杜曉玉，孔慶梅，李 輝

(河南大學(xué) a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.民生學(xué)院，河南 開封 475002)

共射極放大電路失真問題分析

杜曉玉a，孔慶梅b，李 輝b

(河南大學(xué) a.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院；b.民生學(xué)院，河南 開封 475002)

該文針對共射極放大電路實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的輸入信號ui波形失真現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，分析了失真問題產(chǎn)生的原因，并通過Multisim進(jìn)行了仿真。通過分析及仿真可知，三極管工作在飽和區(qū)時，由于發(fā)射結(jié)輸入電流過大，等效電阻rbe近似為0，發(fā)射結(jié)為一正向?qū)ǖ腜N結(jié)，輸入信號ui出現(xiàn)截頂失真；當(dāng)三極管工作在截止區(qū)時，發(fā)射結(jié)反向偏置，基極虛斷，輸入信號ui不會產(chǎn)生明顯的失真現(xiàn)象。

共射極放大器；飽和失真；截止失真；輸入電阻

共射極放大電路由三極管、電阻、電容組成，是放大電路中應(yīng)用最廣泛的一種電路模型，主要應(yīng)用于低頻電路的放大級[1]。共射極放大電路相關(guān)參數(shù)的測量是電路電子學(xué)相關(guān)課程的一個基本實(shí)驗(yàn)，通常會采用分壓偏置式共射電路，其電路圖如圖1所示[2-4]。

共射極放大電路參數(shù)的測量有靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和最大不失真電壓范圍5項(xiàng)。動態(tài)性能指標(biāo)和靜態(tài)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)加深了對共射極放大器交流放大電路性能的認(rèn)識，也對實(shí)驗(yàn)中遇到的現(xiàn)象和問題進(jìn)行了思索。其中輸入電阻Ri是衡量放大器對信號源影響的一個性能指標(biāo)，它定義為輸入信號電壓與輸入信號電流之比，即放大器的交流等效電阻，等效電路圖如圖2所示。分壓電阻Rs與輸入電阻Ri組成串聯(lián)電路，電源電壓Us和輸入電壓Ui的關(guān)系：

(1)

圖1 共射極放大電路

圖2 等效電路

因此輸入電阻Ri的計(jì)算公式如下：

(2)

在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)了一個問題，增加輸入信號的電壓值，當(dāng)輸出波形出現(xiàn)飽和失真時，電壓信號ui相應(yīng)的出現(xiàn)頂部失真，但是輸出信號uo的波形出現(xiàn)截止失真時，ui并沒有出現(xiàn)底部失真。為了說明該問題，在Multisim中對圖1所示電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖 3所示。

圖 3 ui和uo的波形圖

1 放大區(qū)電路分析

工作在放大區(qū)時，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，三極管可以用線性元件等效，圖1可等效為圖4所示的小信號等效電路圖[5-6]。等效輸入電阻表示如下：

(3)

圖中，rbe為發(fā)射結(jié)的等效電阻，當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時，rbe可表示為：

(4)

圖 4 小信號等效電路圖

此時輸入電阻為一個固定值的電阻，us和ui之間關(guān)系滿足式(1)，ui的波形為正弦波，沒有失真現(xiàn)象。

2 飽和失真電路分析

當(dāng)共射極放大電路的輸入信號增加時，三極管的工作點(diǎn)沿負(fù)載線移至飽和區(qū)，如圖5所示。由于三極管工作在飽和區(qū)使輸出信號uo產(chǎn)生的非線性失真被稱為飽和失真，此時的集電結(jié)電壓為0或者集電結(jié)正向偏置，集電結(jié)失去了收集電區(qū)電子的能力，ic不再受ib控制[7]。當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時，三極管不再等效為線性元件，rbe不滿足式(4)，ui不能隨著us等比例的變化，此時ui會產(chǎn)生失真現(xiàn)象。

圖5 三極管輸出特性曲線

對于共射極放大電路，當(dāng)輸出信號正電壓過大，三極管工作在飽和區(qū)時，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)正偏。如圖5所示，為三極管輸出特性曲線，由于工作在深度飽和區(qū)的三極管，UCE值很小，并且UCE和IC之間滿足的負(fù)載線方程如下：

UCE=VCC-ICRC-IERE

(5)

這使得集電極和發(fā)射極形成很大的飽和電流IC和IE，并且IC不再受到IB的控制[8]。而三極管的發(fā)射結(jié)所呈現(xiàn)的伏安特性與正向?qū)ǖ亩O管的伏安特性一致，在深度飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)幾乎導(dǎo)通，輸入回路的等效電路圖如圖6所示。

