“共发射极放大电路的组成”问题探究

摘要：共发射极放大电路是模拟电子技术主要的入门内容，从该电路对信号的放大过程及工作原理的角度，重点解析了共发射极放大电路的组成及各元器件的作用，为初学者对后续内容的学习奠定重要的理论基础。

关键词：共发射极放大电路；晶体管；放大

作者简介：王青云（1983-），女，山东曹县人，安徽工业大学工商学院，助教。（安徽 马鞍山 243002）

基金项目：本文系安徽省自然科学基金项目（项目编号：Kj2011z044）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0233-02

在计算机科学与技术、软件工程等相关专业中，开设的专业基础课“电路与模拟电子技术”，一般分为两大部分：电路分析基础和模拟电子技术。在模拟电子技术内容中，放大电路作为主要的电路，对电信号完成基本的放大作用，被认为是电子技术的主要研究对象和学习内容。其中，共发射极放大电路由于其广泛的应用，成为电子技术的入门内容，被初学者所接受。

对初学者来说，模拟电子技术这一部分内容是普遍反映的学习难点。[1]在学习中对模拟电路工作原理及相关概念的理解常会出现问题，例如放大电路中存在两种电源：信号源和直流电源，电路中交流成分和直流成分的电量同时存在，这些使学生们在理解方面产生一些疑问和难点：对电路的工作原理的理解、交流量和直流量共同存在的电路如何传递处理等。基本放大电路是模拟电子技术入门内容，学生理解和掌握基本电路的基本理论和基本概念知识，对模拟电子技术后续内容深入的学习和以后个人的专业学习都起到关键作用。因此，对初步学习这门专业基础课的学生来说，基本放大电路即共发射极放大电路的作用、其组成器件的存在意义及其如何实现放大作用等，都将是重要考虑的问题。针对这一种情况，本文将做如下探讨。

共发射极放大电路的主要功能是对比较微弱的信号起放大作用。晶体管由于具有电流放大作用，在共发射极放大电路中将作为重要组成部分，主要对信号起放大作用。本文将围绕晶体管具有电流放大作用的工作性质，通过以晶体管为主要元件，向外围电路展开，逐步引出放大电路的其他组成部分，完成整个放大电路的解析。交流信号是放大电路的主要放大处理对象，下面将从电路对信号的放大处理过程及工作原理的角度入手，逐步解析共发射极放大电路的组成及各元器件的作用。

一、信号传输和放大的基本途径

假设待放大处理的原信号源ui由一个电动势es与一个电阻Rs串联组成的电压源等效表示；起放大作用的主要器件——晶体管，选择常用硅材料NPN型晶体管；选择一个负载电阻RL作为被放大后的信号要驱动的负载。根据共发射极放大电路的放大信号这一主要目的，初步构建出最初的电路模型，如图1。放大电路其他组成部分，依据电路放大原理在电路模型逐步建立和完善的过程中引导出来，并在引导中一一解析各元器件作用。

图1电路基本说明了共发射极放大电路存在的作用和意义——放大信号，并且明确地给出了信号传递、放大、处理的主要路径。晶体管即三极管，有三个极：发射极e、基极b、集电极c。信号源与晶体管的基极b和发射极e连接，形成一个回路，负载电阻RL与晶体管的集电极c和发射极e连接，形成一个回路，通常，信号源所在的回路称为输入回路，负载所在的回路称为输出回路。同时，电路中的两个回路共用发射极e，故称该电路为共发射极放大电路。根据设计该电路的初衷，信号源ui在输入回路产生的交流电流ib，经过晶体管的电流放大作用，得到放大的交流电流ic，然后在输出回路转化成放大的交流电压uo传递到负载端。其中，ube和uce分别是信号传递过程中在晶体管基极b与发射极e和集电极c与发射极e之间产生的电压。根据以上分析，晶体管联系着信号所在的输入回路和负载端所在的输出回路，可以对信号进行放大处理，然后传递到输出回路的负载端。

二、直流电源存在的作用

问题1：图1电路能够完成对原信号ui的放大吗？需要从以下角度进行具体分析。

回答问题1，首先要考虑主要元件晶体管的工作状态。晶体管有三个工作区：放大区、饱和区、截止区。若晶体管工作在截止区或饱和区，经过处理后的信号将会出现截止或饱和失真情况，失真的信号将失去作用和意义。放大电路如果要完成对信号放大处理，且过程中信号不出现失真，需要使得晶体管工作在线性放大区。这需要满足晶体管工作在放大状态的基本条件：发射结正偏，集电结反偏，[2]即如图1所示，。

同时，需要考虑的是发射结的死区电压或开启电压uon，[2]也就是说，如果完成信号从输入回路到输出回路上的传递，仅仅是不够的，还需要满足。如果，晶体管的发射结工作在截止状态，信号无法传输到输出回路的负载端。根据不同的制作材料，晶体管的开启电压uon的值不同，硅材料的晶体管uon大约为0.5v。[3]此时，原信号ui是微弱的信号，单位一般是mV级的，远远小于开启电压，仅仅靠信号本身开启晶体管是行不通的，即发射结截止，。

为了解决这些问题，选择借助外界因素，即引入两个直流电压源EB和EC，将EB加在晶体管基极b和发射极e两个端子上，将EC加在晶体管基极c和发射极e两个端子上。如图2所示。

