共发射极放大器

假设我们有兴趣使用太阳能电池作为光强度仪器。我们想通过使用太阳能电池的输出电流来驱动仪表运动来测量太阳能电池的入射光强度。为此，可以将仪表机芯直接连接到太阳能电池。最简单的摄影用测光表就是这样设计的。

高强度光直接驱动测光表。

虽然这种方法可能适用于中等光强度测量，但它不适用于低光强度测量。由于太阳能电池必须提供仪表运动的电力需求，因此系统的灵敏度必然受到限制。假设我们在这里需要测量非常低的光强度，我们不得不寻找另一种解决方案。

晶体管作为放大器

也许解决这个测量问题最直接的方法是使用晶体管到 放大 太阳能电池的电流，从而以更少的入射光获得更多的仪表偏转。

低强度光必须放大细胞电流。

在该电路中通过仪表运动的电流将是太阳能电池电流的 β 倍。对于 100 的晶体管 β，这代表测量灵敏度的显着提高。谨慎地指出，移动仪表指针的额外动力来自电路最右侧的电池，而不是太阳能电池本身。太阳能电池的所有电流都是控制 为仪表提供电池电流，以提供比太阳能电池无法提供的更大的仪表读数。

由于晶体管是一种电流调节装置，并且由于电表的运动指示是基于通过动圈的电流，因此该电路中的电表指示应仅取决于来自太阳能电池的电流，而不取决于由太阳能电池提供的电压量电池。这意味着电路的准确性将与电池状况无关，这是一个重要的特征！电池所需的只是一定的最小电压和电流输出能力，以驱动仪表满量程。

通过负载电阻的电流引起的电压输出

可以使用共发射极配置的另一种方式是产生输出电压 源自输入信号，而不是特定的输出电流 .让我们用普通电阻器代替仪表运动，并测量集电极和发射极之间的电压。

由于通过负载电阻的电流，共发射极放大器产生电压输出。

随着太阳能电池变暗（无电流），晶体管将处于截止模式并充当集电极和发射极之间的开路开关。这将在集电极和发射极之间产生最大电压降以获得最大 Voutput，等于电池的全电压。

在全功率（最大曝光量）下，太阳能电池将驱动晶体管进入饱和模式，使其表现为集电极和发射极之间的闭合开关。结果将是集电极和发射极之间的最小电压降，或几乎为零的输出电压。实际上，由于集电极电流必须通过两个 PN 结，饱和晶体管永远无法在集电极和发射极之间实现零压降。然而，这个“集电极-发射极饱和电压”会相当低，大约十分之几伏，具体取决于所使用的具体晶体管。

对于介于零和最大太阳能电池输出之间的光照水平，晶体管将处于活动模式，输出电压将介于零和全电池电压之间。这里要注意的关于共发射极配置的一个重要特性是输出电压反相 相对于输入信号。即，输出电压随着输入信号的增加而降低。因此，共发射极放大器配置被称为反相 放大器。

下图中电路的快速 SPICE 仿真（下图）将验证我们对该放大器电路的定性结论。

 *共发射极放大器 i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end 

带有节点号和相应 SPICE 网表的公共发射极原理图。

共发射极：集电极电压输出 vs 基极电流输入。

在上图中的仿真开始时，电流源（太阳能电池）输出零电流，晶体管处于截止模式，放大器输出（节点 2 和 0 之间）显示来自电池的全部 15 伏电压.随着太阳能电池的电流开始增加，输出电压按比例降低，直到晶体管在 30 µA 基极电流（3 mA 集电极电流）时达到饱和。请注意图中的输出电压轨迹是如何完美线性的（从 15 伏到 1 伏的 1 伏步长）直到饱和点，在那里它永远不会完全达到零。这是前面提到的效果，由于内部结效应，饱和晶体管永远无法在集电极和发射极之间实现精确的零压降。我们看到的是，随着输入电流从 28 µA 增加到 30 µA，输出电压从 1 伏急剧下降到 0.2261 伏，然后输出电压从那时起持续下降（尽管步长逐渐减小）。本次模拟的最低输出电压为 0.1299 伏，逐渐接近于零。

晶体管作为交流放大器

到目前为止，我们已经看到了用作直流信号放大器的晶体管。在太阳能电池光度计示例中，我们对放大太阳能电池的直流输出以驱动直流电表运动或产生直流输出电压感兴趣。然而，这并不是将晶体管用作放大器的唯一方式。通常是 AC 放大交替的放大器 需要电流和电压信号。它的一个常见应用是音频电子设备（收音机、电视和公共广播系统）。早些时候，我们看到了一个音叉音频输出激活晶体管开关的例子。让我们看看我们是否可以修改该电路以将电源发送到扬声器而不是下图中的灯。

