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C4 · BJT

共射放大器:小输入变大的反相输出

把小信号模型嵌入真实电路,首次造出电压增益。亲手增大集电极电阻,看输出涨到输入的几倍、又为何翻转。

增大集电极电阻,造出增益

浅色曲线是小输入 vin,粗线是输出 vout。增大集电极电阻 Rc,输出越来越大。而且输出是翻转的:输入升时它降。

集电极电阻 RcRc = 0.10 kΩ
电压增益 Av
Av = -gm Rc = -19
Rc 较小。信号电流在小电阻上产生的电压小,输出比输入大不了多少。
增益小

输入摆动基极,集电极电流随之摆动

把输入信号经电容耦合到基极,工作点之上便叠加一个小 vbe。如 C3 所见,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成比例的电流摆动。注意这还是电流,尚非电压。

那电流在 Rc 上变成电压,并翻转

这股信号电流流过集电极电阻 Rc。由欧姆定律,Rc 两端电压摆动 ic Rc。输出取自集电极,其电压是 Vcc 减 Ic Rc。所以信号电流增大时,集电极电压反而下降。输入升时输出降,即输出是输入的反相复制。vout = -ic Rc。

电压增益 Av = -gm Rc

把 ic = gm vbe 代入 vout = -ic Rc,得电压增益 Av = vout/vin = -gm Rc。gm 由 C2 选的工作点电流决定,Rc 由设计者选定,二者定下增益。负号意味着 180 度反相。但增益升高并不能让输出无限增大。输出摆幅受 C2 工作点余地约束,gm Rc 太大时波峰撞上电源被削。增益与摆幅相互权衡。

观察vout = -ic Rc
输出电压是信号电流在 Rc 上产生的电压,符号相反。
选择ic = gm ?
信号电流是跨导乘输入电压。
填空Av = voutvin = -gm ?
增益是跨导与集电极电阻之积取负号。
自己来Av = -(IcVT) ?
展开 gm,增益由工作点电流与 Rc 决定。

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集电极电阻越大,输出越大,每当输入上升输出便下降,画出翻转的形状。秘密分两步:小输入电压先经晶体管变成信号电流 gm vbe,该电流流过集电极电阻 Rc 变成 ic Rc 的电压、把集电极电压拉低。二者之积 -gm Rc 就是电压增益。但太贪心则波峰撞上电源被削,故增益总是与 C2 的摆幅余地携手而定。小信号模型终于完成为放大的运算。

共射放大器是把小信号模型(C3)放入电路。输入 vin 摆动基极产生信号电流 ic = gm vbe,该电流流过集电极电阻 Rc 产生 vout = -ic Rc。电流增大使集电极电压下降,故输出反相电压增益 Av = vout/vin = -gm Rc。gm 与 Rc 越大增益越大,但输出摆幅受 C2 余地约束,过度则钳幅

接下来的脉络

现在你握住了一个电压增益。但放大器从不孤立:前有给信号的源,后有受信号的负载。下一单元看放大器对源和负载呈现什么,即输入阻抗与输出阻抗,以及它们如何削减或决定实际增益。