晶體管電路設(shè)計 精講 第十四貼 射極跟隨器的基本認(rèn)識

晶體管電路設(shè)計精講第十四貼射極跟隨器的基本認(rèn)識學(xué)習(xí)內(nèi)容：1、射極跟隨器的電路結(jié)構(gòu)2、射極跟隨器關(guān)鍵參數(shù)的推導(dǎo)大家好，在前面十三貼的學(xué)習(xí)中，我們對共發(fā)射極放大電路有了初步的認(rèn)識，也學(xué)會了一些簡單的計算?？梢哉f共發(fā)射極電路是三極管放大中應(yīng)用最廣泛的電路模式，但是，這種電路由于結(jié)構(gòu)上的原因有一些缺點，比如輸出阻抗高（相當(dāng)于Rc），在第七貼的內(nèi)容中，我們研究過這個問題。在實際應(yīng)用中，一個音頻放大器最后是要通過揚(yáng)聲器把最終放大后的電信號轉(zhuǎn)成聲音的，而揚(yáng)聲器的阻抗我們大家都知道，一般是16Ω，8Ω，4Ω等幾種?，F(xiàn)在我們來做一個假設(shè)，如果一個三極管共射極放大電路它的Rc是5K，如果我們給它的輸出接一個8Ω的揚(yáng)聲器，會發(fā)生什么事呢？根據(jù)前面的學(xué)習(xí)，大家應(yīng)該知道，既然這個電路的Rc是5K，那么它的輸出阻抗也就是5KΩ了，我們畫一下輸出電路的等效圖。圖中的電壓源Vc與集電極電阻Rc組成了共射放大器的輸出部分，當(dāng)接上阻抗為8Ω的揚(yáng)聲器做為負(fù)載時，我們可以一目了然的看到，這時候揚(yáng)聲器上所分得的信號電壓極小，絕大部分的信號都落在了Rc上，這意味著既使放大電路的放大倍數(shù)很高，而傳遞到負(fù)載上的信號卻很小，想象一下吧，給8Ω的揚(yáng)聲器串上一個5K的電阻會發(fā)生什么事兒。從圖中我們也可以看到，要想在負(fù)載上獲得更大的信號電壓，對這個電路來說就必須要提高負(fù)載的阻抗，提高到5K與Rc相當(dāng)時應(yīng)該是最合適的了。因為這時候負(fù)載上的功率最大，而揚(yáng)聲器發(fā)出聲音的大小是與功率成正比的（當(dāng)然不是線性的正比，這點玩音響的朋友更清楚）。這個結(jié)論可以通過簡單的公式推導(dǎo)得出，我們就不詳細(xì)說了。而5KΩ阻抗的大功率揚(yáng)聲器意味著更大的線圈，更多的漆包線，更大的磁鐵等等，這對于揚(yáng)聲器制造業(yè)來說無疑于一場災(zāi)難。怎么辦呢，從揚(yáng)聲器上找不到出路，那么就要從電路上想辦法了，于是具有低輸出阻抗的射極跟隨器脫穎而出了。下面我們來看一個最普通的射極跟隨器的電路圖。按照我們的習(xí)慣，先找一下這個電路與共發(fā)射極電路的區(qū)別，很簡單不是么，只有兩處：1、集電極電阻Rc不見了2、輸出信號改為從發(fā)射極引出這兩處的變化會帶來什么變化呢？能解決我們上面說到的問題嗎？我們馬上分析一下，先來將這個電路做一下微變等效，得到下圖：vin是輸入到放大電路的信號源（在以后的貼子中，凡是代表交流的，動態(tài)的等變化量的參數(shù)首字母將小寫，以后不再說明），也就是我們要放大的信號電壓，從這個圖中，我們可以更輕松的判斷出信號的輸入和輸出回路。是不是覺得這個圖很熟悉？當(dāng)然，這個圖在以前我們第五貼講共射極放大電路中Re的作用時用過。只不過這里多了rbe與Re串聯(lián)而已，rbe是三極管本身的動態(tài)輸入電阻，因為這個值對于一般小功率三極管來說較?。?K左右），因此我們把它忽略了。