阻容耦合放大(dà)電路裏耦合電容及旁路電容的(de)深度分(fēn)析

模拟電子技術是電子類專業專業必修課程, 其中的(de)基本共射放大(dà)電路是該門課程裏的(de)入門基礎内容, 用(yòng)于討(tǎo)論晶體三極管的(de)放大(dà)作用(yòng)。在原理(lǐ)型的(de)單管共射放大(dà)電路 (圖1) 的(de)基礎上, 引出了(le)阻容耦合單管共射放大(dà)電路以改善電路性能, 如下(xià)圖2所示。該電路是一個(gè)經典的(de)實用(yòng)的(de)放大(dà)電路。

圖2電路相較于圖1的(de)一個(gè)很大(dà)的(de)改變是增加了(le)三個(gè)電容, 兩個(gè)耦合電容C1、C2和(hé)一個(gè)旁路電容Ce。改進後的(de)電路遵守使輸入信号能夠放大(dà)所必須遵守的(de)原則, 即動态輸入信号能夠順利地傳送到放大(dà)管上進行放大(dà), 同時(shí)在性能的(de)改變上可(kě)以歸結爲以下(xià)幾點:

(1) 隻有一個(gè)直流電源, 節約了(le)電路;

(2) 輸入信号、直流電源、輸出信号均有一端接在公共端即共地, 更好地防止了(le)幹擾;

(3) 直流通(tōng)路和(hé)交流通(tōng)路的(de)分(fēn)離;

(4) 具有穩定靜态工作點穩定的(de)優點;

(5) 頻(pín)率響應發生了(le)變化(huà)。

上述性能的(de)改變是該電路結構及元件共同作用(yòng)的(de)結果。對(duì)于一些很明(míng)顯的(de)性能的(de)改變無需累述, 如性能 (1) 。有些性能的(de)改變在很多(duō)教科書(shū)上都做(zuò)了(le)詳細的(de)講解, 如性能 (4) 。而對(duì)于該電路裏的(de)電容的(de)具體工作過程及原理(lǐ), 卻總是簡單地帶過。通(tōng)過教學的(de)經驗感受, 電容在該電路發揮作用(yòng)的(de)原理(lǐ)是一個(gè)難點, 不容易理(lǐ)解, 所以本文将重點討(tǎo)論該電路裏電容的(de)具體工作過程及原理(lǐ), 及加上電容後電路性能的(de)改變結果。

電容器都是由間隔以不同介質的(de)兩塊金屬極闆組成, 當在極闆上加以電壓後, 極闆上分(fēn)别聚集起等量的(de)正負電荷, 并在介質中建立電場(chǎng)而具有電場(chǎng)能量。将電源移去後, 電荷可(kě)繼續聚集在極闆上, 電場(chǎng)繼續存在。所以電容器是一種能存儲電荷或者說儲存電場(chǎng)能量的(de)部件[2]。

通(tōng)過上述定義的(de)描述, 可(kě)以知曉電容内部是沒有電子流動, 隻有兩塊極闆上電荷的(de)變化(huà)。

對(duì)于圖1的(de)原理(lǐ)性電路, Rb和(hé)Vbb一起爲電路設置合适的(de)靜态工作點, 但是Rb的(de)存在, 同樣會讓信号ui在Rb上産生壓降, 則輸入到放大(dà)器上的(de)信号就相應減少了(le), 影(yǐng)響了(le)整個(gè)電路的(de)放大(dà)能力。而圖2所示電路, 因爲耦合電容的(de)存在, 讓交流通(tōng)路和(hé)直流通(tōng)路分(fēn)開, 則很好地解決了(le)這(zhè)個(gè)問題。

圖2的(de)直流通(tōng)路如圖3所示, 因爲耦合電容的(de)作用(yòng), 信号源的(de)内阻和(hé)負載對(duì)直流通(tōng)路都沒有影(yǐng)響。該電路在設計時(shí)使得(de)I2>>IBQ, 則UBQ約等于Rb2對(duì)Vcc的(de)分(fēn)壓, 其值幾乎不變。該電路的(de)Re爲負反饋電阻, 和(hé)UBQ一起配合使該電路具有靜态工作點穩定的(de)效果, 減小溫度對(duì)靜态工作點的(de)影(yǐng)響。

