共射放大器:小输入变大的反相输出
增大集电极电阻,得到增益
浅色曲线是小的输入,粗曲线是输出。增大集电极电阻,输出越来越大,但它是倒过来的:输入上升时输出下降。增大电阻,确认输出长得比输入大得多,同时也留意波峰碰到上下极限、开始被削掉的那一点。
输入摆动基极,集电极电流随之摆动
把输入信号经电容加到基极上,工作点之上就叠加了小的 vbe。正如 C3 中看到的,这个小电压产生信号电流 ic = gm vbe。晶体管把输入电压的摆动变成了与之成正比的电流摆动;要注意的是,到这里它还是电流,不是电压。
那电流在 Rc 上变成电压,并翻转
这个信号电流流过集电极电阻 Rc,由欧姆定律,Rc 两端的电压摆动 ic Rc。输出取自集电极,而集电极电压等于 Vcc 减去 Ic Rc,所以信号电流增大时,集电极电压反而下降。输入上升时输出下降,所以输出是输入反相放大后的副本:vout = -ic Rc。
电压增益 Av = -gm Rc
把 ic = gm vbe 代入 vout = -ic Rc,就得到电压增益 Av = vout/vin = -gm Rc。gm 由 C2 中选定的工作点电流决定,Rc 由设计者选择,增益就由这两者决定。负号表示相位反转 180 度。尽管如此,输出也不能无限增大。输出能摆动的幅度受 C2 工作点余量的限制,gm Rc 太大时,波峰会撞上电源而被削掉。增益和摆幅此消彼长。
回到第一屏
集电极电阻越大,输出越大;每当输入上升,输出就下降,画出反相的形状。背后有两个步骤:小的输入电压先经过晶体管变成信号电流 gm vbe,这个电流再流过集电极电阻,变成 ic Rc 的电压,把集电极电压拉低。两者相乘的 -gm Rc 就是电压增益。可是增得太大,波峰碰到电源就被削掉,所以增益总是和 C2 的摆幅余量一起决定。小信号模型终于作为放大的计算完成了。
接下来的脉络
现在你手里有了一个电压增益。但放大器不是孤立的:前面接着提供信号的信号源,后面接着接收信号的负载。下一单元讨论放大器在信号源和负载看来是什么样子,也就是输入阻抗和输出阻抗,以及它们怎样削减或决定实际增益。