第5章
基本共射放大電路：裂變

偶爾獲得一次戰爭的勝利并不難，困難的是如何成為每一場戰爭的勝利者。為此，人們總是傾向于總結以往各種戰爭的經驗或教訓并將其理論化和模式化，以便更加有效地指導后續可能發生的戰爭，《孫子兵法》與《三十六計》就是最好的證明。所以，盡管三極管放大電路可以對輸入電流進行放大，但仍然存在很多需要進一步優化的工作等著我們去做，畢竟烏合之眾的戰斗力總比不上訓練有素的軍隊。

前面已經詳細討論了三極管的工作區域和相關的電氣參數，以及三極管輸入與輸出特性曲線的基本原理，當時使用的阻值配置的測試電路如圖5.1所示。

為了確定RB與RC的最佳阻值配置，我們是這么操作的：調整直流供電電源VBB的大小，改變三極管發射結的正向導通壓降vBE，從而使基極電流iB發生相應的變化，并隨后控制集電極電流iC的變化。也就是說，在整個過程當中，三極管把基極電流iB的變化量放大成為集電極電流iC的變化量。所以，我們只需要把iC的變化量作為輸出就可以達到放大輸入電流的目的。

但是，在實際的應用當中，通常使用電壓（不是電流）的形式在多個放大電路之間進行信號的傳遞。換句話說，大多數放大電路都需要對電壓信號進行放大。那應該怎么辦呢？有些讀者可能已經猜到了，我們在實驗過程中一直在調整的電源VBB就相當于輸入的電壓信號，它的變化趨勢與相應的iB是成正比的。所以，能夠對變化的電壓信號進行放大的電路如圖5.2所示。

為了與直流供電電源VBB有所區別，這里使用符號vI表示變化的電壓信號，我們暫時認為它可以表示變化的直流或交流。那么放大電路的輸出信號又是什么呢？實際上，大多數放大電路需要輸出的也是電壓信號（對于下一級放大電路來說，相當于輸入信號），對于這一環節，我們無須做更多的工作，只要把RC兩端的壓降作為輸出就可以了，如圖5.3所示為放大電路的電壓輸出。

由于RC兩端的壓降（輸出電壓vO）與iC是呈正比例變化的，所以此電路的整個放大過程就是：輸入電壓vI的變化引起三極管發射結電壓vBE的變化，從而影響iB發生相應的變化，繼而控制iC的變化，最后導致RC兩端壓降的變化。簡單地說，就是vI引起vO的變化。當三極管處于放大狀態時，它們都是正比例變化的。如果vI是上升的，那么vBE、iB和iC是上升的，最后vO也會上升；如果vI減小，那么相應的vO也會減小，這就是三極管放大電路進行電壓信號放大的基本原理。但是，這僅僅是基本原理而已，離實際應用還差得很遠，接下來還得進一步地完善它。

我們很早就提到過，三極管的發射結相當于一個二極管，它存在一定的死區電壓Vth，如果在vI變化的過程中其幅值小于Vth，那么相應的三極管將會處于截止狀態，此時小于Vth的那一部分輸入信號是不會被放大的，如圖5.4所示為死區電壓如何影響輸出電壓。

假設vI變化的最大值超過發射結的死區電壓（暫定為0.5V），而變化的最小值小于發射結的死區電壓，那么當vI接入到放大電路后，它就會引起發射結正向壓降vBE的變化，并且其波形與vI是差不多的，這就相當于基極電阻RB與發射結串聯對vI進行分壓，只不過（相對于vI而言）vBE的變化量比較小，而且vBE本身不會有太大的變化，也就大約在發射結導通壓降（約0.6V）上下很小的范圍內波動，這樣自然會引起iB發生相應的變化。

從圖5.4中可以看到，當vBE<Vth時，基極電流iB是非常小的，我們可以認為其是0，因為發射結還沒有導通，相應的iC也為0；當vBE>Vth時，由于iC與iB是比例放大的關系，所以它們的波形肯定是相似的，只不過iC的幅值更大一些。三極管總是嚴格履行自己的職責，放大自己應該放大的。當然，不能放大的，它同樣也不會放大。而RC兩端的壓降與iC的變化趨勢是相同的，這樣vO的波形自然也就失真了。

