三极管第四题:共射极小信号增益
这题开始真正进入“直流算完 → 交流小信号”。重点不是算数,而是看到电路后知道公式该怎么走。
前面已经用分压偏置完成了直流 Q 点分析。现在不重新追每一个偏置小数,而是把 Q 点当作交流分析的起点,研究一个带输入源内阻、输出负载和发射极旁路电容的共射极放大器。
1. 已知条件与电路图
沿用上一题的电路参数:
$$
I_E\approx1.30\,\mathrm{mA},
\quad R_C=2\,\mathrm{k\Omega},
\quad R_L=10\,\mathrm{k\Omega}
$$
$$
R_1=47\,\mathrm{k\Omega},
\quad R_2=10\,\mathrm{k\Omega},
\quad R_s=1\,\mathrm{k\Omega},
\quad \beta=100
$$
发射极电阻 \(R_E\) 上并联了足够大的旁路电容 \(C_E\),输出通过耦合电容接到负载 \(R_L\)。
共射极原电路与交流等效电路
图中左边是实际电路,右边是中频交流等效电路。之后的每一步,都应该能在右侧图上找到对应的元件或节点。
2. 第一步:先判断现在分析的是 DC 还是 AC
Q 点已经求完,所以现在进入:
$$
\boxed{\text{交流小信号分析}}
$$
交流分析的第一动作不是套增益公式,而是先把元件换成交流等效:
2.1 直流电源在交流中接地
理想 \(V_{CC}\) 没有交流变化,因此小信号电路中把它视为交流地:
$$
\boxed{V_{CC}\rightarrow\text{交流地}}
$$
所以原来接到 \(V_{CC}\) 的 \(R_C\)、\(R_1\),在交流图里都相当于接到地。
2.2 耦合电容在中频近似短路
输入、输出耦合电容的作用是隔开不同的直流工作点,同时让交流信号通过。中频下可以近似为短路。
2.3 发射极旁路电容在中频近似短路
由于 \(C_E\) 足够大:
$$
\boxed{C_E\rightarrow\text{短路}}
$$
因此发射极对于交流来说近似接地:
$$
\boxed{R_E\text{ 仍参与 DC 偏置,但被 }C_E\text{ 旁路,不主导中频 AC 增益}}
$$
这是本题的第一个判断点。不能因为交流图中暂时不使用 \(R_E\),就把它从原电路或直流分析里删除。
3. 第二步:由 Q 点得到小信号参数
看到 BJT 小信号题,直流 Q 点算完后,先找发射极静态电流 \(I_E\):
$$
I_E\rightarrow r_e\rightarrow r_\pi
$$
3.1 发射结小信号电阻
常用近似:
$$
\boxed{r_e\approx\frac{26\,\mathrm{mV}}{I_E}}
$$
本题:
$$
r_e\approx\frac{26\,\mathrm{mV}}{1.30\,\mathrm{mA}}
\approx20\,\Omega
$$
所以:
$$
\boxed{r_e\approx20\,\Omega}
$$
这里的 \(r_e\) 不是直流电路中的一只实体电阻,而是三极管在 Q 点附近对小幅交流变化表现出来的动态电阻。
3.2 基极输入小信号电阻
在本题采用的简化模型中:
$$
\boxed{r_\pi\approx\beta r_e}
$$
因此:
$$
r_\pi\approx100\times20\,\Omega
\approx2.0\,\mathrm{k\Omega}
$$
$$
\boxed{r_\pi\approx2\,\mathrm{k\Omega}}
$$
不要把 \(r_e\) 和 \(r_\pi\) 混在一起:\(r_e\) 更接近发射结本身的小信号量,\(r_\pi\) 是从基极看进去的输入小信号电阻。当前先记住:
$$
\boxed{I_E\rightarrow r_e\rightarrow r_\pi}
$$
4. 第三步:集电极真正承受的交流负载
直流和交流对 \(R_L\) 的看法不同。
- 直流时,输出耦合电容隔开了负载,\(R_L\) 通常不进入 Q 点计算;
- 中频交流时,耦合电容近似短路,\(R_L\) 会直接出现在集电极的交流回路中。
因此,集电极看到的有效交流负载是:
$$
\boxed{R_C'=R_C\parallel R_L}
$$
代入:
$$
R_C'=2\,\mathrm{k\Omega}\parallel10\,\mathrm{k\Omega}
$$
$$
R_C'=\frac{2\times10}{2+10}\,\mathrm{k\Omega}
