第5章
基本共射放大电路：裂变

偶尔获得一次战争的胜利并不难，困难的是如何成为每一场战争的胜利者。为此，人们总是倾向于总结以往各种战争的经验或教训并将其理论化和模式化，以便更加有效地指导后续可能发生的战争，《孙子兵法》与《三十六计》就是最好的证明。所以，尽管三极管放大电路可以对输入电流进行放大，但仍然存在很多需要进一步优化的工作等着我们去做，毕竟乌合之众的战斗力总比不上训练有素的军队。

前面已经详细讨论了三极管的工作区域和相关的电气参数，以及三极管输入与输出特性曲线的基本原理，当时使用的阻值配置的测试电路如图5.1所示。

为了确定RB与RC的最佳阻值配置，我们是这么操作的：调整直流供电电源VBB的大小，改变三极管发射结的正向导通压降vBE，从而使基极电流iB发生相应的变化，并随后控制集电极电流iC的变化。也就是说，在整个过程当中，三极管把基极电流iB的变化量放大成为集电极电流iC的变化量。所以，我们只需要把iC的变化量作为输出就可以达到放大输入电流的目的。

但是，在实际的应用当中，通常使用电压（不是电流）的形式在多个放大电路之间进行信号的传递。换句话说，大多数放大电路都需要对电压信号进行放大。那应该怎么办呢？有些读者可能已经猜到了，我们在实验过程中一直在调整的电源VBB就相当于输入的电压信号，它的变化趋势与相应的iB是成正比的。所以，能够对变化的电压信号进行放大的电路如图5.2所示。

为了与直流供电电源VBB有所区别，这里使用符号vI表示变化的电压信号，我们暂时认为它可以表示变化的直流或交流。那么放大电路的输出信号又是什么呢？实际上，大多数放大电路需要输出的也是电压信号（对于下一级放大电路来说，相当于输入信号），对于这一环节，我们无须做更多的工作，只要把RC两端的压降作为输出就可以了，如图5.3所示为放大电路的电压输出。

由于RC两端的压降（输出电压vO）与iC是呈正比例变化的，所以此电路的整个放大过程就是：输入电压vI的变化引起三极管发射结电压vBE的变化，从而影响iB发生相应的变化，继而控制iC的变化，最后导致RC两端压降的变化。简单地说，就是vI引起vO的变化。当三极管处于放大状态时，它们都是正比例变化的。如果vI是上升的，那么vBE、iB和iC是上升的，最后vO也会上升；如果vI减小，那么相应的vO也会减小，这就是三极管放大电路进行电压信号放大的基本原理。但是，这仅仅是基本原理而已，离实际应用还差得很远，接下来还得进一步地完善它。

我们很早就提到过，三极管的发射结相当于一个二极管，它存在一定的死区电压Vth，如果在vI变化的过程中其幅值小于Vth，那么相应的三极管将会处于截止状态，此时小于Vth的那一部分输入信号是不会被放大的，如图5.4所示为死区电压如何影响输出电压。

假设vI变化的最大值超过发射结的死区电压（暂定为0.5V），而变化的最小值小于发射结的死区电压，那么当vI接入到放大电路后，它就会引起发射结正向压降vBE的变化，并且其波形与vI是差不多的，这就相当于基极电阻RB与发射结串联对vI进行分压，只不过（相对于vI而言）vBE的变化量比较小，而且vBE本身不会有太大的变化，也就大约在发射结导通压降（约0.6V）上下很小的范围内波动，这样自然会引起iB发生相应的变化。

从图5.4中可以看到，当vBE<Vth时，基极电流iB是非常小的，我们可以认为其是0，因为发射结还没有导通，相应的iC也为0；当vBE>Vth时，由于iC与iB是比例放大的关系，所以它们的波形肯定是相似的，只不过iC的幅值更大一些。三极管总是严格履行自己的职责，放大自己应该放大的。当然，不能放大的，它同样也不会放大。而RC两端的压降与iC的变化趋势是相同的，这样vO的波形自然也就失真了。

很明显，vO出现波形失真是因为vI的幅值过小，使三极管进入了截止区而。我们把由于三极管进入截止区而导致输出信号的失真称为截止失真（Cut-Off Distortion）。

