共发射极(CE)是BJT放大器的一种组态，其中发射极是输入信号和输出信号的公共端。本节将介绍特定的CE放大器，并用它来说明一些交流参数。
学完本节后，你应该掌握以下内容:
- 理解和分析共发射极放大器的工作原理
- 画出 CE 放大器的交流等效电路
- 计算 CE 放大器的电压增益、输人电阻和输出电阻
- 讨论交流负载线和直流负载线的区别
- 画出 CE 放大器的交流负载线，并求 Q 点
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a)电路图
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共发射极(CE)放大器是 BJT 放大器中使用最广泛的类型，它的发射极作为输人和输出信号的参考端。图3-30a给出了一个 CE 放大器，它能够在负载电阻上产生一个放大和反相的输出信号。输人信号 $V_{in}$ 通过电容 $C_1$ 耦合到基极，并导致基极电流在其直流偏置值.上下波动。该基极电流的波动相应地产生了集电极电流的波动。由于晶体管的电流增益，集电极电流的变化量要远大于基极电流的变化量。这就产生了在集电极电压上一个更大的变化量，并且与基极信号电压反相。集电极电压的这个变化量又被电容耦合到负载上，产生输出电压 $V_{out}$。
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b)直流负载线
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图3-30 基本的共发射极放大器
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现在来仔细研究图3-30a中的放大器，并检查它的直流和交流参数。直流参数已经在例3-5(图3-20)中算出，这里简要回顾一下方法。注意，初始的 470$\Omega$ 发射极电阻现在包含两个串联电阻 $R_{E1}$ 和 $R_{E2}$，其和为 470$\Omega$。这对直流电流和电压没有影响，但由于旁路电容 $C_2$ 的存在，发射极电路的交流电阻值会不同。
这里存在分压式偏置，因此首先利用分压原理计算直流基极电压。由于发射结二极管压降，发射极电压为基极电压减去 0.7V。接下来，对发射极电阻利用欧姆定律计算出发射极电流。计算得到发射极电流为3.34mA，近似等于集电极电流; 因此，$R_C$ 两端的电压降也可以通过欧姆定律计算得到。从例3-5得到的结果可以知道 $V_C$ 为8 .98V，$V_{CE}$为 7.41V。我们知道 $I_C$ 和 $V_{CE}$ 确定了电路的 Q 点。由于这些 $I_C$ 值和 $V_{CE}$ 值是 Q 点处的值，因此它们有专门的标记: 分别为 $I_{CQ}$ 和 $V_{CEQ}$。
刚刚复习过的参数图能够帮你直观了解这些直流参数。可以通过计算电路的饱和电流和集电极-发射极截止电压来确定负载线。我们知道饱和电流是集电极-发射极电压近似为零时的电流。因此有:
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I_{C(sat)}=\frac{V_{CC}}{R_C+R_{E1}+R_{E2}}=\frac{18V}{2.7k\Omega+200\Omega+270\Omega}=5.68mA
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在截止点处没有电流，因此整个电源电压 $V_{CC}$ 就是集电极到发射极两端的电压。利用饱和点和截止点可以画出直流负载线，如图3-30b所示。其中给出了所有可能的工作点，但没有交流信号。Q 点位于前面计算得到的负载线上。
3.4.1交流等效电路
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图3-31 ~~~ 图3-30a电路的交流等效电路
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由于各种原因，交流信号电路与直流源电路大不相同。如果在图3-30a所示电路图中应用叠加原理，并且将电容视为短路，那么你可以从交流信号的角度重新画出 CE 放大器电路图，如图3-31所示。电源用交流地替换(用灰色给出)。电容用短路代替，由于 $C_2$ 的旁路作用，因此可以将 $R_{E2}$ 删除。
交流等效电路也给出了发射结二极管中的内部电阻(使用2.4节所描述的补偿电阻模型)。该内部电阻记为 r’$_e$ ,在增益及放大器的输人阻抗中发挥作用，因为它通常包含在交流等效电路中。因为它是一个交流电阻，所以有时也称为动态发射极电阻。该交流电阻值与直流发射极电流有关:
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r’_e=\frac{25mV}{I_E}~~~(3-9)
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该公式推导见附录。
3.4.2 电压增益
CE 放大器的电压增益 $A_v$。为输出信号电压与输入信号电压之比 $V_{out}/V_{in}$。输出电压 $V_{out}$ 在集电极端测量得到，输人电压 $V_{in}$ 在基极端测量得到。由于发射结正向偏置，因此发射极的信号电压近似等于基极端信号电压，即 $V_b=V_e$，则电压增益为: $$ A_v=-\frac{V_c}{V_e}=-\frac{I_cR_c}{I_eR_e} $$ 由于 $I_c≈I_e$,因此电压增益化简为交流集电极电阻与交流发射极电阻之比: $$ A_v≈-\frac{R_c}{R_e}~~~(3-10) $$ 增益公式中的负号表示反相，指的是输出信号与输人信号相位相反。注意，该增益写作两个交流电阻的比值，在其他放大器组态中也会见到类似的情况。