由音频激活的晶体管开关。

原电路中采用全波桥式整流器，将麦克风的交流输出信号转换为直流电压，驱动晶体管的输入端。我们在这里关心的只是用麦克风发出的声音信号打开灯，这种安排就足够了。但是现在我们要再现交流信号并驱动扬声器。这意味着我们不能再对麦克风的输出进行整流，因为我们需要一个不失真的交流信号来驱动晶体管，移除桥式整流器并用扬声器代替灯：

共发射极放大器以音频信号驱动扬声器。

由于麦克风产生的电压可能会超过基极-发射极 PN（二极管）结的正向压降，因此必须与麦克风串联一个电阻。用 SPICE 仿真电路。网表包含在（下图）

SPICE版共发射极音频放大器。

共发射极放大器 vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.7tran vplot. (1,0) i(v1) .end 

由于缺乏 DC 基极偏置，信号在集电极处被削波。

仿真绘制了输入电压（1.5 伏峰值幅度和 2000 Hz 频率的交流信号）和通过 15 伏电池的电流，这与通过扬声器的电流相同。我们在这里看到的是一个在正负方向交替的完整交流正弦波和一个只在一个方向上脉冲的半波输出电流波形。如果我们用这种波形驱动扬声器，产生的声音会失真。

电路有什么问题？为什么它不能忠实地再现麦克风的整个交流波形？这个问题的答案是通过仔细检查下图中的晶体管二极管电流源模型找到的。

模型表明基极电流单向流动。

根据流过基极-发射极二极管的电流设定的速度，通过恒流机制控制或调节集电极电流。请注意，通过晶体管的两条电流路径都是单向的：只有一种方式！ 尽管我们打算使用晶体管来放大 AC 信号，它本质上是一个DC 设备，能够处理单方向的电流。我们可以在基极和发射极之间施加交流电压输入信号，但在基极 - 发射极二极管结反向偏置的周期部分期间，电流不能在该电路中流动。因此，晶体管将在整个周期的那个部分保持截止模式。只有当输入电压具有正确的极性以正向偏置基极 - 发射极二极管，并且只有当该电压足够高以克服二极管的正向压降时，它才会在其活动模式下“开启”。请记住，双极晶体管是电流控制设备 ：它们根据基极到发射极电流的存在来调节集电极电流 , 不是基极到发射极电压 .

当电流通过扬声器时，我们可以让晶体管重现整个波形的唯一方法是让晶体管始终处于活动模式。这意味着我们必须在整个输入波形周期内保持通过基极的电流。因此，基极-发射极二极管结必须始终保持正向偏置。幸运的是，这可以通过直流偏置电压来实现 添加到输入信号。通过将足够的直流电压与交流信号源串联，可以在整个波周期的所有点保持正向偏置。 （下图）

Vbias 使晶体管保持在有源区。

共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn.02m 0 m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

由于 Vbias 导致的未失真输出电流 I(v(1)

在 2.3 伏的偏置电压源就位后，晶体管在整个波形周期内保持其活动模式，忠实地再现扬声器上的波形。请注意，输入电压（在节点 1 和 0 之间测量）在大约 0.8 伏和 3.8 伏之间波动，正如预期的那样，峰峰值电压为 3 伏（源电压 =1.5 伏峰值）。输出（扬声器）电流在零到几乎 300 mA 之间变化，与输入（麦克风）信号的相位相差 180°。

下图中的图示是同一电路的另一个视图，这次在关键点连接了几个示波器（“示波器”）以显示所有相关信号。

输入在底部向上偏置。输出反相。

偏差

需要偏置晶体管放大器电路以获得全波形再现是一个重要的考虑因素 .本章的一个单独部分将完全专注于偏置和偏置技术的主题。现在，了解偏置可能对放大器的适当电压和电流输出是必要的就足够了。

现在我们有了一个功能强大的放大器电路，我们可以研究它的电压、电流和功率增益。这些 SPICE 分析中使用的通用晶体管的 β 为 100，如下表的文本输出中包含的简短晶体管统计数据打印输出所示（为简洁起见，这些统计数据从最后两次分析中删除）。

BJT SPICE 模型参数。

 类型 npn 是 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000

β 列在缩写“bf”下，它实际上代表“beta, forward” .如果我们想插入我们自己的 β 比率进行分析，我们可以在 SPICE 网表的 .model 行中这样做。

由于 β 是集电极电流与基极电流的比值，我们将负载与晶体管的集电极串联，将源极与基极串联，因此输出电流与输入电流的比值等于 β。因此，此示例放大器的当前增益为 100 或 40 dB。

电压增益

对于该电路，电压增益的计算比电流增益要复杂一些。与往常一样，电压增益定义为输出电压除以输入电压的比率。为了通过实验确定这一点，我们修改了上一次 SPICE 分析以绘制输出电压而不是输出电流，因此我们有两个电压图可以在下图中进行比较。