图5.4所示的vO波形勉勉强强还算过得去，虽然它已经失真了，但毕竟还是有输出的嘛。但是，在实际的电路应用中，vI的幅值很有可能不会很大，也许就只有几十毫伏甚至更小，如果你把幅值这么小的电压信号作为vI直接连接到放大电路的输入端，很明显，三极管的发射结则是永远无法导通的，从而也就谈不上对它进行放大了。

那该怎么办呢？如图5.5所示，我们可以将一个直流电源与信号源串联起来来实现。

久违的直流电源VBB又出现了，只不过这个时候的VBB始终是不会变化的，它的电压值总是比vI的幅值大，比发射结的死区电压也大很多，如之前使用过的5V电压值。我们将VBB与vI串接的目的就是使三极管的发射结始终处于导通状态，这样就算vI的幅值很小，它也可以在发射结已经导通的状态下引起iB的变化，如图5.6所示。

这里我们使用与原来相同的vI。很明显，无论vI的幅值为最大值还是最小值，VBB与vI串联后的电压值总会大于发射结的死区电压（0.5V）。也就是说，三极管总是处于放大状态，此时iB与vI的变化趋势一致，这样iC与vO的波形也就不会出现失真了。这就相当于一个小孩子要过河，但是这条河水太深了，怎么办呢？只要大人把这个小孩扛在肩上就没事了，如图5.7所示。

同样的道理，需要进行放大的小信号vI就相当于要过河的小孩子，而与vI串联的直流电源VBB就相当于大人，大人的作用就是不让河水影响小孩子过河。

我们把直流电源VBB称为基极电源，它的作用是让三极管的发射结始终处于正偏状态，相当于在河面架了一座桥。同样，我们把直流电源VCC称为集电极电源，它的作用是让三极管的集电结始终处于反偏状态，这样就可以让三极管一直处于放大状态。另外，电源VCC还给三极管提供能源，因为我们已经提过，三极管本身不能凭空产生新的能量，它并不是把基极电流iB直接放大，而是通过使用较小的iB变化量来控制较大的集电极电流iC的变化量，从外部电路来看就好像是iB被放大一样，而放大（控制）后的iC就是由供电电源VCC来提供的。

大家有没有注意到电路图底部的“⊥”符号，其实在前面的章节中一直都存在，它是什么意思呢？我们知道，电压一般都是由两根线来传输的。例如，我们家里使用的220V交流电压传输线缆就由两根线组成，即零线与火线。但是在同一个电路系统当中，我们总是会使用一个公共的节点作为参考，这样分析电路时就会非常方便。我们把这个公共的参考节点称为“地”，如果某个元器件的引脚与公共节点连接，我们就称为“接地”。例如，图5.6所示三极管的发射极引脚就是接地的，它并不代表与大地连接。

我们把地的电位规定为0V，某个节点电位的具体值就是相对0V电位的，而电压值就是两个节点之间电位的差值。例如，你可以说“VT1集电极与发射极之间的电压是VCE”，也可以说“集电极的电位是VC，发射极的电位是VE”，但是你不能说“集电极电压是VC”，或者“集电极与发射极之间的电位是VCE”，因为我们在描述电压的时候，它总是存在两个节点的。例如，220V的交流电压，我们指的是零线与火线之间的电压。而电位针对的是单个节点的。但是，单个节点的电位肯定是有一个参考点的，没有参考的电位是没有意义的。例如，VT1集电极与发射极之间的压降VCE的值等于集电极电位VC与发射极电位VE之间的差值。如果三极管的发射极是接地的，那么发射极电位VE与地（0V）是相等的，所以我们可以认为VCE=VC-VE=VC-0V=VC。但是，你不能说“集电极-发射极之间的压降VCE等于集电极电位VC”，这种表达方式是不妥的，如图5.8所示为电位与电压。