圖3   下(xià)載原圖

交流通(tōng)路如圖4所示, 可(kě)以看出, 交流信号直接加在了(le)放大(dà)器上, 幾乎沒有損耗, 直流電壓Vcc在集電極上産生的(de)壓降降落在C2上, 使得(de)輸出uo爲純交流信号。上述Re的(de)存在, 能使電路形成負反饋穩定靜态工作點, 但是同時(shí)Re電阻的(de)存在, 會使電路的(de)放大(dà)倍數大(dà)大(dà)降低。爲了(le)解決這(zhè)個(gè)問題, 便在Re上并聯一個(gè)旁路電容Ce, 使該電阻并不對(duì)交流通(tōng)路産生影(yǐng)響, 如圖4所示。

述爲耦合電容和(hé)旁路電容作用(yòng)的(de)結果, 但是這(zhè)樣的(de)結果是怎樣實現的(de)呢(ne)?

根據前述電容的(de)定義, 得(de)知電容内部并沒有帶電粒子的(de)運動, 隻是把電荷存儲在兩塊極闆上, 每塊極闆上存儲的(de)電荷爲q=Cu。即對(duì)于線性電容元件, 其容值越大(dà), 極闆上存儲的(de)電荷量越大(dà)。電容内部沒有電荷的(de)運動但是可(kě)以傳遞電流, 電流公式爲, 通(tōng)過這(zhè)個(gè)公式可(kě)以從兩方面進行理(lǐ)解。

(1) 電容上的(de)電流的(de)形成是因爲電容兩塊極闆上電荷量的(de)變化(huà), 其上電荷量會增大(dà)或減小, 即收集電荷或者釋放電荷, 雖然電荷沒有在兩塊極闆間形成流動, 但是兩塊極闆上不同電荷相同的(de)變化(huà)量, 與每塊極闆連接的(de)導線上就有了(le)相同的(de)電流變化(huà)量, 相當于傳遞了(le)電流信号。

(2) 由電容元件的(de)電流公式可(kě)以看出, 電流與電壓的(de)變化(huà)率成正比, 電容上電壓發生劇變時(shí), 電流很大(dà), 當電壓不随時(shí)間變化(huà)時(shí), 電流爲零。故電容在直流情況下(xià)其兩端電壓恒定, 相當于開路, 或者說電容有隔斷直流的(de)作用(yòng)。

因此, 電容上相當于隻能通(tōng)過交流信号, 不能通(tōng)過直流信号。阻容耦合電容及旁路電容就把直流通(tōng)路和(hé)交流通(tōng)路分(fēn)離了(le)。

如果沒有加上耦合電容, 則任何低頻(pín)的(de)信号甚至直流都能傳送到放大(dà)器上, 但是加上耦合電容後, 使得(de)隻有到了(le)一定的(de)頻(pín)率的(de)信号才能通(tōng)過電路進行放大(dà), 使得(de)電路的(de)通(tōng)頻(pín)帶變窄了(le)。

在圖2所示的(de)電路中, 耦合電容和(hé)旁路電容對(duì)信号構成了(le)高(gāo)通(tōng)電路。電容的(de)容抗爲, 可(kě)以看出, 對(duì)于直流, f=0, 即電容對(duì)直流的(de)容抗無限大(dà), 相當于斷路 (這(zhè)也(yě)從另一個(gè)方面說明(míng)了(le)電容隔直流通(tōng)交流) ;如果希望頻(pín)率較低的(de)輸入信号也(yě)能通(tōng)過電容, 幾乎無損失地加在放大(dà)器的(de)基極與發射機之間, 則希望耦合電容和(hé)旁路電容的(de)容值足夠的(de)大(dà)。由于放大(dà)器的(de)極間電容的(de)容值非常小, 在p F級别, 因此在同樣的(de)低頻(pín)段信号, 極間電容表現爲容抗很大(dà)相當于開路。對(duì)于圖2, 在低頻(pín)段時(shí), 等效電路如圖5所示。

上圖5構成的(de)低頻(pín)等效電路中, 由于含有多(duō)個(gè)耦合電容和(hé)旁路電容, 則含有多(duō)個(gè)高(gāo)通(tōng)電路。對(duì)于C1、C2構成高(gāo)通(tōng)電路是毫無疑問的(de), 但是Ce爲何也(yě)是構成的(de)高(gāo)通(tōng)電路呢(ne)?以極限例子進行分(fēn)析, 并且分(fēn)析Ce影(yǐng)響時(shí), 假設C1和(hé)C2電容不影(yǐng)響電路性能, 即這(zhè)兩個(gè)耦合電容短路。