共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn.02m 0 m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

V(3)，r 两端的输出电压 spkr ，与输入相比。

以相同的比例（从 0 到 4 伏）绘制，我们看到上图中的输出波形具有比输入波形更小的峰峰值幅度，此外还处于较低的偏置电压，而不是从0 伏特像输入。由于交流放大器的电压增益由交流幅度的比率定义，我们可以忽略任何分隔两个波形的直流偏置。即便如此，输入波形仍然大于输出，这告诉我们电压增益小于1（负dB数字）。

低电压增益不是所有的特征 共发射极放大器。这是输入电阻和负载电阻之间存在巨大差异的结果。此处的输入电阻 (R1) 为 1000 Ω，而负载（扬声器）仅为 8 Ω。由于该放大器的电流增益仅由晶体管的 β 决定，并且因为该 β 数字是固定的，所以该放大器的电流增益不会随着这些电阻中的任何一个的变化而变化。然而，电压增益是 依赖于这些阻力。如果我们改变负载电阻，使其值更大，它会在其负载电流范围内按比例降低更大的电压，从而产生更大的输出波形。尝试另一个模拟，只是这次使用下图中的 30 Ω 负载而不是 8 Ω 负载。

共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod0.7 2mtran m .plot tran v(1,0) v(3) .end 

将 rspkr 增加到 30 Ω 会增加输出电压

这次上图中的输出电压波形幅度明显大于输入波形。仔细观察，我们可以看到输出波形在 0 到 9 伏之间达到峰值：大约是输入电压幅度的 3 倍。

我们可以对该电路进行另一次计算机分析，这次指示 SPICE 从交流的角度分析它，为我们提供输入和输出的峰值电压数据，而不是基于时间的波形图。 （下表）

用于打印交流输入和输出电压的 SPICE 网表。

 共发射极放大器 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000.acprint( 1,0) v(4,3) .end 频率 v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

输入和输出的峰值电压测量显示输入为 1.5 伏，输出为 4.418 伏。这为我们提供了 2.9453 (4.418 V / 1.5 V) 或 9.3827 dB 的电压增益比。

求解电压增益：

因为共发射极放大器的电流增益由 β 固定，并且由于输入和输出电压将等于输入和输出电流乘以各自的电阻，我们可以推导出近似电压增益的方程：

如您所见，电压增益的预测结果与模拟结果非常接近。对于完美线性的晶体管行为，两组数字将完全匹配。 SPICE 在其分析中合理地考虑了双极晶体管功能的许多“怪癖”，因此基于 SPICE 输出的电压增益略有不匹配。

无论我们在电路中的哪个位置测量输出电压，这些电压增益都保持不变：集电极和发射极之间，或者是我们在上次分析中所做的串联负载电阻。输出电压量变化 对于任何给定数量的输入电压将保持不变。考虑以下两个 SPICE 分析作为证明。下图中的第一个仿真是基于时间的，以提供输入和输出电压图。您会注意到两个信号的相位相差 180o。下表中的第二个模拟是交流分析，为输入和输出提供简单的峰值电压读数。

共发射极放大器 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod0.0.4mtran m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end 

共发射极放大器显示电压增益，Rspkr=30Ω 用于交流分析的 SPICE 网表

 共发射极放大器 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000.acprint( 1,0) v(3,0) .end 频率 v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00

我们仍然有 4.418 伏的峰值输出电压和 1.5 伏的峰值输入电压。

到目前为止，本节所示的示例电路都使用了 NPN 晶体管。 PNP 晶体管在任何中与 NPN 一样有效 放大器配置，只要保持正确的极性和电流方向，共发射极放大器也不例外。 PNP晶体管放大器的输出反转和增益与NPN晶体管放大器相同，只是电池极性不同。

PNP版共发射极放大器。

评论：

• 公共发射器 所谓晶体管放大器，是因为输入和输出电压点共用晶体管的发射极引线，不考虑任何电源。
• 晶体管本质上是直流设备：它们不能直接处理反向的电压或电流。为了使它们用于放大交流信号，输入信号必须用直流电压偏移，以在整个波的整个周期内保持晶体管处于活动模式。这称为偏差 .
• 如果在共发射极放大器的发射极和集电极之间测量输出电压，它将与输入电压波形相差 180°。因此，共发射极放大器被称为反相 放大电路。
• 负载与集电极串联的共发射极晶体管放大器的电流增益等于 β。共发射极晶体管放大器的电压增益大致如下所示：

• 其中“Rout”是与集电极串联的电阻器，“Rin”是与基极串联的电阻器。

相关工作表：

• A 类 BJT 放大器工作表