晶体管电路设计 第十七贴

李俊韬

在第十五贴中我们分析了引起射随器削底失真的原因，这也是本章的一个难点，在分析中我们知道了耦合电容在这里面起了很大的作用，从本质上来说是耦合电容的放电电流在射极电阻Re上的压降而限制了三极管发射极电位的下降，导致当基极电位随输入信号下降到一定程度时，三极管进入截止状态而引起了削底失真。

      而削底失真与负载的大小，输入信号的大小都相关，那么我们再回过头来看一下这个射随器的电路，研究该如何做才能减小或避免削底失真。

      在这个图的基础上我们做几个简单的分析，来确定一下输入信号，输出信号，负载，Re之间关系的变化趋势。

      在上一贴的基础上，我们知道，当输入信号vin降低时（负半轴），基极电位Vb也随着降低，使基极电流减少，从而使集电极电流Ic减少，同样发射极电流Ie也减少，需要注意的是这个Ie是指基极电流的变化而引起的，而不是电阻Re上流过的电流。同时，由于发射极电位有降低的趋势，使耦合电容C2放电，放电电流同样通过发射极电阻Re，负载RL，这时耦合电容放电的电流方向是：

      C2正极---Re---地---RL---C2负极。

      从而在RL上形成上负下正的输出信号，此时Re与RL相对于放电回路来说是串联的。也就是说RL越小，则RL上的信号电压就越小，而Re上由于C2放电电流所形成的压降就越大，而这时基极电位还在随信号下降，下降的越多，则Re上流过的C2放电电流就越大，当基极电位降到不能维持Vb-Ve(Re上端电位)时，三极管就进入了截止区。这说明，当负载RL相对变小时，会导致Re上的分压变大从而使三极管在基极电位下降了很少的时候就会进入截止区，导致削底的发生。

      那么如果把Re设置的很小不就能延长三极管进入截止区的时间了么？确实这个办法可行，但不要忘了，Re变的很小时，会导致Ie变的很大，使三极管的功耗增大，同时由于Ie的增大，使Re上的压降也不会达到很小的程度。同时Re太小的话，会把基极电位也拉的很低，从而导致输入信号的幅度范围在负侧变的很小。

      最理想的情况是有这么一个元件，当负载变小时，Re也随着变小但Re上流过的电流不变，这样就能使三极管的发射极电位也随着Re的变小而降下来，从而给基极电位更大的变化范围，而延长了三极管进入截止区的时间，同时因为电流不变而使浪费也很少。归纳起来就是一个目标：在发射极电流不变的情况下，让发射极电位尽可能的达到更低的位置。

如果想要发射极电位尽可能的低，则需要Re尽可能的小，同时还要保证电流基本不变。

      说到这里，对恒流源有印象的朋友们应该想到了：“用恒流源啊，恒流源的特性不就是负载变化电流不变吗！”所以就有了下面这个电路。

      这个图在书中的第61页，书中对这个电路做了些分析，但是书中的分析很是模糊，有的朋友看完后反而会觉得更乱套了。所以，我们在这里用另外一种方法分析下。

      图中被红圈圈起来的部分是新加入的恒流源，这一部分电路用来代替一个正常的射随器的发射极电阻Re。我们先来看一下这个恒流源是如何恒流的，也就是说为什么说它具有恒流特性。

      我们知道，三极管工作在放大区时，集电极电流是受基极电流控制的，当基极电流一定时，则集电极电流一定。从图中可以看到，三极管Tr2的基极被13K的上偏置电阻和2K的下偏置电阻偏置在2V（因为忽略了基极电流，因此实际上要小一些，不到2V）。而且并没有外来的信号加到三极管Tr2的基极，故此Tr2基极电流是一定的，所以Ic也是一定的。同样，Tr2的发射极电流为(2v-0.6v)/130Ω=10mA左右。所以我们可以说Tr2的发射极电流Ie2具有恒流特性。