(1) 假設從信号源傳過來(lái)的(de)信号是直流, 則Ce斷路, 則放大(dà)器及Ce這(zhè)塊電路等效電路如圖6所示。可(kě)以看出, 從信号源傳過來(lái)的(de)信号, 被rbb′、rb′e及Re進行分(fēn)壓, 由于Re相對(duì)與rbe較大(dà), 甚至可(kě)能更大(dà), 所以Re分(fēn)掉了(le)很大(dà)一部分(fēn)的(de)信号, 則通(tōng)過gmUb′e傳送到後面的(de)信号則相對(duì)的(de)變小。

(2) 假設從信号源傳過來(lái)的(de)信号頻(pín)率較高(gāo), Ce相當于短路, 則此時(shí)放大(dà)器及Ce構成的(de)等效電路如圖7所示。可(kě)以看出, 從左邊傳過來(lái)的(de)信号沒有被Re損耗掉, 隻被放大(dà)器的(de)等效電阻所分(fēn)配, 有效地傳送到了(le)後面電路。

通(tōng)過上面的(de)討(tǎo)論可(kě)以得(de)出, 對(duì)于Ce電容構成的(de)這(zhè)一級電路也(yě)是構成高(gāo)通(tōng)電路, 具有高(gāo)通(tōng)電路的(de)特性。即對(duì)于頻(pín)率足夠高(gāo)的(de)信号電容相當于短路, 信号幾乎毫無損失的(de)傳遞, 而當信号頻(pín)率低到一定程度時(shí), 電容的(de)容抗不可(kě)忽略, 信号将在其上産生壓降, 從而導緻放大(dà)倍數的(de)數值減小且産生相移。

現用(yòng)multisim12軟件進行仿真分(fēn)析這(zhè)三個(gè)電容對(duì)下(xià)限頻(pín)率的(de)影(yǐng)響。

設圖2電路的(de)元件參數如圖8所示以設置合适的(de)靜态工作點, 然後依次改變C1、C2、Ce三個(gè)電容的(de)容值, 觀察對(duì)比三個(gè)電容容值改變時(shí)對(duì)下(xià)限頻(pín)率的(de)影(yǐng)響。其中圖9爲C1、C2、Ce都爲10u F時(shí)的(de)波特圖作爲參考, 其餘圖爲依次改變C1、C2、Ce從1u F到100u F的(de)仿真波特圖。每次改變其中一個(gè)電容時(shí), 其餘兩個(gè)電容容值保持10u F不變。得(de)出的(de)數據歸納爲表1。

通(tōng)過表1的(de)數據可(kě)以分(fēn)析出, 三個(gè)電容中改變C1、C2從1u F到100u F, 下(xià)限頻(pín)率幾乎沒有什(shén)麽變化(huà)。而改變C e電容容值對(duì)下(xià)限頻(pín)率的(de)影(yǐng)響卻非常大(dà), 改變該電容的(de)值從一個(gè)數量級到另外一個(gè)數量級, 下(xià)限頻(pín)率也(yě)幾乎是相同數量級的(de)改變。究其原因, 是因爲這(zhè)三個(gè)電容所在的(de)高(gāo)通(tōng)回路的(de)時(shí)間常數很不相同。時(shí)間常數決定了(le)下(xià)限頻(pín)率, 而在多(duō)級放大(dà)電路中, 若某級的(de)下(xià)限頻(pín)率遠(yuǎn)高(gāo)于其他(tā)各級的(de)下(xià)限頻(pín)率, 則可(kě)認爲整個(gè)電路的(de)下(xià)限頻(pín)率近似爲該級的(de)下(xià)限頻(pín)[1]。

表1    下(xià)載原表

在高(gāo)通(tōng)回路裏, 下(xià)限頻(pín)率的(de)公式爲:, RC爲回路的(de)時(shí)間常數, 下(xià)限頻(pín)率與時(shí)間常數成反比, 時(shí)間常數越小, 下(xià)限頻(pín)率越大(dà)。

現取圖8裏2N2222的(de)放大(dà)倍數爲154 (仿真器使用(yòng)倍數) , rbb′=300, 電容值都爲10u F進行計算(suàn)。首先通(tōng)過圖3直流通(tōng)路求得(de):