\approx1.67\,\mathrm{k\Omega}
$$
$$
\boxed{R_C'\approx1.67\,\mathrm{k\Omega}}
$$
所以看到负载时,不要直接把 \(R_C\) 塞进增益公式,先问:输出耦合电容在当前频率下是不是近似短路? 如果是,就要把 \(R_L\) 并进来。
5. 第四步:判断发射极电阻是否被旁路
当前存在足够大的 \(C_E\),因此交流中:
$$
C_E\rightarrow\text{短路}
\Rightarrow R_E\text{ 被交流旁路}
$$
于是共射极中频电压增益的近似式为:
$$
\boxed{A_v\approx-\frac{R_C'}{r_e}}
$$
代入:
$$
A_v\approx-\frac{1.67\,\mathrm{k\Omega}}{20\,\Omega}
\approx-83
$$
$$
\boxed{A_v\approx-83}
$$
重点不是记住数字 83,而是先完成判断:
有 CE 且中频
↓
RE 被交流旁路
↓
增益分母主要是 re
5.1 负号从哪里来
共射极的反相链路是:
$$
v_b\uparrow
\Rightarrow v_{be}\uparrow
\Rightarrow i_c\uparrow
$$
于是集电极电阻上的压降增大:
$$
v_{RC}=i_cR_C'\uparrow
$$
而集电极电压是电源减去这部分压降:
$$
v_c=V_{CC}-i_cR_C'\downarrow
$$
所以:
$$
\boxed{\text{输入上升,输出下降;共射极约反相 }180^\circ}
$$
负号表示相位反转,不表示输出“功率为负”或电压大小是负值。
6. 第五步:计算放大器输入电阻
从输入节点向基极方向看,有三条交流通路:
输入节点
├── R1 → 交流地
├── R2 → 地
└── rπ → 三极管小信号模型
因此:
$$
\boxed{R_i=R_1\parallel R_2\parallel r_\pi}
$$
代入:
$$
R_i=47\,\mathrm{k\Omega}\parallel10\,\mathrm{k\Omega}
\parallel2\,\mathrm{k\Omega}
$$
先算分压网络:
$$
47\,\mathrm{k\Omega}\parallel10\,\mathrm{k\Omega}
\approx8.25\,\mathrm{k\Omega}
$$
再与 \(2\,\mathrm{k\Omega}\) 并联:
$$
R_i\approx1.6\,\mathrm{k\Omega}
$$
$$
\boxed{R_i\approx1.6\,\mathrm{k\Omega}}
$$
这一步的物理含义是:信号源并不是只看到三极管的 \(r_\pi\),还同时看到分压偏置电阻到交流地的两条通路。
7. 第六步:考虑信号源内阻
题目给出信号源电压 \(v_s=10\,\mathrm{mV}\),并不代表放大器基极真正得到 \(10\,\mathrm{mV}\)。信号源内阻 \(R_s\) 和放大器输入电阻 \(R_i\) 构成分压:
vs ─── Rs ─── Ri ─── 地
↑
vi
因此真正进入放大器的输入电压是:
$$
\boxed{v_i=v_s\frac{R_i}{R_s+R_i}}
$$
代入 \(R_s=1\,\mathrm{k\Omega}\)、\(R_i\approx1.6\,\mathrm{k\Omega}\):
$$
v_i\approx10\,\mathrm{mV}
\times\frac{1.6}{1.0+1.6}
$$
$$
\boxed{v_i\approx6.2\,\mathrm{mV}}
$$
必须区分:
| 符号 |
含义 |
本题数量级 |
| \(v_s\) |
信号源自身产生的电压 |
\(10\,\mathrm{mV}\) |
| \(v_i\) |
真正加到放大器输入端的电压 |
约 \(6.2\,\mathrm{mV}\) |
| \(v_o\) |
放大器输出端电压 |
约 \(-0.51\,\mathrm V\) |
8. 第七步:求输出电压和总增益
放大器自身的电压增益定义为:
$$
A_v=\frac{v_o}{v_i}
$$
所以:
$$
v_o=A_vv_i
$$
代入:
$$
v_o\approx-83\times6.2\,\mathrm{mV}
\approx-0.51\,\mathrm V
$$
$$
