集电极自举电路

今年第3期我们介绍了基极自举电路，知道了其输入电阻的计算公式为

式中R\(_{b}\)=Rbl∥R\(_{b2}\)，R′e=Re∥RL。我们要增大R\(_{i}\)的数值，可以采取加大β、Rb、R′e的办法来达到目的。但是，通过实践发现，当R\(_{i}\)增大到一定程度后，再继续增大β、R′e或Rb时，R\(_{i}\)并没有明显地增加，这时上述计算Ri的公式便不适用了。这是为什么呢？原来，我们在分析基极自举电路时，没有考虑到晶体管的基极与集电极之间存在的等效阻抗r\(_{bc}\)的影响。rbc是由两部分组成的（见图1），一是集电结结电阻r′\(_{bc}\)，由于晶体管在工作时集电结处于反向偏置，因而它的数值很大，一般都在几百千欧以上；二是集电结结电容C′bc，一般在2～3微微法左右，较好的晶体管为1～2微微法。由于结电容较小，在低频运用时可忽略其影响。因此我们可以只考虑r′\(_{bc}\)的作用，并假定它就是rbc。

图2a是一个带有基极自举电路的射极跟随器，图2b是它的交流等效电路。图中R\(_{i}\)表示没有考虑rbc的影响时电路的输入电阻，R′\(_{i}\)表示考虑了rbc的影响后电路的输入电阻。由图2b可以看出，r\(_{bc}\)与Ri是并联的。当R\(_{i}\)＜＜rbc时，R′\(_{i}\)≈Ri，在这种情况下可以忽略r\(_{bc}\)的影响。当Ri≈r\(_{bc}\)时，R′i=r\(_{bc}\)∥Ri≈12R\(_{i}\)，这时电路的输入电阻比不考虑rbc时下降了一半左右。当R\(_{i}\)继续增高，使得Ri＞＞r\(_{bc}\)时，R′i≈r\(_{bc}\)。下面举例来看，假如一晶体管的rbc＝700KΩ，当R\(_{i}\)=50KΩ时，R′i≈50KΩ；当R\(_{i}\)≈700KΩ时，R′i仅为350KΩ；当我们继续提高R\(_{i}\)，使其等于5MΩ，这时R′i=5MΩ∥700KΩ≈700KΩ；R\(_{i}\)大于5MΩ，R′i仍近似为700KΩ。由此可见，射极输出器尽管采用了基极自举电路，但是它的输入阻抗仍不能提得很高，其最大值将不会超过r\(_{bc}\)的值。为了使电路的输入电阻进一步提高，必须选用rbc大的管子，而一般晶体管的r\(_{bc}\)值是在一定范围之内的，因此必须采用另外的办法来减小rbc的并联作用，使R′i得到提高。图3所示的电路便可以达到这一目的，它是在加了基极自举电路的基础上，又加了集电极自举电路，这就是在电路的输出端（E点）与BG\(_{1}\)的集电极（F点）之间加入一个大电容C，由于C的容量取得足够大，所以对交流信号而言是相当于短路的，这个电容也称为自举电容。为了避免由于C的加入而使输出信号经电源短路，在F点与电源之间又串入一电阻Rc，以起隔离作用。该电路的工作原理如下：

当输入信号Vi加到BG\(_{1}\)的基极（B点）时，由于射极输出器的电压跟随特性，E点电位与B点电位近似相等，即Vi≈VE。又由于C很大，对交流信号近似短路，因而V\(_{F}\)≈VE。这样我们便得到了V\(_{i}\)≈VF的关系式。这一关系式表明，对交流信号而言，r\(_{bc}\)的两端近似等电位，因而通过rbc的交流信号电流i≈0，也就相当于r\(_{bc}\)对交流呈现的阻抗为无穷大。这样rbc对信号源就几乎没有并联作用了，因而使R′\(_{i}\)大大提高。这种由复合管组成的射极输出器，同时采用基极自举和集电极自举之后，其输入电阻可提高到几十甚至上百兆欧。