很明顯，vO出現波形失真是因為vI的幅值過小，使三極管進入了截止區而。我們把由于三極管進入截止區而導致輸出信號的失真稱為截止失真（Cut-Off Distortion）。

圖5.4所示的vO波形勉勉強強還算過得去，雖然它已經失真了，但畢竟還是有輸出的嘛。但是，在實際的電路應用中，vI的幅值很有可能不會很大，也許就只有幾十毫伏甚至更小，如果你把幅值這么小的電壓信號作為vI直接連接到放大電路的輸入端，很明顯，三極管的發射結則是永遠無法導通的，從而也就談不上對它進行放大了。

那該怎么辦呢？如圖5.5所示，我們可以將一個直流電源與信號源串聯起來來實現。

久違的直流電源VBB又出現了，只不過這個時候的VBB始終是不會變化的，它的電壓值總是比vI的幅值大，比發射結的死區電壓也大很多，如之前使用過的5V電壓值。我們將VBB與vI串接的目的就是使三極管的發射結始終處于導通狀態，這樣就算vI的幅值很小，它也可以在發射結已經導通的狀態下引起iB的變化，如圖5.6所示。

這里我們使用與原來相同的vI。很明顯，無論vI的幅值為最大值還是最小值，VBB與vI串聯后的電壓值總會大于發射結的死區電壓（0.5V）。也就是說，三極管總是處于放大狀態，此時iB與vI的變化趨勢一致，這樣iC與vO的波形也就不會出現失真了。這就相當于一個小孩子要過河，但是這條河水太深了，怎么辦呢？只要大人把這個小孩扛在肩上就沒事了，如圖5.7所示。

同樣的道理，需要進行放大的小信號vI就相當于要過河的小孩子，而與vI串聯的直流電源VBB就相當于大人，大人的作用就是不讓河水影響小孩子過河。

我們把直流電源VBB稱為基極電源，它的作用是讓三極管的發射結始終處于正偏狀態，相當于在河面架了一座橋。同樣，我們把直流電源VCC稱為集電極電源，它的作用是讓三極管的集電結始終處于反偏狀態，這樣就可以讓三極管一直處于放大狀態。另外，電源VCC還給三極管提供能源，因為我們已經提過，三極管本身不能憑空產生新的能量，它并不是把基極電流iB直接放大，而是通過使用較小的iB變化量來控制較大的集電極電流iC的變化量，從外部電路來看就好像是iB被放大一樣，而放大（控制）后的iC就是由供電電源VCC來提供的。

大家有沒有注意到電路圖底部的“⊥”符號，其實在前面的章節中一直都存在，它是什么意思呢？我們知道，電壓一般都是由兩根線來傳輸的。例如，我們家里使用的220V交流電壓傳輸線纜就由兩根線組成，即零線與火線。但是在同一個電路系統當中，我們總是會使用一個公共的節點作為參考，這樣分析電路時就會非常方便。我們把這個公共的參考節點稱為“地”，如果某個元器件的引腳與公共節點連接，我們就稱為“接地”。例如，圖5.6所示三極管的發射極引腳就是接地的，它并不代表與大地連接。

我們把地的電位規定為0V，某個節點電位的具體值就是相對0V電位的，而電壓值就是兩個節點之間電位的差值。例如，你可以說“VT1集電極與發射極之間的電壓是VCE”，也可以說“集電極的電位是VC，發射極的電位是VE”，但是你不能說“集電極電壓是VC”，或者“集電極與發射極之間的電位是VCE”，因為我們在描述電壓的時候，它總是存在兩個節點的。例如，220V的交流電壓，我們指的是零線與火線之間的電壓。而電位針對的是單個節點的。但是，單個節點的電位肯定是有一個參考點的，沒有參考的電位是沒有意義的。例如，VT1集電極與發射極之間的壓降VCE的值等于集電極電位VC與發射極電位VE之間的差值。如果三極管的發射極是接地的，那么發射極電位VE與地（0V）是相等的，所以我們可以認為VCE=VC-VE=VC-0V=VC。但是，你不能說“集電極-發射極之間的壓降VCE等于集電極電位VC”，這種表達方式是不妥的，如圖5.8所示為電位與電壓。

