晶体管电路设计 第十六贴

李俊韬

  在上贴我们对一个基本的射随器做了些分析，了解了它的工作原理和一些基本的计算。对于这个电路的设计过程，因为比较简单，所以大家看书就好了，今天我们主要内容是书中的第3.3.2小节“输出负载加重的情况”并对其有所延伸，这一小节可以说是本章中难度较大的内容，掌握之后对于更深入的理解射随器的工作原理有着很大的帮助。下面我们再来熟悉一下这个射随器的电路。

      在上一贴中我们有说到射随器的特点是输入阻抗大、输出阻抗小并且电压放大倍数接近1，它的主要用途是为负载提供较大的驱动电流，比如推动扬声器等。电压放大倍数约等于1，也就意味着这个电路对电压没有增益，那么也就是说在这个电路的前面要有一系列的共射极放大器来对微小的信号电压进行放大，然后通过射随器来提高这个信号的负载能力，也就是提供较大的输出电流。可以认为射随器就是一个电流放大器。

      那么同时也就意味着射随器经常用在产品的最后一级，给它输入的信号的特点是：信号幅值高，负载能力差即只能输出很小的电流，信号的输出阻抗高。也就是说对于射随器来说，它不象是前面讲过的共射极放大电路那样，输入的信号只有几十mV或几百mV，而是在几伏甚至十几伏，几十伏（对于功放来说）的范围。

      而它的负载也往往很小，甚至小到几欧姆也很常见，而这时候，射随器经常会因为输入信号和负载的原因引起输出波形的失真（表现为削顶或削底）。因此我们需要了解导致其波形失真的原因，以在实际应用中避免这种情况。

      书中3.3.2小节，分析了当给射随器接上较重负载（阻抗低的负载）时可能发生的情况。现在我们先观察一下，当接入680Ω负载电阻时这个射随器的输出波形。也就是书中53页的照片3.7：

      在这张图中，不用和输入波形对比，我们就可以明显的看到，波形的负侧变平了，我们称这种现象为“削底”。大家注意观察变平的部分，猜想一下是什么原因造成了这种情况?大家回想一下上贴中的结论和书中第3.1小节“观察射随器的波形”一部分，射随器的输出是从发射极取出的，波形和输入波形同相，并且比基极低一个pn结的电位（0.6V）。如下图：

      也就是说在工作中，发射极电位是随着基极电位也就是输入信号的变化而同步变化的。看着照片3.7，这是发射极的波形，想象一下基极的波形会是一个什么样子？是由于基极的波形削底了所以造成发射极波形也削底了吗？我可以明确的告诉大家，基极的波形没有问题。那么是会么原因造成发射极波形的失真呢？大家回忆一下三极管的特性，还记得有个0.6V么？书中当时是怎么说的？

      肯定有人只记得这个0.6V而忽略了前面的条件，对于一名设计者而言，清楚每一个数据出现的前提条件和适用范围是很重要的事情。是的“在进行放大工作时”，这句话非常重要。我们可以把这句话做一下反推，“如果Vbe达不到0.6V，三极管将不能进行放大工作”，或者说“如果Vbe达不到0.6V，三极管将退出放大区（线性区）”。

      那么我们再深入一步的想一下，如果三极管退出放大区，不能进行放大工作，这时候三极管工作在什么状态呢？好吧，仔细的盯住照片3.7，想一想三极管基极电位的变化：基极电位降低，发射极电位随着降低，基极再降低，发射极又随着降低，直到基极电位降到某一个电位的时候，三极管的Vbe不能保持在0.6V了，会发生什么事情?三极管在这时候进入了一个什么状态？

      很明显，当基极电位降到不能维持Vbe等于0.6V时，三极管的发射结（相当于一个二极管）不能导通，基极电流Ib也就没有了，三极管进入截止区，也就是说在这个时候三极管截止了，那么自然集电极电流Ic也没有了。这时候基极电位也就是加到基极的输入信号即使再往下降，三极管已经截止，发射极波形也就没办法跟随了，削底自然也就出现了。

      这时会有人问，为什么在这个时候发射极电位不能随着下降以保持0.6V的Vbe呢？发射极电位明明还有下降的空间啊！

      为了解释这个问题，我们根据具体的数据分析一下，看照片3.8：

      在这个电路中，当没有信号输入时，我们通过680Ω的发射极电阻将发射极电流设定在9.7mA，同时发射极电位设定于6.6V。（设定的过程见书中3.2小节“电路设计”）由发射极电位Ve=6.6V可知，基极电位Vb=6.6V+0.6V=7.2V。当有信号输入时，信号是与基极电位叠加的，也就是说有信号输入时，基极电位将随着信号幅度的大小以7.2V为中心上下波动。如照片3.8所示，当输入8Vp-p正弦波时，基极电位最高可达7.2V+4V=11.2V，最低可达7.2V-4V=3.2V，同时发射极电位理论上可以在11.2V-0.6V=10.6V至3.2V-0.6V=2.6V之间以7.2V-0.6V=6.6V为中心变化。