      下面继续，因为Ie2约等于Ic2（Tr2的集电极电流），且Ic2就是三极管Tr1的发射极电流，也同样为10mA左右。这时我们并不能确定Tr1的发射极电位是多少，因为起决定作用的是Tr1的偏置电阻。要想确定发射极电位则只要用Tr1的基极电位减去0.6v就可以了。但是大家要注意的是，这时我们并不能简单的用Tr1偏置电阻分压的方法来计算Tr1的基极电位。看下图就知道了：

      Tr1偏置电阻中的电流组成如图所示。红色是电源通过偏置电阻的电流，蓝色是电源通过上偏22K电阻供给基极的电流Ib。由此可知，当基极电流极小，小于红色部分电流的十分之一时，可以忽略，可以通过分压公式得出基极电压。从本图中可知，Tr1的发射极电流为10mA，电源电压为15V，22K+27K=49K。则15v/49K=0.3mA。由此可知，只有基极电流为0.03mA以下时，用图中的22K和27K的电阻才能将基极电位偏置在图中所示的8.5V，也就是Tr1的?值至少要为10mA/0.03mA=330倍以上，?越大，则基极电位越准确。

而实际上这个2SC3113是一款超?三极管，这个型号的三极管其?值最小为700，最大可达6000。刚好适合本图中的要求。

      我们继续分析，当有信号输入到Tr1的基极时，因为我们要研究的是削底的情况，所以我们只关心负半轴的信号。Tr1的基极电位随信号下降，Ve1（Tr1的发射极电位）下降，Ie1减少，耦合电容开始放电，此时Tr1的发射极等效电阻也就是恒流源所等效后的电阻为7.9v/10mA=790Ω。

      当负载电阻RL足够大时，比如790Ω，这个790Ω的负载与上面所说的静态时的等效电阻相当时就意味着足够大。当输入信号进一步降低， Ie1继续减小，耦合电容放电电流加大以补足Tr2这个恒流源的10mA恒流值。同时Ve1下降，恒流源等效后的电阻也变的更小，而电流却始终保持在10mA。直到Ve1的电位降到130ΩX10mA=1.3v时，Ve1才停止下降，射随器输出波形也就开始削底了。在这里要注意的是，我们刚才的分析忽略了Tr2的集电极发射极压降也就是Vce，而事实上，Tr2的Vce2不可能为0，当达到0.3左右V时，Tr2就已经进入饱和区了，这时候由于基极电流的限制，Ic2仍为10mA，而且Tr2的集电极电压也就是Tr1的发射极电压不会再随着信号降低，这时候Tr1的发射极电位是130Ω电阻上的压降加上Tr2的饱和压降（约0.3V），也就是大约1.6v左右，此时等效后的发射极电阻为1.6v/10mA=160Ω。用静态时的7.9V-1.6V=6.3V，也就是说，输出信号负侧最低能够在负载上取到-6.3v的信号电压，也就是说当输入信号是6.3Vp（峰值）以内时，本电路不会发生削底。假如负载已知为790Ω时（如下图），同样可以用下式估算：7.9V X (790Ω/(790Ω+160Ω))=6.6V，（因为本图中一些参数都是大略的数值，所以会有一些偏差。）

      以上的分析是基于负载电阻足够大能够使Tr2达到饱和时的情况，比如只有160Ω时会怎样呢？因为恒流源只能提供10mA的电流，所以160Ω的负载上最大也只能流过10mA的电流。电流的方向如下图：

      计算就很简单了，RL上在负向能够取得的最大压降为160ΩX10mA=1.6V，也就是说输入信号超过1.6Vp（峰值）就会削底了。而此时Tr1的发射极电位为7.9-1.6=6.3V，Tr2远未达到饱和状态。

      最后总结一下，不论是开始的最基本的射随器和后面使用恒流源负载的射随器，在设计时其主要目的是在一定的输出电流条件下以获得更大的输入信号响应范围。或者换句话说，当负载相同，偏置电流相同时，使用恒流源负载能够获得更大的信号输入范围。