(1) 分(fēn)析C1對(duì)低頻(pín)特性的(de)影(yǐng)響, 此時(shí)将C2、Ce視爲理(lǐ)想情況, 電容短路, 則等效回路如圖16所示:

此時(shí)

(2) 同理(lǐ), 分(fēn)析C2對(duì)低頻(pín)特性的(de)影(yǐng)響, 等效電路如圖17所示。

此時(shí)

(3) 分(fēn)析Ce對(duì)低頻(pín)特性的(de)影(yǐng)響, 等效電路如圖18所示。此時(shí)C1、C2視爲短路, 且三極管的(de)集電極和(hé)發射機之間的(de)等效電阻非常大(dà), 因此Ce的(de)等效低頻(pín)回路在c、e之間示爲斷路, 即在該級回路中, 後面電路元件參數不對(duì)該回路産生影(yǐng)響。

此時(shí)

經過上面的(de)計算(suàn), 可(kě)以得(de)出, 當這(zhè)三個(gè)電容容值相同時(shí), Ce所在回路的(de)時(shí)間常數比C1、C2所在回路時(shí)間常數明(míng)顯的(de)小, 且小兩個(gè)數量級。帶入下(xià)限頻(pín)率計算(suàn)公式可(kě)得(de)出Ce所在回路的(de)下(xià)限頻(pín)率比其餘兩個(gè)電容所在回路的(de)下(xià)限頻(pín)率幾乎高(gāo)兩個(gè)數量級, 所以在該電路中, 即使把C1、C2兩個(gè)電容的(de)容值減小到1u F, 它們構成的(de)時(shí)間常數依然要比Ce構成的(de)時(shí)間常數大(dà)很多(duō), 整個(gè)電路的(de)下(xià)限頻(pín)率依然受Ce電容的(de)很大(dà)的(de)影(yǐng)響。

根據上述討(tǎo)論, 可(kě)以得(de)出圖2電路的(de)C1、C2、Ce都希望其容值較大(dà), 需要達到u F級别, 使信号既能夠隔直流通(tōng)交流, 又使電路的(de)下(xià)限截止頻(pín)率較低。由于工藝原因, 對(duì)于小容量電容可(kě)以做(zuò)成無極性電容, 但對(duì)于大(dà)容量電容, 通(tōng)常需要做(zuò)成有極性電容。而有極性的(de)電容, 想要正常工作, 其極性必須正确連接, 對(duì)于圖2需要的(de)耦合電容和(hé)旁路電容, 其極性需如圖2連接方能使電容正常工作。

對(duì)于靜态時(shí), 其電路如圖3所示, 此時(shí)電容C1連接在B點與信号源之間, 在分(fēn)析靜态時(shí), 假設信号源爲0, 則此時(shí)的(de)C1上兩塊極闆之間的(de)電壓爲UBQ, 連接到B點的(de)極闆上就會積累正電荷, 爲正極, 而連接信号源一邊的(de)極闆上就會積累負電荷, 爲負極。同理(lǐ)電容C2連接在集電極的(de)一極爲正極, 積累正電荷, 而連接負載的(de)一極爲負極積累負電荷, 使C2電容上的(de)電壓等于UCQ。旁路電容上連接在發射機上的(de)一極爲正極上會積累正電荷, 連接地的(de)一極爲負極積累負電荷, 使Ce上電壓等于UEQ。當信号源加入時(shí), 由于需要放大(dà)的(de)信号比較小, 使得(de)信号源産生的(de)交流電壓, 疊加在電容的(de)靜态電壓上, 引起電容上兩塊極闆上電荷量的(de)變化(huà), 形成電流進行傳輸。從這(zhè)裏也(yě)可(kě)以看出, 由于耦合電容極旁路電容的(de)存在, 使得(de)動态信号疊加在靜态電壓之上, 分(fēn)析時(shí)動靜态分(fēn)離, 且uo的(de)輸出爲純交流信号。

具有靜态工作點穩定作用(yòng)的(de)阻容耦合單管共射放大(dà)電路所包含的(de)内容非常豐富, 認真透徹的(de)分(fēn)析該電路, 能再放大(dà)、電容工作原理(lǐ)及頻(pín)率響應方面都有深入的(de)理(lǐ)解, 對(duì)模拟電路整個(gè)系統知識的(de)深入學習(xí)打下(xià)基礎。