在第五貼中我們只是告訴了大家Re在等效到輸入回路中時為（1+?）Re，但沒有詳細(xì)講推導(dǎo)過程，這回我們詳細(xì)的推導(dǎo)一次。首先，我們來看一下輸入回路，它包含的元件有，vin，R1，R2，rbe，Re。它們之間的串并聯(lián)關(guān)系也很好判定：R1//R2//(rbe與Re的反射電阻)。所以可得:R1，R2為已知量，因此，只要求出rbe+Re的反射電阻就可以了。因為是并聯(lián)，所以它們上的電壓同樣為vin，至于電流由圖可知，rbe上只有基極電流流過，Re上有兩路電流，第一路是經(jīng)rbe到Re的基極電流，它在Re上形成的壓降為V’=Ib*Re。另一路是集電極電流Ic，?Ib經(jīng)過Re所形成的壓降，V’’=?Ib*Re根據(jù)電壓疊加定理，則Re上的總壓降為V’+V’’=Ib*Re+?Ib*Re=(1+?)*Ib*Re。再加上rbe上的壓降Ib*rbe，由于三條支路并聯(lián)的原因，所以有vin=Ib*rbe+(1+?)*Ib*Re，變換后可得vin/Ib=rbe+(1+?)*Re。則輸入回路的總輸入阻抗為：R1//R2//(rbe+(1+?)Re)。由此公式可以看到，射極跟隨器的輸入電阻在沒有R1與R2兩個偏置電阻時可以變的很高，?值越大，輸入電阻越高，但由于必須要給三極管提供一定的基極電流以確定直流工作點，所以R1必然存在，而使輸入阻抗很難提的很高，一般在幾十K，特殊情況下可以達(dá)到幾百K。不久前，有位朋友在第五貼提問關(guān)于Re反射到輸入回路時的變化問題，我覺得有必要讓大家建立起一個更清晰的印象，現(xiàn)將回復(fù)摘錄于下：“其實這里面的關(guān)鍵原因就是，Ie比Ib大?+1倍，Re上的壓降是由輸入信號的電流Ib和輸出信號的電流Ic共同作用產(chǎn)生的，要把Re變到基極的輸入回路中必須要把Ic所產(chǎn)生的影響除去?！绻麑嵲诓幻靼?，你可以記住一個簡單的原則，對于阻抗反射來說，從電流大的回路向電流小的回路反射，要乘以系數(shù)，反之除以系數(shù)。這個系數(shù)就是兩個回路的電壓電流關(guān)系或由電壓電流關(guān)系所轉(zhuǎn)換出的其它關(guān)系（遵循能量守恒定律），如變壓器的匝比等。”剛才通過推導(dǎo)，我們知道了射極跟隨器輸入阻抗的計算，而實際到這一步，計算方法與共射極放大電路并無不同，但是，大家要注意的是，當(dāng)在輸出接入負(fù)載時，負(fù)載的大小會對本電路的輸入阻抗造成一定的影響，考慮到負(fù)載RL時的輸入阻抗公式如下：Rin=R1//R2//(rbe+(1+?)(Re//RL))輸入部分研究完了，現(xiàn)在來看看輸出部分，一開始我們說了，選擇射極跟隨器電路的原因是想讓它的輸出阻抗小些，以便于帶動一些阻抗很小的負(fù)載，如揚(yáng)聲器什么的。那么我們來看一下，這個電路的輸出阻抗是不是能達(dá)到很小。為了方便分析，我們將再針對輸出回路做一下等效：為了方便大家理解等效過程，我把圖分兩步上傳，這是第一圖，電流源換下位置，與Re對齊，看起來舒服些。從vout端向左看進(jìn)去，其它線性源本著“電壓源短路，電流源開路”的原則，將信號源vin短路，為幫助大家理解，電流源沒有斷開，大家知道它的存在就可以了。整理后得下圖：根據(jù)此圖有的朋友可能很容易就得出：輸出電阻：Rout=rbe//Re真的是這樣嗎？不要忘了反射阻抗和電路中電流的實際流動方向的問題。