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C4 · BJT

共射放大器:小输入变大的反相输出

把小信号模型放进实际电路,第一次得到电压增益。这一单元亲手增大集电极电阻,看输出变成输入的多少倍,以及它为什么会反相。

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。

集电极电阻 RcRc = 0.10 kΩ
电压增益 Av
Av = -gm Rc = -19
Rc 很小。信号电流在小电阻上产生的电压也小,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。

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 ?
信号电流等于跨导乘以输入电压。
填空Av = voutvin = -gm ?
增益等于跨导与集电极电阻之积再加上负号。
自己来Av = -(IcVT) ?
展开 gm,增益由工作点电流与 Rc 决定。

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。

共射极放大器是把小信号模型(C3)放进电路。输入 vin 使基极摆动,产生信号电流 ic = gm vbe,这个电流流过集电极电阻 Rc,产生 vout = -ic Rc。电流增大时集电极电压下降,所以输出反相。电压增益为 Av = vout/vin = -gm Rc。gm 和 Rc 越大增益越大,但输出摆幅受 C2 工作点余量的限制,过头就会削波。

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。