那我们提到这些知识的用意何在呢？因为在实际应用中，我们不太可能总是把输入信号vI与直流电源VBB进行串联后再接入放大电路进行放大，这就相当于把直流电源VBB的正极作为参考，因为你总是要把vI“扛”在它的“肩膀”上的。同样，对于输出信号，我们也总是需要两条线把电压引出来，这样就相当于以直流电源VCC的正极为参考。输入信号存在一个参考电位，输出信号存在一个参考电位，另外我们还规定了一个公共参考地，这么多参考电位太麻烦了。

我们通常统一使用一个公共参考点，也就是前面提过的零电位。这样的话，无论是输入信号还是输出信号，它们其中一根线总是与公共参考地连接的。对于输入信号vI，就是将它直接与三极管的发射结并联，如图5.9所示。

这是什么意思呢？实际上，电压信号的传输还是使用两根线，只不过现在使用一个参考地。如此一来，大家都参考同一个电位，就好像只用一根线传输电压信号一样，这样我们就不需要总是把输入信号vI与直流电源VBB串联了。VBB的目的是让三极管的发射结始终处于导通状态，vI是要“扔入”放大电路进行放大的，这样有利于把输入信号源从放大电路设计当中独立出来。

同样的道理，对于输出信号vO，我们也应该参考同一个电位，这样就只需要拉出一根信号线就可以了。那么vO是从集电极电阻RC的上侧还是下侧引出呢？从RC的下侧引出肯定是不太对的，因为我们说过，既然你要用一根线引出来，那么肯定是有一个共同的参考电位的。对于图5.9，参考电位就是0V（电源VCC的负极）。如果你从RC的下侧引出电压信号，就相当于把直流电源VCC引出了。你把VCC引出来干什么呢？它是直流供电电源，总是不会发生变化的。如果你想把它引出，把VCC直接拿走就可以了。我们需要的应该是跟随输入信号变化的放大后的信号，所以输出信号应该从RC的上侧引出来，如图5.10所示为输出电压的引出。

很遗憾地通知各位：革命尚未成功，同志仍需努力。经过修改的电路还是存在一个很大的问题，由于vI与三极管的发射结是直接并联在一起的，所以当三极管处于放大状态时，基极电位VB应该约为0.6V。但是，vI很可能会非常小（如只有几十毫伏），比死区电压小得多。换言之，对于vI来讲，由于它的下侧与公共地连接（参考电位是0V），所以其上侧的电位也就可能只有几十毫伏（无论具体电位是多少，它总可能会与VB不相同）。然而，由于vI直接与三极管的基极连接，同一个电路节点肯定不会存在两个不同的电位，所以vI就会与VB“打架”。

也就是说，虽然足够大的直流电源VBB可以使三极管的发射结导通，也能够让基极电位大约有0.6V，然而一旦vI与三极管的基极直接相连的话，只要vI与VB不相同，就会产生电位干扰现象。例如，当vI较小时，VB就会被拉下来了，那么发射结又不导通了，三极管又不在放大区了。也就是说，vI一般不能与三极管的基极直接相连。那该怎么办呢？我们比较常用的做法就是使用电容器进行隔离，如图5.11所示。

电容器有“隔直流，通交流”的特性，所以输入信号源中的交流成分可以通过电容器叠加在基极电位上。你可以这样理解：当没有输入信号（vI=0）的时候，电容器C1与三极管基极连接的一侧是直流电压（约0.6V），而与信号源vI连接的一侧为0V，所以C1会被充电到0.6V。当变化的输入信号到来时，由于电容器两端的电压不能突变，所以基极电位就会在原来0.6V的基础上跟随输入信号的变化而变化，如图5.12所示为电容器隔离前后的基极电位。

同样的道理，输出信号也应该使用电容器进行隔离。需要特别注意的是：这两个电容器通常是有极性的。那极性该怎么定呢？其实很简单，你就观察没有信号源输入（vI=0）时，耦合电容哪一侧节点的电位高就把正极往哪边连接。例如，当我们确定电容器C1的连接时，可以假定输入信号为0V，此时基极的电位为0.6V（比左侧（0V）高），所以电容器的正极应该接右边。