这里大家想一想，基极电位是7.2V时，发射极电流是9.7mA，当基极电位随着输入波形向负侧变化而减小时，发射极电流也只会随着减小，也就是说对于输入信号的负侧波形变化来说，发射极电流最大只能达到9.7mA。这时发射极电流实际上是一个最大9.7mA的受输入信号控制的电流源（受控电流源）。

      那么，我们可以画出输出波形变负时的输出部分的等效图。也就是书中的图3.6。现在我们来看一下：

      左侧图中的9.5mA是作者写错了，应该是9.7mA。当接入680Ω负载时，输出回路的等效电阻是Re//RL，也就是340Ω，在这个最大9.7mA的条件限定下，Re//RL这个电阻上的压降最高能达到3.3V，此时的输出信号幅度是-3.3V，这个3.3V的压降对应着照片3.8中从6.6V那条白色直线也就是信号开始向负侧变化的波形中点到平顶部分的范围。诅咒该死的日本作者吧，这里6.6V和3.3V完全是个巧合，但偏偏会使很多人搞不清楚3.3V对应着什么。

当波形达到平顶的位置并试图再向下出发达到3.4V压降时，也就是等效电阻Re//RL上的压降试图达到3.4V，3.4V/340Ω=10mA，非常不幸，已经超出了电流源最大9.7mA的能力，只能在3.3V维持下来了。所以波形的底部变平了。

      也许经过上面的讲解，大家还会有很多的疑问，为了让大家更清楚的理解这部分的工作原理，我们再从本质上进行一下分析。

      其中的关键是那个耦合电容。让我们从基极电位从7.2V开始向负侧变化，也就是发射极电位从那条6.6V的白线开始说起。在这一瞬间发射极电流是9.7mA，发射极电位是6.6V，那么耦合电容左侧当然也是6.6V，右侧自然是0V。这说明这个电容里面是充有电荷的。我们知道有一个关于电容的公式:V=Q/C，从这个公式中可以看出，当电容足够大时，Q（电容中储存的电荷）有少量的变化，电容两端的电压基本不变。这也是“电容两端电压不能突变”的由来。对于这个电路来说，这个耦合电容就是一个足够大的电容，当发射极电位随着输入信号逐渐下降时，电容左侧的电压也下降，即然下降了，电容内部的电荷也随着释放出来一点点，这些电荷的流动方向如下图：

      也就是电容的放电电流，而由于电容足够大，这点电荷并不会使电容两端的电压降低，那么在负载RL上的电位自然会要比0小了一点点，变负了（注意负载电阻RL上的电流方向）。而这个电流流过负载RL，就形成了负载电流Iout。好了发射极电位继续下降，电容持续着它的放电过程，负载上的电位也同样一点点变的更负，Iout也变得越来越大。

      大家注意，这时Re上流过的电流实际上是由两部分组成的，一部分是三极管的发射极电流Ie，另外一部分是电容的放电电流。这两个电流同时做用在Re上，我们称它为IRe，它们之间有IRe=Ie+Io的关系。

      别忘了，这时输入信号在逐渐降低，也就意味着基极电压在降低，那更意味着发射极电流Ie也在减少。而电容的放电电流却在一点点的增加，这直接导致了在某一时刻基极电位降到某一个电位，而电容渐渐增大的放电电流在Re上所形成的压降使Vbe不能保持0.6V，而降到0.6V以下，这时候三极管自然是进入截止区，发射极电流彻底消失了。这时的电路中只剩下电容还在以C＊（Re+RL）的时间常数放电，既然Ie没有了，引起电容左侧电压变化的因素也就消失了，电容两端的电压也不会发生变化了，削底也就发生了，此时的发射极电压则完全是由电容放电电流流过Re得到的。

      这时候我们就可以分析一下，这时这个放电回路中的电压状况。很明显，因为电容足够大，电容两端的电压Uc还是6.6V，因为RL等于Re，那么我们可以很容易的得到Re上的压降是3.3V，注意这个3.3V可不是照片3.8中的那个3.3V，而是实实在在的发射极对地电压（再次诅咒该死的日本作者）。

      我们可以写出以下过程：

Ue=Uc*Re/(Re+RL)

Ub=7.2V+Uin

Ub=Ue+0.7

      以上Ub为基极电压，Uin为输入信号幅值（取值可为负）

      联立求解得：

Uin=-3.3V

      也就是说对于这个电路来说当输入信号幅值为-3.3V时，该电路会发生削底。

      好了，总结一下，分析这个电路的关键就是要搞清楚Re上所流过的电流的组成。当然这是很细的分析，当你熟悉之后，你可以直接使用静态时的Ie乘以等效负载Re//RL，再加上负号，即可得出削底时的输入信号幅度。

      最后有的朋友可能会问，你怎么知道这个耦合电容足够大，不会出现电荷释放完了导致其两端电压下降呢？我当然能保证，还记得在书中有一个计算耦合电容大小的部分吗？耦合电容的大小会影响最低能通过的频率。比如对这个电路来说在3.2.6小结有输出耦合电容的计算，得出的结果是Fc2=16Hz，也就是说当输入信号在16HZ以上时，这个电容是足够大的，小于16HZ则这个电容就不够大了。