將電流方向標(biāo)注后如下圖，大家注意下，我實在找不到受控電流源的圖標(biāo)了，所以大家要將圖中的電流源看做一個非獨(dú)立源，不要忘記哦：由上圖中電流方向，根據(jù)KCL定律，我們可以寫出：Iout=Ie-Ib-?Ib（仔細(xì)想一想怎么來的）這個Iout就是最右邊那個紅色箭頭所指向的電流，注意它的方向。另外，由于已知：Ie=vout/ReIb=-vout/rbe（之所以為負(fù)是因為與Iout電流方向不同）?Ib=-?vout/rbe將此三式代入上式可得：Iout=vout/Re+vout/rbe+?vout/rbe上式化簡后可得：Iout=vout(1/Re+(1+?)/rbe)由于：輸出電阻Rout=vout/Iout，將上式代入本式可得：Rout=1/(1/Re+(1+?)/rbe)有的朋友看到這里就能看出點兒什么來了，如果還看不出來的話，那么我再把這個公式變個樣子，得到：Rout=1/(1/Re+1/(rbe/1+?))如果你還看不明白，那就找一張紙，所這個式子豎著寫出來，換成分式來看。說白了就是Re與rbe的1+?分之一并聯(lián)?；蛘邔懗上旅娴臉幼樱篟out=Re//(rbe/(1+?))這個輸出電阻的推導(dǎo)相對來說是個較難理解的地方，本次推導(dǎo)過程實際上是采用了“加壓求流法”。其它的方法也有，大家有時間可以試試。如果你確實對這些公式推導(dǎo)很困惑的話，那么就直接拿結(jié)論來用吧，或者記住上面用紅色字體標(biāo)出的反射原則。好了，現(xiàn)在讓我們來看一看這個結(jié)論。Re與rbe的1+?分之一并聯(lián)，我們已經(jīng)知道，rbe對小功率三極管來說一般是1KΩ左右，如果?值是100的話，那么輸出電阻肯定要小于10Ω了，這果真是個不錯的消息。但是這只是理想狀態(tài)哦，讓我們回過頭來再看一看剛才做等效變換時的那張圖。我在這張圖里用紅色框起來一部分，剛才做等效時，我們直接把做為信號源出現(xiàn)的vin認(rèn)為是理想電壓源把它短路了，這時R1，R2也隨著被短路了，但我們知道理想電壓源是不存在的，而且在我們?nèi)粘５膽?yīng)用中，這個信號源的內(nèi)阻卻是大到我們不能忽略的存在。比如在前幾貼所講到的共射極放大電路的例子，如果把那個共射極電路與我們現(xiàn)在這個射極跟隨器連接在一起，組成一個二級放大電路，會發(fā)生什么事呢？我們知道，前面的例子它的輸出電阻等于Rc，也就是10K，如果考慮到它的話，這個圖我們就要改一改了。下面是考慮到信號源內(nèi)阻的等效圖。在考慮到信號源內(nèi)阻RS與偏置電阻R1，R2的影響，我們的公式也應(yīng)該的修改一下：Rout=(rbe+R1//R2//Rs)/(1+?)//Re這樣，我們的公式看起來就比較完善了。大家可以根據(jù)公式分析一下各個元件對輸出電阻的影響。實際上，射極跟隨器電路，一般的輸出電阻在十幾Ω到百Ω左右，對一般的負(fù)載應(yīng)該可以很好的帶動起來了另外大家在看圖和推導(dǎo)公式中應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)一件事，就是Re上的電壓基本上與vin相同，或者準(zhǔn)確些說是Re與rbe/（1+?）串聯(lián)后，接入vin，輸出信號電壓是Re上面的分壓。這就意味著，射極跟隨器的電壓放大倍數(shù)永遠(yuǎn)不可能大于1，且與輸入波形相位相同，?值越大，越趨近于1，而電流放大倍數(shù)和共射極放大器相同。這也是射極跟隨器的一個特