有人可能会说：串联电容器后不就没办法放大直流信号了吗？这个问题提得非常好，它确实没有办法放大直流信号，但是我们现阶段讨论的放大电路都是用来放大交流信号的，因为有用的信号通常都包含在交流信号当中（如音频信号）。而对于直流信号的放大，我们可以使用直接耦合的放大电路，后续会进一步讨论。现在你只需要知道利用电容器的“隔直流，通交流”特性可以解决直流电位相互干扰（牵制）的问题就可以了。

我们把电容器C1与C2称为耦合电容器（Coupling Capacitor），大家可能是第一次接触到“耦合”的概念。是什么意思呢？通俗来讲，耦合的意思就是：把信号通过某种方式从一个地方传送到另一个地方！这跟人去旅游一样，你可以坐汽车、火车或高铁，他可以坐飞机，总之，就是要把人从一个地方送到另一个地方去。

在电路系统中，这里提到的“其他地方”通常就是下一级放大电路或负载，正如牛拉车一样，牛就相当于放大电路，而车就相当于负载。同样的道理，一个放大电路总是需要驱动负载的（养头牛肯定是需要它来完成某些工作的，而不是拴在客厅给人观赏的），它可以是电灯泡、扬声器或电机，甚至是另外一个放大电路，没有连接负载的放大电路是没有实际意义的。例如，对于图5.13所示的电路，我们可以说：耦合电容器把前一级放大电路输出的电压信号耦合到下一级放大电路。

而对于图5.14所示的电路，我们可以说：耦合电容器把放大电路输出的电压信号耦合到扬声器。耦合电容器所起的作用就是隔离直流而传递交流信号，因为常用的磁动式扬声器的内部就是一个线圈，如果有直流成分施加在两端时，很容易损坏扬声器或放大电路本身。

到目前为止，放大电路的优化工作已经接近圆满了，但是仍然还是有一个地方不是很完美，那就是它需要两个直流电源，太麻烦了。有没有办法只使用一个直流电源也能达到相同的效果呢？我们可以使用集电极供电电源VCC代替基极供电电源VBB，如图5.18所示。

可能有人会问：在与集电极共用一个电源的情况下，基极电流不会太大吗？你的担心是多余的。我们早就提过，RB与RC存在的意义就是限制三极管各个电极的电流，只要RB的取值设置得比RC大，那么在同一个直流供电电源的情况下，基极电流就会比集电极电流要小得多，这样也就达到我们的目的了。

图5.15所示的电路看着有点别扭，我们调整一下它的画法，如图5.16所示为调整后的放大电路。

在实际工作中，你见过的放大电路应该如图5.17所示，它与图5.16所示的电路是完全一致的，只不过使用网络标号VCC表示电阻RB与RC的公共连接点的电位是VCC，也就相当于在VCC节点与公共参考点之间连接了一个电压值为VCC的直流电源。这种电路图的画法更简洁一些，是电子行业中电路图的习惯画法，也是后续电路分析过程中采用的绘图方式。

最后我们来回顾一下三极管放大电路的整个电压放大过程，如图5.18所示。

输入信号源v1表示交流信号，经过耦合电容器C1耦合到三极管的基极后形成vBE，然后iB发生相应的变化，三极管把iB放大为集电极电流iC，而集电极与发射极两端的压降等于电源VCC减去RC两端的压降，所以vCE与iC的变化是相反的（反相180°），最后经过耦合电容器C2把vCE波形中的直流成分隔离之后，就得到输出电压vo了。

原来我们的意思是输出电压vO从集电极电阻RC两端输出，而实际上却是从三极管的集电极与发射极两端输出。为什么呢？因为我们使用同一个参考电位，所以你从三极管的集电极输出，就相当于从集电极与参考点之间输出。很明显，输出信号与输入信号是反相的。那算不算放大呢？当然算，小孔成像不也是倒过来的嘛，倒过来的波形还是包含了输入波形所有的信息的。

三极管完整的放大电路应该如图5.19所示。

我们使用vs表示信号源，RS表示信号源的内阻，RL表示负载。由于三极管的发射极是输入与输出回路共用的，所以我们把它称为共发射极放大电路，也因为这是三极管放大电路最基本的结构，也把它称为基本共发射极放大电路（简称基本共射放大电路）。