\boxed{v_o\approx-0.51\,\mathrm V}
$$
这里的负号仍然只表示反相。
如果题目问的是从信号源到输出的总增益:
$$
A_{vs}=\frac{v_o}{v_s}
$$
可以拆成两段:
$$
\boxed{
A_{vs}=A_v\frac{R_i}{R_s+R_i}
}
$$
本题:
$$
A_{vs}\approx-83\times\frac{1.6}{2.6}
\approx-51
$$
因此:
$$
\boxed{A_{vs}\approx-51}
$$
这就是:
放大器自身增益 × 输入分压损失。
8.1 用实测波形直接读出电压增益
如果示波器或仿真读到输入、输出的交流电压,例如:
$$
v_i\approx5\,\mathrm{mV},
\qquad
v_o\approx-0.5\,\mathrm{V}
$$
那么可以直接由定义验证增益:
$$
A_v=\frac{v_o}{v_i}
=\frac{-0.5}{0.005}
\approx-100
$$
因此:
$$
\boxed{A_v=\frac{\text{输出交流电压}}{\text{输入交流电压}}}
$$
其中:
- \(|A_v|\) 表示电压放大了多少倍;
- 正负号表示输入、输出的相位关系;
- 共射极通常 \(A_v<0\),因为输出相对输入反相。
这个读数不一定和前面用近似参数算出的 \(-83\) 完全相同。实际仿真还会受到晶体管模型、工作频率、负载和测量位置的影响;重要的是先确认“输出除以输入”的定义和反相关系。
把旁路电容的影响再压缩一次:
$$
\text{有 }C_E
\Rightarrow R_E\text{ 被交流旁路}
\Rightarrow \text{分母较小}
\Rightarrow |A_v|\text{ 较大}
$$
$$
\text{无 }C_E
\Rightarrow R_E\text{ 进入交流回路}
\Rightarrow \text{分母变大}
\Rightarrow |A_v|\text{ 较小}
$$
所以可以记成一句话:
$$
\boxed{R_E\text{ 让交流增益下降,}C_E\text{ 把增益拉回来}}
$$
9. 第八步:输出电阻
基础小信号题通常忽略 Early 效应,把晶体管的输出电阻看作很大。因此从放大器自身输出端看进去,主要看到集电极电阻:
$$
\boxed{R_o\approx R_C}
$$
本题:
$$
\boxed{R_o\approx2\,\mathrm{k\Omega}}
$$
这里问的是放大器自身输出电阻,不是把外部负载并入之后的 \(R_C'\)。负载会改变增益,但在这个基础模型里不把它当成放大器内部输出电阻的一部分。
10. 把整题压成一条流程
看到“共射极 + 分压偏置 + \(C_E\) + \(R_L\) + \(R_s\)”,脑子里按下面顺序走:
$$
\boxed{\text{先用 DC 求 Q 点}}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{I_E\rightarrow r_e\rightarrow r_\pi}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{C_E\text{ 短路}\Rightarrow R_E\text{ 交流不起主要作用}}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{R_C'=R_C\parallel R_L}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{A_v=-\frac{R_C'}{r_e}}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{R_i=R_1\parallel R_2\parallel r_\pi}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{v_i=v_s\frac{R_i}{R_s+R_i}}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{v_o=A_vv_i}
$$
$$
\downarrow
$$
$$
\boxed{R_o\approx R_C}
$$
11. 如果拿掉旁路电容:答案是 B
现在回到题目最后的变化题:如果拿掉 \(C_E\),其他参数不变,增益分母应该选 A 还是 B?
