共集电极放大电路与Multisim仿真学习笔记

前言

上一篇写了共射极放大电路的设计，本篇就写共集电极放大电路吧
晶体管放大电路与Multisim仿真学习笔记

共集电极放大电路的基本原理

下图为共集电极放大电路

共集电极放大电路输出信号是从发射极取出的，且没有集电极负载电阻\(R_c\)（因为输出信号是从发射极取出的，若留有集电极负载电阻，则\(R_c\)会有压降造成损耗）。

静态分析

下图为直流通路

静态基极电流：
\[I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_b+(1+\beta)R_e}\]
静态集电极电流：
\[I_{CQ}\approx{{\beta}I_{BQ}}{\approx}I_{EQ}\]
集电极与发射极间的电压：
\[U_{CEQ}=V_{CC}-I_{EQ}{R_e}\]

动态分析

其微变等效电路如下

其中\(R^\prime_s=R_s//R_b\)，\(R^\prime_e=R_e//R_L\)
电流放大倍数：\[\dot{A}_i=\frac{\dot{I}_o}{\dot{I}_i}=\frac{-\dot{I}_e}{\dot{I}_b}=-(1+\beta)\]
输入电压：\[\dot{U}_i=\dot{I}_eR^{\prime}_e=(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_e\]
输出电压：\[\dot{U}_o=\dot{I}_br_{be}+\dot{I}_eR^{\prime}_e=\dot{I}_br_{be}+(1+\beta)\dot{I}_bR^{\prime}_e\]
电压放大倍数：\[\dot{A}_u=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i}=-\frac{(1+\beta)R^{\prime}_e}{r_{be}+(1+\beta)R^{\prime}_e}\]
可见共集电极放大电路具有电流放大作用，但其电压放大倍数恒小于1而接近1，且输出电压与输入电压同相，故又称之为射极跟随器
输入电阻：\[R_i=(r_{be}+(1+\beta)R^\prime_e)//R_b\]
输出电阻：\[R_o=\frac{r_{be}+R^\prime_s}{1+\beta}//R_e\]
可见射极跟随器输入电阻很高，输出电阻很低。

电路设计

基本电路图如下

例：设计最大输出电压\(2V_{p-p}\)，最大输出电流为\(\pm2mA\)（\(1k\Omega\)负载）的射极跟随器。

1. 确定直流电源电压
主要考虑集电极与发射极间的饱和电压\(U_{CE}\)和该电路的最大输出电流。这里选用12V电源电压。
2. 选择晶体管
考虑最大额定值（\(I_{E}\)，\(U_{CBO}\)，\(U_{CEO}\)，\(U_{EBO}\)）。这里选用通用小信号晶体管2N5551
3. 确定发射极电流工作点
电路的最大输出电流为\(\pm2mA\)，这里取\(I_E=8mA\)。
4. 确定\(R_e\)
为分别计算和得到最佳的静态工作点，取\(U_{B}=\frac{V_{CC}}{2}=6V\)，所以\(U_E=U_{B}-U_{BE}=5.3V\)，所以\[R_E=\frac{U_E}{I_E}=\frac{5.3V}{8mA}=662.5\Omega\]取标称电阻得\(R_E=620\Omega\)。
5. 基极偏置电路的设计
由上一篇写的博客可知，\(\beta\)大约为133，所以\(I_B\)取60uA，所以\[R_2=\frac{U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.54mA}=11.1k\Omega\]\[R_1=\frac{V_{CC}-U_B}{I_1}=\frac{6V}{0.6mA}=10k\Omega\]
为方便，两者取标称电阻\(10k\Omega\)
6. 确定耦合电容
原理与共射极放大电路相同。这里取\(C_1=50uF\)，则由\(C_1\)形成的高通滤波器截止频率\[f_{c_1}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx0.64Hz\]而由\(C_2\)形成的高通滤波器截止频率与负载电阻有关。这里取\(C_2=50uF\)，当接1\(k\Omega\)负载时，\(C_2\)与负载电阻形成的高通滤波器截止频率为\[f_{c_2}=\frac{1}{2{\pi}RC}=\frac{1}{2{\pi}\times50uF\times5k\Omega}\approx3.18Hz\]
7. Multisim仿真验证
设置好参数进行仿真，如下图

可见电压放大倍数接近于1，负载为\(1k\Omega\)，输出交流电流为1.975mA，输入输出电压波形如下图

#### 8. 输入输出阻抗
如下图

加入信号源串联电阻\(R_s\),改变其阻值大小，式\(U_i=U_s/2\)，观察示波器波形变化，如上图所示，当\(R_s=5k\Omega\)时，刚好满足，即得到输入阻抗为\(5k\Omega\)，为偏置电路\(R_1\)和\(R_2\)并联的值。
而输出阻抗是极低的
#### 9. 输出负载加重的情况
当负载电阻过小时，输出波形底部会被截去，下图为负载为\(680\Omega\)时的输出电压波形图

有波形图可知\(-2.65V\)以下的波形被截去。下图为此时发射极的电位

原因是交流通路时，\(R_e\)和负载并联，两端最大压降为\(-I_E(R_e//R_L)=-8.6mA\times310\Omega=-2.666V\)，所以不会输出\(-2.65V\)以下的波形。

先写到这里，以后有时间再完善和改进