那我們提到這些知識的用意何在呢？因為在實際應用中，我們不太可能總是把輸入信號vI與直流電源VBB進行串聯后再接入放大電路進行放大，這就相當于把直流電源VBB的正極作為參考，因為你總是要把vI“扛”在它的“肩膀”上的。同樣，對于輸出信號，我們也總是需要兩條線把電壓引出來，這樣就相當于以直流電源VCC的正極為參考。輸入信號存在一個參考電位，輸出信號存在一個參考電位，另外我們還規定了一個公共參考地，這么多參考電位太麻煩了。

我們通常統一使用一個公共參考點，也就是前面提過的零電位。這樣的話，無論是輸入信號還是輸出信號，它們其中一根線總是與公共參考地連接的。對于輸入信號vI，就是將它直接與三極管的發射結并聯，如圖5.9所示。

這是什么意思呢？實際上，電壓信號的傳輸還是使用兩根線，只不過現在使用一個參考地。如此一來，大家都參考同一個電位，就好像只用一根線傳輸電壓信號一樣，這樣我們就不需要總是把輸入信號vI與直流電源VBB串聯了。VBB的目的是讓三極管的發射結始終處于導通狀態，vI是要“扔入”放大電路進行放大的，這樣有利于把輸入信號源從放大電路設計當中獨立出來。

同樣的道理，對于輸出信號vO，我們也應該參考同一個電位，這樣就只需要拉出一根信號線就可以了。那么vO是從集電極電阻RC的上側還是下側引出呢？從RC的下側引出肯定是不太對的，因為我們說過，既然你要用一根線引出來，那么肯定是有一個共同的參考電位的。對于圖5.9，參考電位就是0V（電源VCC的負極）。如果你從RC的下側引出電壓信號，就相當于把直流電源VCC引出了。你把VCC引出來干什么呢？它是直流供電電源，總是不會發生變化的。如果你想把它引出，把VCC直接拿走就可以了。我們需要的應該是跟隨輸入信號變化的放大后的信號，所以輸出信號應該從RC的上側引出來，如圖5.10所示為輸出電壓的引出。

很遺憾地通知各位：革命尚未成功，同志仍需努力。經過修改的電路還是存在一個很大的問題，由于vI與三極管的發射結是直接并聯在一起的，所以當三極管處于放大狀態時，基極電位VB應該約為0.6V。但是，vI很可能會非常小（如只有幾十毫伏），比死區電壓小得多。換言之，對于vI來講，由于它的下側與公共地連接（參考電位是0V），所以其上側的電位也就可能只有幾十毫伏（無論具體電位是多少，它總可能會與VB不相同）。然而，由于vI直接與三極管的基極連接，同一個電路節點肯定不會存在兩個不同的電位，所以vI就會與VB“打架”。

也就是說，雖然足夠大的直流電源VBB可以使三極管的發射結導通，也能夠讓基極電位大約有0.6V，然而一旦vI與三極管的基極直接相連的話，只要vI與VB不相同，就會產生電位干擾現象。例如，當vI較小時，VB就會被拉下來了，那么發射結又不導通了，三極管又不在放大區了。也就是說，vI一般不能與三極管的基極直接相連。那該怎么辦呢？我們比較常用的做法就是使用電容器進行隔離，如圖5.11所示。

電容器有“隔直流，通交流”的特性，所以輸入信號源中的交流成分可以通過電容器疊加在基極電位上。你可以這樣理解：當沒有輸入信號（vI=0）的時候，電容器C1與三極管基極連接的一側是直流電壓（約0.6V），而與信號源vI連接的一側為0V，所以C1會被充電到0.6V。當變化的輸入信號到來時，由于電容器兩端的電壓不能突變，所以基極電位就會在原來0.6V的基礎上跟隨輸入信號的變化而變化，如圖5.12所示為電容器隔離前后的基極電位。

同樣的道理，輸出信號也應該使用電容器進行隔離。需要特別注意的是：這兩個電容器通常是有極性的。那極性該怎么定呢？其實很簡單，你就觀察沒有信號源輸入（vI=0）時，耦合電容哪一側節點的電位高就把正極往哪邊連接。例如，當我們確定電容器C1的連接時，可以假定輸入信號為0V，此時基極的電位為0.6V（比左側（0V）高），所以電容器的正極應該接右邊。