圖 6 飽和失真時輸入回路的等效電路圖

由等效電路圖可看出，三極管在飽和區(qū)工作時，ui的電壓近似等于二極管的導(dǎo)通電壓VT。

3 截止失真電路分析

當(dāng)共射極放大電路的輸入信號減少時，三極管的工作點(diǎn)沿負(fù)載線移至截止區(qū)，三極管工作在截止區(qū)使輸出信號uo產(chǎn)生的非線性失真袖稱為截止失真，此時的發(fā)射結(jié)電壓為0或者發(fā)射結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)電壓過小，無法使發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，此時三極管的基極僅有少量的漏電電流流入[9]。三極管工作在截止區(qū)時，流入基極的電流幾乎為0，基極電路虛斷，輸入回路的等效電路圖如圖7所示，由圖7可以計(jì)算出ui和us之間的關(guān)系如下：

(6)

圖7 截止失真時輸入回路等效電路圖

RB1和RB2串聯(lián)為三極管的基極提供偏置電壓，通常RB1和RB2選擇阻值較大的電阻，RB1和RB2并聯(lián)等效電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻RS的阻值，即RB1‖RB2Rs。因此當(dāng)三極管工作在截止區(qū)時，ui≈us。

4 綜合分析

通過以上分析，可以推導(dǎo)出三極管工作在不同的區(qū)域時ui的表達(dá)式如下：

(7)

當(dāng)輸入信號us正向過大時，三極管工作在飽和區(qū)，ui的動態(tài)電壓近似等于二極管的導(dǎo)通電壓，ui的電壓波形出現(xiàn)截頂失真。三極管工作在放大區(qū)和截止區(qū)時，ui與us之間均存在線性關(guān)系，區(qū)別僅僅是Rs上分壓比例不同。所以輸出波形出現(xiàn)截止失真時，輸入信號ui并未出現(xiàn)明顯的失真現(xiàn)象。

為了更直觀地說明三極管在不同區(qū)域的工作情況，使用Multisim實(shí)現(xiàn)共射極放大電路的設(shè)計(jì)[10-12]，如圖8所示，輸入信號接入頻率為1 kHz，有效電壓為300 mV的正弦交流電壓，輸出端接4通道示波器(XSC1)，仿真圖如圖9所示。由波形圖可以看出，輸入信號us為正弦波，輸出波形同時存在飽和失真和截止失真，但信號ui僅有與飽和失真對應(yīng)的頂部失真，底部幾乎為正常的正弦波波形。

圖8 共射極放大電路仿真圖

圖9 波形對比圖

5 結(jié)束語

針對共射極放大電路實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的輸入信號波形失真問題進(jìn)行了分析，即共射極放大器輸入信號電壓過大時，三極管的工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，放大電路的輸入電阻發(fā)生變化，使帶有串聯(lián)電阻的共射極放大器輸入信號產(chǎn)生波形失真。同時，根據(jù)三極管的輸入輸出特性曲線及仿真，分析輸入回路的等效電阻，通過分壓公式計(jì)算出在不同的工作區(qū)ui的表達(dá)式，進(jìn)而分析ui波形失真的原因。

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AnalysisofWaveformDistortionProbleminCommon-emitterAmplifier

DU Xiaoyua，KONG Qingmeib，LI Huib

(a.School of Computer and Information Engineering；b.Minsheng College，Henan University，Kaifeng 475002，China)

Waveform Distortion Problem of input signaluiin the Common-emitter amplifier is analyzed in this paper.In actual cases，the input waveform will be top distortion if triode operates in the saturation region，because the input current is too large and the emitter junction is deemed as a positive onset PN junction.On the other hands，when the transistor work in the cut-off area，the emission junction reverse bias，base virtual，the input signaluiwill not produce significant distortion.

common-emitter amplifier；saturation distortion；cutoff distortion；input resistance

2016-02-22；修改日期:2016-04-21

河南大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(HDXJJG2013-65，HDXJJG2013-64)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B510024,17A120007)；河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(142300410445)；河南大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(2013YBZR004)；河南大學(xué)民生學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(MSJG2014044,MSJG2015039)。

杜曉玉(1979 -)，女，博士，副教授，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究、計(jì)算機(jī)方向相關(guān)教學(xué)及電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

孔慶梅，講師，主要從事建筑自動化方面的研究，kqm@henu.edu.cn

G642—423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.004