射极跟随器实验研究与探索

2021-12-31张小勇游秀芬柴华溢朱建华陈丫丫

太原科技大学学报 2021年6期

贾哲，张小勇，游秀芬，柴华溢，朱建华，陈丫丫

(太原学院，太原 030032)

射极跟随器[1]是共集电极放大电路，是一种广泛应用的电路。它的输出电压通过射极电阻RE转换得来，同时得到得输出电压所与输入电压同相位，且电路的放大倍数接近于1所以称其为射极跟随器，也是模拟电子技术的典型电路，因此具有重要的教学和科研意义。

射极跟随器电路具有的特点是输入电阻高，传递信号源信号效率高[2]；输出电阻低，带负载能力强；电压放大倍数接近于1，虽然没有电压放大作用，仍有电流放大作用，因而有功率放大作用。因此在实际应用电路中通常把射极跟随器作为多级放大电路的输入级[3]，减小在测量时对被测电路的影响，提高了测量精度；作为输出级，提高放大电路带负载的能力[4]；也可作为电子设备与负载之间的隔离级，隔离前后级的相互干扰，减小负载的变化对电子设备工作状态的影响，保证电路的正常工作。所以射极跟随器在电子技术中的应用极为广泛。

1 射极跟随器的静态工作点分析

射极跟随器只接入直流电源时的情况，即在三极管的集电极接入电压Vcc为+12 V,此时电路达到稳定状态，各处的电压和电流都是不变的直流，叫做“直流工作状态”或是“静态”，这时三极管的各极直流电压和电流的数值将在器件特性曲线上确定一点，这点就叫做静态工作点。电路图如图1所示。

图 1 直流通路图Fig.1 Direct current circuit

1.1 直流通路正常工作分析

射极跟随器直流通路图[5]中：电源电压Vcc，基极电阻RB，和发射极，射极电阻RE，构成了输入回路，同时电源电压Vcc的正极通过基极电阻RB接入基极也保证了发射结正偏；电源电压Vcc，集电极，发射极，射极电阻RE，构成了输出回路，电源电压Vcc正极接入集电极，电源电压Vcc负极通过射极电阻RE接入集电极。

所示的直流通路可看出，在输入回路中，其中RB为可变电阻，依据基尔霍夫电压定律(KVL)及晶体管的电流分配关系,可得如下公式：(1)和(1)基极电阻RB为可变电阻，通过改变电阻RB的阻值就可以得到不同的基极电流IB.

IB×RB+UBE+IE×RE-Vcc=0

(1)

IB=(Vcc-UBE)/RB+(1+β)RE

(2)

在输出回路中，其中RE为固定电阻，能将变化的变化的发射极电流IE转化为集电结电压UCE.依据基尔霍夫电压定律(KVL)及晶体管的电流分配关系,可得:

UCE+IE×RE-Vcc=0

(3)

UCE=Vcc-IE×RE

(4)

经过上述分析，调整静态工作点位置[6]通过改变电阻RB的阻值就可以得到不同的基极电流IB，射极电流IE，射极电压UE，集电结电压UCE.

1.2 直流通路故障分析

1.2.1 晶体管出现故障

晶体管是整个放大电路的核心，要具有放大作用，就必须使晶体管处于放大区的偏置条件：除了在制造工艺上，要求位于中间的基区必须做的很薄，而且掺杂浓度低，发射区的浓度远大于集电区；还需要满足外部条件发射结正偏，集电结反偏。

当三极管出现故障时[7]，无法给放大电路提供合适的静态工作点。三极管出现断路故障时，c-e极、b-c极、b-e极之间断开不能导通电流。电路中有晶体管的各级的直流电压发生改变，当b-e极之间断开，测量电压时出现基极电压UB为电源电压，射极电压UE为0 V；当b-c极之间断开，测量电压时出现集电极电压UC为电源电压，射极电压UB为0 V；当c-e极之间断开，测量电压时出现集电极电压UC为电源电压，射极电压UE为0 V；这时晶体管的基极就不能得到合适的基极电流IB，无法实现交流信号的放大。三极管出现短路故障时，三极管出现断路故短路故障通常表现为c-e极短路、b-e或b-c极短路。三极管击穿故障主要是集电极与发射极之间击穿。三极管发生击穿故障后，集电结电压UCE的值就0 V，无法使放大电路有合适的静态工作点，从而不能实现线性输出。