有人可能會說：串聯電容器后不就沒辦法放大直流信號了嗎？這個問題提得非常好，它確實沒有辦法放大直流信號，但是我們現階段討論的放大電路都是用來放大交流信號的，因為有用的信號通常都包含在交流信號當中（如音頻信號）。而對于直流信號的放大，我們可以使用直接耦合的放大電路，后續會進一步討論。現在你只需要知道利用電容器的“隔直流，通交流”特性可以解決直流電位相互干擾（牽制）的問題就可以了。

我們把電容器C1與C2稱為耦合電容器（Coupling Capacitor），大家可能是第一次接觸到“耦合”的概念。是什么意思呢？通俗來講，耦合的意思就是：把信號通過某種方式從一個地方傳送到另一個地方！這跟人去旅游一樣，你可以坐汽車、火車或高鐵，他可以坐飛機，總之，就是要把人從一個地方送到另一個地方去。

在電路系統中，這里提到的“其他地方”通常就是下一級放大電路或負載，正如牛拉車一樣，牛就相當于放大電路，而車就相當于負載。同樣的道理，一個放大電路總是需要驅動負載的（養頭牛肯定是需要它來完成某些工作的，而不是拴在客廳給人觀賞的），它可以是電燈泡、揚聲器或電機，甚至是另外一個放大電路，沒有連接負載的放大電路是沒有實際意義的。例如，對于圖5.13所示的電路，我們可以說：耦合電容器把前一級放大電路輸出的電壓信號耦合到下一級放大電路。

而對于圖5.14所示的電路，我們可以說：耦合電容器把放大電路輸出的電壓信號耦合到揚聲器。耦合電容器所起的作用就是隔離直流而傳遞交流信號，因為常用的磁動式揚聲器的內部就是一個線圈，如果有直流成分施加在兩端時，很容易損壞揚聲器或放大電路本身。

到目前為止，放大電路的優化工作已經接近圓滿了，但是仍然還是有一個地方不是很完美，那就是它需要兩個直流電源，太麻煩了。有沒有辦法只使用一個直流電源也能達到相同的效果呢？我們可以使用集電極供電電源VCC代替基極供電電源VBB，如圖5.18所示。

可能有人會問：在與集電極共用一個電源的情況下，基極電流不會太大嗎？你的擔心是多余的。我們早就提過，RB與RC存在的意義就是限制三極管各個電極的電流，只要RB的取值設置得比RC大，那么在同一個直流供電電源的情況下，基極電流就會比集電極電流要小得多，這樣也就達到我們的目的了。

圖5.15所示的電路看著有點別扭，我們調整一下它的畫法，如圖5.16所示為調整后的放大電路。

在實際工作中，你見過的放大電路應該如圖5.17所示，它與圖5.16所示的電路是完全一致的，只不過使用網絡標號VCC表示電阻RB與RC的公共連接點的電位是VCC，也就相當于在VCC節點與公共參考點之間連接了一個電壓值為VCC的直流電源。這種電路圖的畫法更簡潔一些，是電子行業中電路圖的習慣畫法，也是后續電路分析過程中采用的繪圖方式。

最后我們來回顧一下三極管放大電路的整個電壓放大過程，如圖5.18所示。

輸入信號源v1表示交流信號，經過耦合電容器C1耦合到三極管的基極后形成vBE，然后iB發生相應的變化，三極管把iB放大為集電極電流iC，而集電極與發射極兩端的壓降等于電源VCC減去RC兩端的壓降，所以vCE與iC的變化是相反的（反相180°），最后經過耦合電容器C2把vCE波形中的直流成分隔離之后，就得到輸出電壓vo了。

原來我們的意思是輸出電壓vO從集電極電阻RC兩端輸出，而實際上卻是從三極管的集電極與發射極兩端輸出。為什么呢？因為我們使用同一個參考電位，所以你從三極管的集電極輸出，就相當于從集電極與參考點之間輸出。很明顯，輸出信號與輸入信號是反相的。那算不算放大呢？當然算，小孔成像不也是倒過來的嘛，倒過來的波形還是包含了輸入波形所有的信息的。

三極管完整的放大電路應該如圖5.19所示。

我們使用vs表示信號源，RS表示信號源的內阻，RL表示負載。由于三極管的發射極是輸入與輸出回路共用的，所以我們把它稱為共發射極放大電路，也因為這是三極管放大電路最基本的結構，也把它稱為基本共發射極放大電路（簡稱基本共射放大電路）。