图4为另一种集电极自举电路。其中BG\(_{1}\)、BG2各自组成一个射极输出器。C是自举电容，工作原理简述如下：

对交流信号而言，由于BG\(_{1}\)的射极跟随特性，使得VB≈V\(_{E}\)，当C取得足够大时，VG＝V\(_{E}\)，又因BG2 的射极跟随特性，V\(_{G}\)≈VF，这样便得到V\(_{F}\)≈VB。因此对交流信号而言，r\(_{bc}\)两端近似等电位，rbc呈现为无穷大的阻抗。这种电路是由C和BG\(_{2}\)共同完成自举的。图中R1、R\(_{2}\)的作用是供给BG2以适当的直流偏置电压，它们对负载电阻R\(_{L}\)的分流作用可以忽略不计。

在上面的分析中，我们忽略了C′\(_{bc}\)的影响。如果不加集电极自举电路，晶体管在高频工作时，C′bc的作用是不能忽略的，它将会使晶体管集电极与基极之间的交流阻抗下降。但是在加有集电极自举电路时，对交流信号而言，C′bc两端仍近似为等电位，相当于其交流阻抗为无穷大，因此，即使在高频时，它对输入阻抗的影响也是很小的。

上面简单地介绍了集电极自举电路的工作原理。在实际运用中，集电极自举电路可以单独使用，也可以与基极自举电路同时使用。图5是DA－12型晶体管视频毫伏表中高阻探头内的阻抗变换器。该电路利用射极输出器的高输入阻抗和低输出阻抗的特点，来完成阻抗变换。由于它采用了集电极自举电路，所以它的输入阻抗比一般射极输出器高得多，在100千赫时，输入电阻大于500千欧。下面简单分析一下它的工作原理。

晶体管BG\(_{1}\)、BG2复合后组成射极输出器，输出信号自电阻R\(_{2}\)上取出，经C2及C\(_{3}\)两电容送至下级。由于C3是一电解电容，虽然容量较大，但因制造工艺的关系，在频率较高时将呈现一定的感抗。为此在C\(_{3}\)的两端并接了一只小电容C2，这样就在很宽的频带范围内，耦合电容都将呈现很小的阻抗，都近似为短路。电阻R\(_{1}\)的作用是为了使复合管能够稳定的工作。我们知道，晶体管的穿透电流会随着温度而变化，对于像图2那样的复合管来讲，假设BG1的穿透电流为I\(_{ceo1}\)，BG2的放大倍数为β\(_{2}\)，那么总的穿透电流将是Iceo1≈β\(_{2}\)·Iceo1，比单管时大很多。这样，当温度变化时，Iceo1将会有很大变化，使复合管不能稳定地工作。为了减小I\(_{ceo1}\)，除了注意挑选穿透电流小的管子外（对BG1的要求比BG\(_{2}\)严格），又接入电阻R1，使BG\(_{1}\)的穿透电流Iceol被R\(_{1}\)分路一部分，而不是全部注入BG2的基极，使复合管总的穿透电流有所下降，从而提高了复合管的温度稳定性。R\(_{1}\)的数值一般为（1～10）rbc。C\(_{1}\)为隔直流电容，这样便可以在具有直流成分的情况下进行测量。Rc的作用是防止输出信号被电源短路，它的接入并不改变电路的射极输出器状态，但会使管子的动态工作范围变小，不过对于小信号工作情况影响不大。C为自举电容，其作用前面已经谈过了。R\(_{b}\)是直流输置电阻，取值为200KΩ。可能有人会问，Rb才200KΩ，对输入电阻的影响不是很大吗？不会的，只要分析一下电路的具体接法就明白了。图5中R\(_{b}\)是接在晶体管BG1的基极（B点）与集电极（F点）之间的，由于C、R\(_{c}\)的自举作用，使得B点与F点对交流信号而言近似等电位，因此Rb、r\(_{b}\)c对输入电阻的并联影响可同时忽略，这样，电路的输入电阻便可以远大于200KΩ。(段炳义)