1.2.2 当基极电阻RB出现故障

基极电阻RB它的作用是提供大小适当的基极电流，以使放大电路获得合适的工作点，并使发射结处于正向偏置，本次实验中，通过改变基极电阻RB的阻值，可获得不同的基极电流，得到不同的静态工作点。当基极电阻RB发生故障时，晶体管的各级的直流电压发生改变，主要出现当基极电阻RB发生断路时基极电压UB为0 V，当基极电阻RB发生短路时基极电压UB为电源电压，这时晶体管的基极就不能得到合适的基极电流IB，也无法给提供放大电路有合适的静态工作点，实现交流信号的放大时容易出现失真。

1.2.3 当基极电阻RE出现故障

晶体管的发射极接入电阻RE，在直流通路中，当基极电流IB增大时，射极电流IE也会增大，射极电压UE增大，发射结电压UBE会减小，可以稳定静态工作点的作用。在交流通路中因发射极交流电流Ie需经电阻转换成交流电压从发射极输出，发射极电阻RE两端就可得到射极跟随器的输出电压。当射极电阻RE发生故障时，当射极电阻RE发生短路时射极电压UE为0 V，虽然可得到合适的基极电流IB，提供放大电路有合适的静态工作点，无法输出交流信号的放大。

2 射极跟随器动态分析

直流电源Vcc提供工作电压，保证了合适的静态工作点，同时当晶体管电路实现交流信号放大时，直流电源Vcc提供放大信号的能量，从而得到了输出信号。当接入交流信号时，射极跟随器电路输入端为基极，输出端为发射极，而集电极为输入回路和输出回路共有的交流接地端，输出信号取自于发射极，电路就处在动态工作状态。交流通路的微变等效电路如图2所示。

图2 微变等效电路Fig.2 Micro-variation equivalent circuit

2.1 射极输出器电压放大倍数及跟随范围

2.1.1 射极输出器电压放大倍数

电压放大倍数反映对输入信号的放大能力，利用微变等效电路法求得图2所示的射极输出器的电压放大倍数。

(5)

2.1.2 射极输出器电压跟随范围

本次实验，采用微课教学法，录制视频放在班级群里，一边讲解一边实验，通过改变RB的阻值，使VE的电压达到6 V，则UCE的取值为6 V左右，UCE的取值在直流负载特性曲线的中点，即为适中的Q点的位置。观察射极跟随器输出电压Ui跟随跟随输入电压Ui作线性变化的区域，逐渐增加ui的幅度，观察不失真输出电压UO；当输入电压Ui超过一定范围时，输出电压UO就不能跟随输入电压Ui做线性变化，当输入电压Ui稍微减少时输出电压uO就又可实现线性变化，这时就得到了输出最大不失真电压，也就是电压的跟随范围。实验波形如下图3，测试数据如表1.

图3 跟随波形比较Fig.3 Following waveform comparison

表1 测试数据

通过上述分析,可得射极输出器在一定范围内具有良好的跟随输出性能，其主要作用是将交流电流放大，以提高整个放大电路的带负载能力。

2.2 射极输出器的输入电阻

射极输出器的输入电阻Ri，反映对信号源的影响程度，可用微变等效电路计算：

(6)

Ri=RB//[rbe+(1+β)RL]

(7)

由于基极电阻RB接入，输入电阻Ri也会减少，但是一般也为几十几百千欧。

本次实验中，根据输入电阻Ri定义测量。首先保证射极输出器在正常工作状态下，分别用交流毫伏表测出输入信号源电压Us输入电压Ui计算出输入电流Ii，即可得出输入电阻Ri.测试数据如表2.

表2 测试数据

(8)

实验结果表明，输入电阻Ri的较大，因而从信号源索取的电流小，可以减小信号源的功率容量。在合适静态工作点下，可以减少了信号源损失，有效传输信号。

2.3 射极输出器的输出电阻

射极输出器的输出电阻R0，反映了携带负载的能力,用微变等效电路计算：

(9)

(10)

由于射电阻RE并联接入，可忽略RE的阻值，输出电阻R0会较小，一般也为几十几百欧。

本次实验中，采取等效电路法来计算输出电阻R0，如图4所示。由于射极输出器的输出端为负载RL提供电压，可将射极输出器的输出端等效为一个实际电压源模型，射极输出器的输出电阻R0为其内阻，串联接入负载电阻RL.`保持输入电压Ui不变，空载时测出电压U0为电压源，然后再测出接入负载电阻RL的电压UL，即可计算出射极输出器的输出电阻R0.测试数据如表3.