共射放大电路中耦合电容问题分析

秦国防，张庆胜

（济源职业技术学院，河南济源，459000）

0 前言

放大电路是信号传输与处理中的关键部件，它能把微弱的电信号增强到所需要的数值，并且保持输出信号与输入信号的波形相同。

将交流信号从前一级传输到下一级的过程叫耦合。耦合的方法有直接耦合、电容耦合和变压器耦合。直接耦合效率最高，但前后两级的静态工作点相互影响；而电容器耦合或变压器耦合，能使前后级的静态工作点相互隔离，并使交流信号顺利通过。但不同的是，用电容传输信号会有相移发生；用变压器传输时信号的高频成分会产生损失[1]。而小信号传输时，用电容器作为耦合元件，信号所受相移影响可以忽略。

下面详细阐述，作为放大低频小信号（一般几mV,到几十mV）的阻容耦合共发射极放大电路的耦合电容。

1 耦合电容的极性方位

NPN晶体管构成的阻容耦合共射放大电路如图1所示。要使晶体管处于放大状态，必定满足集电极电位VC>基极电位VB>发射极电位VE。由于研究的信号源是低频小信号，信号的强度不影响电路的静态工作点，无论放大电路中加入或未加入动态信号，电容两端的电压基本保持不变。故极性电容放置的位置关系，主要由静态时电容两极所处位置的电位高低决定。所以电解电容的正极一端接高电位，电容负极一端接低电位。

图1 NPN 阻容耦合共射放大电路

输入耦合电容C1与信号源、晶体管的发射结，构成输入闭合回路。由于是小信号，晶体管的静态基极电位始终高于信号源正极电位。所以，耦合电容C1的正极接晶体管的基极。

输出耦合电容C2与晶体管的集电极到发射极之间部分、负载，构成输出闭合回路。晶体管的集电极电位始终是输出回路的高电位端。所以，耦合电容C2的正极接晶体管的集电极[2]。

PNP 晶体管构成的阻容耦合共射放大电路，电容的极性方位与NPN 的相反，如图2 所示。

图2 PNP 阻容耦合共射放大电路

图3 是NPN 阻容耦合共射放大电路的multisim 仿真检测电路。

图3 NPN 阻容耦合共射放大电路的检测电路

2 耦合电容的作用

在NPN 晶体管构成的阻容耦合共射放大电路中，一方面，耦合电容C1用来隔断信号源与放大电路之间的直流通路，耦合电容C2用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。另一方面，耦合电容C1、C2又保证交流信号顺畅地经过放大电路。

电源两极间的电压是由电源自身决定的，无论是直流电源还是交流电源。换句话说，电源两极间的电压具有钳位作用，电源两极接到哪里，那两端的电压就等于电源两极间的电压。信号源也具有此性质。

在NPN 晶体管构成的共射放大电路中，如果不加耦合电容C1，信号源与放大电路直接耦合，信号不失真地传输给放大电路。但信号源两极直接接到了晶体管的基极与发射极。基极与发射极之间的电压，就被信号源电压钳制，而等于信号源电压。由于信号源是小信号，信号源任意时刻的电压都不足以使晶体管的发射结正向导通，所以放大电路始终处于截止状态，信号就不能被放大，输出为零。也即，如果没有输入耦合电容，信号源电压会影响放大电路的静态工作点，使放大电路不能正常工作[3]。

图5 是没有输入耦合电容时Multisim 仿真的输入输出波形。很明显，此时虽有输入波，但无输出波。发射结电压被信号源电压钳制，测量得到有效值等于14.142mV，如图4 所示。

图4 无输入耦合电容发射结电压仿真测试结果

图5 无输入耦合电容时输入输出波形仿真测试结果

加上输入耦合电容后，信号源电压不能对基极钳位，放大电路的静态工作点不受信号源的影响。图6 是加入输入耦合电容时Multisim 仿真的输入输出波形，此时输入波与前述比较没有发生变化，但输出是被放大了的与输入相同的波形。

图6 有输入耦合电容时输入输出波形及A 通道（绿色）参数呈现

如果没有输出耦合电容C2，负载承受的电压就是放大后的信号电压与静态直流电压的叠加，输出波形严重失真，甚至还会烧坏负载。图7 是没有输出耦合电容时Multisim仿真的输入输出波形。

图7 没有输出耦合电容时Multisim 仿真的输入输出波形

3 耦合电容的取值

电容耦合实际构成的是阻容耦合电路，由电阻和电容构成。输入耦合电容C1和放大电路的输入阻抗Ri构成阻容耦合电路，如图8 所示；输出耦合电容C2和负载电阻RL构成阻容耦合电路，如图9 所示。它们分别等效于高通滤波电路。

图8 输入端阻容耦合电路的等效电路

图9 输出端阻容耦合电路的等效电路

图8 中，输入耦合电容和输入电阻构成了典型的分压电路，加到这一分压电路的输入信号Ui是信号源的电压；它的输出的信号Uo，对下一级放大电路而言是净输入信号，这一信号愈大，信号通过耦合电容产生的损耗愈小。

根据分压电路特性可知，当放大器输入阻抗Ri大小一定时，如果耦合电容容量太小，耦合电容对低频信号的阻碍就会很大，信号通过时衰减很多，甚至不能通过。耦合电容C1容量越大，其容抗越小，信号在耦合电容C1上的衰减就越少[4]。所以，要求耦合电容的容量要足够大，这样信号通过耦合电容时几乎不发生衰减。因此，耦合电容一般由容量值较大的电解电容充当。电解电容具有极性，使用时必须按照前述第一部分的方位要求进行放置。

但输入耦合电容C1也不是选择越大越好。由于电容的工作原理是充电、放电过程，电容过大时，会使充电时间过长，电路的反应变得非常缓慢，甚至初始阶段电路不能工作。所以耦合电容大小，应该是保证输入信号经过耦合电容后不出现衰减的最小容量值，通常选择几微法或几十微法。

当放大器的输入阻抗比较大时，可以适当减小耦合电容的容量，从而使耦合电容的漏电电流减小。因为电容的漏电电流是随其容量增大而增大的。耦合电容的漏电流也即电路噪声。电容容量越大，放大器的噪声就愈大。

输出耦合电容C2形成的高通滤波器与输出负载有密切关系，在选择C2时要结合所接负载的情况进行。

4 结束语

对构成电路元器件的认识，是电路设计者和分析应用人员必须熟练掌握的内容。本文对阻容耦合共射放大电路中的耦合电容，从极性方位、功能及取值等方面进行了详细分析，这些都是教材上一句话带过、极少讲解的部分。同时应用Multisim 仿真软件进行了直观地显示。以期读者对耦合电容有一个深入的学习与理解，设计及应用起来更加得心应手。