答案是:
$$
\boxed{\text{B:要把 }R_E\text{ 也考虑进去}}
$$
因为没有 \(C_E\) 时,交流信号不能再绕过 \(R_E\)。基极电压上升会使发射极电流变化,进而使:
$$
v_b\uparrow
\Rightarrow i_e\uparrow
\Rightarrow v_e=i_eR_E\uparrow
$$
真正控制三极管的是:
$$
v_{be}=v_b-v_e
$$
因此:
$$
v_e\uparrow\Rightarrow v_{be}\text{ 的增量被削弱}
$$
这就是交流负反馈。
11.1 未旁路时的近似增益
不再把 \(R_E\) 当作交流短路后的旁路部分,近似增益变为:
$$
\boxed{A_v\approx-\frac{R_C\parallel R_L}{r_e+R_E}}
$$
用本题数量级:
$$
A_v\approx-\frac{1.67\,\mathrm{k\Omega}}
{20\,\Omega+1\,\mathrm{k\Omega}}
\approx-1.6
$$
更严格的写法是:
$$
\boxed{
A_v=-\frac{\beta(R_C\parallel R_L)}
{r_{be}+(1+\beta)R_E}
}
$$
这里的重点仍然不是最后的 1.6,而是看到:\(R_E\) 进入交流分母后,增益显著下降。
11.2 有无旁路电容的对照
| 条件 |
交流中的 \(R_E\) |
增益趋势 |
其他变化 |
| 有足够大的 \(C_E\) |
被旁路 |
增益较高,约 \(-83\) |
交流负反馈弱,输入电阻较低 |
| 没有 \(C_E\) |
参与交流 |
增益较低,约 \(-1.6\) |
线性、稳定性和输入电阻提高 |
所以 \(C_E\) 的设计思想可以压成一句话:
$$
\boxed{\text{直流保留 }R_E\text{ 稳定 Q 点,交流用 }C_E\text{ 旁路 }R_E\text{ 拉回增益}}
$$
12. 本题最容易漏掉的检查
- 先确认工作频率:只有当 \(C_E\) 的容抗足够小,才能把它当短路;低频时不能机械套用。
- 先并负载再算增益:输出耦合电容在中频近似短路时,必须使用 \(R_C\parallel R_L\)。
- 分清 \(v_s\) 和 \(v_i\):信号源内阻会吃掉一部分输入电压。
- 分清 \(A_v\) 和 \(A_{vs}\):前者是放大器自身增益,后者包含输入分压损失。
- 检查输出摆幅:小信号公式假设波形仍在线性区;输入继续增大后,输出仍会撞到截止或饱和而削顶。
- 不要删除直流中的 \(R_E\):它只是被交流旁路,仍然承担稳定 Q 点的任务。
13. 第 4 题过关标准
看到共射极小信号题,你应该能按顺序说出:
- Q 点先用 DC 求完;
- \(V_{CC}\) 在 AC 中接地;
- 中频下耦合电容和足够大的 \(C_E\) 近似短路;
- 用 \(I_E\) 算 \(r_e\),再由 \(β\) 估算 \(r_\pi\);
- 有负载就先算 \(R_C'=R_C\parallel R_L\);
- \(C_E\) 旁路时用 \(A_v\approx-R_C'/r_e\);
- 输入电阻是 \(R_1\parallel R_2\parallel r_\pi\);
- 信号源电压还要经过 \(R_s\) 和 \(R_i\) 分压;
- 输出是 \(v_o=A_vv_i\),负号表示反相;
- 拿掉 \(C_E\) 后,\(R_E\) 进入交流反馈,增益下降但线性和稳定性提高。
本题最终主线是:
$$
\boxed{
\text{DC 求 Q 点}
\rightarrow I_E
\rightarrow r_e
\rightarrow R_C\parallel R_L
\rightarrow A_v
\rightarrow R_i
\rightarrow v_i
\rightarrow v_o
}
$$
前一题:三极管第三题:发射极电阻的直流负反馈
下一题:三极管第五题:射极跟随器(待续)
总笔记:三极管电路:偏置、Q 点与小信号放大