直流电压源EB的引入，在晶体管的基极b和发射极e之间产生了直流电压UBE，此时基极b和发射极e的电压含有两种成分：直流电压UBE和信号产生的交流电压ube，用uBE表示混合量，即，当UBE足够大时，uBE大于开启电压uon，晶体管发射结正偏且导通，产生基极电流iB，基极电流iB是含有交流信号和直流电流成分的混合量。如图3所示。

同时，集电结存在两种可能的状态：集电结反偏和集电结正偏。如果集电结正偏，晶体管工作在饱和区，被其处理后的信号将出现失真情况。在此引入的直流电压源EC，可以实现集电结反偏。这时，晶体管具备了放大条件：发射结正偏和集电结反偏，可以工作在放大区，完成对信号的不失真放大传输。

这样，混合量uBE在晶体管基极b产生的基极电流iB，经过晶体管的电流放大作用，在其集电极产生放大的集电极电流ic，ic是含有交流信号成分的混合量，即交流信号被传输到输出回路。

直流电源（如EB和EC）的存在，使得晶体管工作在放大区，来完成对信号的放大处理。

三、基极电阻RB、集电极电阻RC和极性电容C1和C2的作用

问题2：图2电路中被放大后的信号能传递到负载端吗？当电路中的一些参数不合适的时候，如何方便快捷地实现调节，以完成对信号合适的放大处理？下面做具体分析。

分析图2电路，发现此时的直流电压源EC钳制了输出电压uo，使得，含有信号的集电极电流iC无法转化成信号电压uo输出给负载RL。为了解决这个问题，引入一集电极电阻RC和EC串联，这样使得输出电压uo被解救出来，uo能随着集电极电流iC的变化而变化。电阻RC的引入，使得uo不再受到EC的制约，含有交流信号的集电极电流iC可以转化为电压输出到负载RL。

同时，根据晶体管的工作特性，如果晶体管的基极电流不合适，即使晶体管满足工作在放大区的条件，信号在传输处理过程中也容易出现截止或饱和等失真情况。在图2电路中，原信号ui和直流电源EB共同作用下在晶体管的基极上产生基极电流iB，其值如果不合适，不方便对iB进行调节。为此，引入一基极电阻RB和EB串联，通过调节RB，可使基极电流iB达到合适的值。

问题3：在图2电路中串入基极电阻和集电极电阻RC后，电路中传输的物理量仍然是交流和直流同时存在的混合量，直流量的存在，对交流信号会造成不利的影响，如何处理？传输到负载端的电压也仍然是交流和直流同时存在的混合量，如何使负载端的电压只含有交流量，即如何使负载端接收到的电压是交流信号？

为了解决问题3中的问题，在图2电路串入基极电阻和集电极电阻RC的基础上，再引入一个极性电容C1，可以阻隔直流量影响信号源。同时，为了得到只含有交流信号的输出量，再引入一个极性电容C2，阻隔直流量输出到负载端。电路如图4所示。

这里选择极性电容而没有选择一般普通的无极性电容，是为了更好地完成信号的传递。这里选择电容的目的是阻隔直流量，同时尽可能地使交流信号在无阻碍情况下在电路中传递，由此，电容的容量越大，对直流量的阻碍越大，对交流信号的阻碍越小。一般普通的无极性电容，容量越大体积也越大，而相同体积的电容，极性电容的容量比普通的无极性电容容量大很多，特别是对电子电路来说，元器件体积小的话，方便电路集成，故选择极性电容，而没有选择无极性电容。

通常，将电路中的两个电压源EB和EC合并成一个直流电压源，以简化电路。此外，共发射极放大电路的实质，是能量较小的信号通过晶体管的控制作用，去控制直流电源所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号。直流电源的存在，有提供能量的作用。

上述内容，从信号传递放大的过程，一一解析了各个组成元器件的作用，为后续内容的学习奠定了基础。至于这些元件选取什么合适的值，才能使得放大电路对信号起到合适合理的放大作用，而不至于出现失真情况，与晶体管的工作特性和外界电压、温度等因素有关，[4]如何考虑多方面因素选择元件设计电路，使得电路更好地完成对信号的放大，可以参阅相关资料。

本文从电路对信号的处理放大过程及工作原理的角度入手，对共发射极放大电路的组成及各元器件的作用进行了具体分析，明确指出放大电路的主要处理对象是交流信号，而直流电源起提供能量的作用，并具体详细分析了共发射极放大电路中各组成元器件的作用。为初学者学习模拟电子技术建立清晰明了的学习思路提供帮助，为初学者对后续内容的学习做铺垫。

参考文献：

[1]孟秀玲.《模拟电子技术》课教学难度的分析及对策[J].装甲兵工程学院学报，2001，15（4）：75-79.

[2]秦增煌.电工学（下册：电子技术）[M].第七版.北京：高等教育出版社，2009：22-23.

[3]高玉良.电路与模拟电子技术[M].第2版.北京：高等教育出版社，2009：150.

[4]郝宁眉，李芳.双极型晶体管温度特性的Multisim仿真研究[J].仪表技术与传感器，2010，（4）：81-83.

（责任编辑：刘辉）