负载以后

对放大电路的影响并不大

接着是根据放大倍数确定 RE

因为我们的放大倍数是5倍

RC 定为10千欧的话

除以5

那 RE 就应该是2千欧

然后是设计

输入信号的偏置电压

共射放大电路是反向放大

所以输入信号的直流偏置越高

输出信号越往下移

输入信号的偏置越低

输出信号越往上移

如果没有特殊要求的话

我们还是要将输出信号

放在电源轨的正中央保险

这样可以得到最大不失真的增益

那对于图当中

我们电源电压是15伏的话

取中间值应该是7.5伏

好，根据 uI = 0伏

也就是所谓的静态

我们 VC 取了是7.5伏

然后我们可以反推出

输入信号的偏置 VB 来

VB 怎么算呢

我们先求出 iC 电流

iC 电流等于

(VCC - VC) / RC

就可以得到0.75毫安

因为 iC 约等于 iE

那么我们的 VB

将由 VE 加上0.7伏得到

所以等于2.2伏

然后根据偏置电压

设置分压电阻 R1 和 R2

由15伏分压出2.2伏

分压电阻的配比是无穷无尽的

当然这个阻值越大越好

第一，它越大功耗就越低

第二，它的输入阻抗就更高

但是甘蔗没有两头甜

前面说过

由于我们的分压式网络当中

还包含一个支路

它有这么一个支路

R2 必须小到可以忽略支路电流才行

也就是说

如果 R2 的阻值取得太大了

这个电流太小

那么不能忽略

基极这个分流电流的话

那么这点的电位

将不单单由这两个电阻说了算

也就是说这里面

R2 的取值不能太大

好，按β值100倍计算

RE' 我们取200千欧

因为 RE 要反射到输入端

正好放大β倍

所以是200千欧

R2 的取值

我们取远小于 RE'

所以我们取了十分之一

20千欧

根据 R2 为20千欧

就可以算出 R1 的阻值了

R1 为116千欧

但是在 E24 系列当中

没有116千欧怎么办

我们就近取了个120千欧

这样会带来一点直流误差

但是由于 VCC 余量比较大

这个误差影响不大

好，最后我们再看

电解电容 C1 和 C2 的选择

前面说过

电解电容在模拟电路中的作用

可以看成是一个电池

为了达到这一效果

电容必须对信号频率的阻抗接近0

换句话说

电解电容用多大才够呢

是和信号频率有关的

不能影响我们的信号频率

从滤波器的观点

电容 C1 和 R1 并 R2 并 RE'

也就是我们的输入电阻

构成的是高通滤波器

只要保证

这个高通滤波器的截止频率

低于我们信号的频率十分之一

我们就认为

它不会影响我们的信号

那么计算一下

截止频率小于100 Hz

因为我们信号是1000 Hz

十分之一就是100 Hz

可以计算出

C1大于102nF就可以了

同理电容 C2 是和负载 RL

构成的高通滤波器

只要保证

这个高通滤波器的截止频率

低于信号频率的十分之一

就认为它没有影响了

所以我们也可以算出来

它的截止频率小于100 Hz

那反推一下 C2 的值

为15.9 nF

由于电路中使用的

都是1千欧以上的电阻

所以元件的功耗

一般是没有问题的

如果电路当中

用了非常小阻值的电阻

就需要再核对一下

元件的功耗是否合理

最后我们进行 TINA 仿真

这就是我们设计的

电路的输入输出波形

非常漂亮，没有失真

好，我们总结一下

整个共射放大电路的设计过程

第一步

是要根据输入输出信号的幅值

来选定供电电压

第二，根据负载 RL

去选择 RC

第三，根据放大倍数以及 RC

来确定 RE 的阻值

第四步，根据 RC 和 RE

计算基极偏置电压 VB

再根据 VB 和 RE

计算 R1 和 R2

根据信号频率

以及输入输出电阻

我们才可以算出

C1 和 C2 的值

这就是整个

共射放大电路的设计过程

那么这节课就到这里