该增益公式是快速确定共发射极放大器电压增益有效而简单的方法。检测故障的时候，你需要知道期望的信号是什么样，记住，计算增益时，集电极和发射极电阻都是交流总电阻。下面总结一下这些概念。
发射极交流电路在发射极电路中， 需要包含内部发射结二极管电阻 r’$_e$ 和没有被电容旁路的固定电阻。在交流发射极电路中，内部电阻 r’$e$ 与未被旁路的发射极电阻串联。顺便提及，在图3-30a中这个未被旁路的电阻是 $R{E1}$，该电阻在确定增益和保持增益稳定性方面具有重要作用。稍后会看到，它同时提高了放大器的输人电阻。因为它趋向于扩大 r’$_e$ 的不确定值，所以有时候也称它为扩量程电阻。集电极交流电路从集电极的角度来看，集电极电阻和负载电阻是并联的。因此，集电极的交流电阻 $R_c$ 为 $R_C || R_L$。用一个例子来说明这个问题。
3.4.3 输入电阻
放大器的输人电阻 $R_{in(tot)}$ 在1.4节和图1-19中已经介绍过了。当存在电容效应或电感效应时该电阻也称作输人阻抗。它是一一个交流参数，其作用类似于一个与电源的内阻串联的负载。只要输人电阻远大于电源电阻，大部分电压就将呈现在输人端，并且负载效应微乎其微。如果输人电阻与电源的电阻相比很小，那么电源电压会主要作用于其自身的串联电阻，只留下极少的电压被放大器进行放大。
CE 放大器的一个问题是其输人电阻受 $\beta_{ac}$ 值影响。就像你看到的那样，该参数的变化范围非常大，因此在不知道 $\beta_{ac}$ 值的情况下，无法准确计算出给定放大器的输人电阻。尽管如此，还是可以通过在发射极电路中增加扩量程电阻来增大总的输人电阻以及最小化 $\beta_{ac}$ 的影响。这样就可以获得输人电阻的一.个合理估计值，进而确定给定的放大器是否符合任务要求。
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图3-32~~~~
图3-30a中CE放大器的交流
等效输人电路
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图3-30a 中 CE 放大器的输人电路重画在图3-32中，该图略去了输出电路。由于集电结反向偏置，因此 $R_C$ 不是输人电路的一部分。对交流输人信号而言，它与地之间有三条并联通路。从电源端看进去，三条通路由 $R_1、R_2$ 和经过晶体管基极-发射极电路的通路组成。正是这三条并联支路构成电路的输人电阻。将这个电阻定义为 $R_{in(tot)}$，因为它表示了包括偏置电阻在内的总输人电阻值。但是，基极-发射极支路由于晶体管电流增益的作用而与 $\beta_{ac}$ 相关。由于电流增益的原因，等效电阻 $R_{E1}$ 和 ${r’e}$ 在基极电路中比在发射极电路中大。发射极电路中的电阻必须乘以 $\beta{ac}$ 才能得到其在基极电路中的等效电阻值。因此，总输人电阻为:
$$ R_{in(tot)} = R_1||R_2||[\beta_{ac}(r_e + R_{E1})]~~~~(3-11)式子替换成r’_e $$
3.4.4 输出电阻
回忆1.4节的放大器模型，该模型包含一个驱动串联电阻的戴维南电压源或者一个驱动并联电阻的诺顿电流源。在这两种模型中，电阻都- -样。它是放大器的等效输出电阻。
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图3-33 CE 放大器等效交流输出电路
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为了计算任意 CE 放大器的输出电阻，从图3-33所示的输出耦合电容往回看过去。晶体管相当于一个电流源与集电极电阻并联。这与图1-11和图1-19b中的等效诺顿电路是一样的。
已经知道理想电流源的内部电阻为无穷大。只要记住这点，你就很容易看到 CE 放大器的输出电阻就是集电极电阻 $R_C$。
3.4.5 交流负载线
对于大多数故障检测工作，能够快速估计电路的电压值和电流值非常有用。尽管技术人员在日常工作中很少使用负载线，但它是理解晶体管工作原理的一个非常有用的工具，同时也能帮助你了解电路的极限值(比如限幅电平)。
如3.1节讨论过的，可以画出由串联集电极电阻 $R_C$ 和电压源 $V_{CC}$ 组成的基本晶体管电路的直流负载线。如图3-12a所示，该串联组合构成一个戴维南电路，它在图3-12b中用与 y 轴在饱和点交叉的直流负载线来表示。注意，图3-12b中的负载线与作为负载的晶体管无关。
对交流而言，由于存在电容和发射极内电阻 $r$’$_e$，因此戴维南电阻要更加复杂。在高频电路中，电感也可能发挥作用。即使 $r$’$_e$ 是晶体管内部电阻，也要将其看作戴维南电阻的一部分。耦合电容和旁路电容也会存在于大多数实际的交流电路中。对交流信号而言，电容一般被当成短路，这意味着集电极-发射极电路的交流电阻
$R_{ac}$ 会减小。例3-12解释了这个概念。
图3-34中同时给出了电容耦合放大器的直流和交流负载线。对两条负载线而言，Q 点是相同的，因为当交流信号减小到零的时候，必然会在 Q 点工作。可以看到交流饱和电流要比直流饱和电流大(由于交流电阻较小)。此外，交流集电极-发射极截止电压比直流集电极-发射极截止电压要小。对交流信号而言，交流负载线给出了任何可能的工作点(集电极电流对集电极-发射极电压)。
在交流负载线上可以计算出交流饱和点和交流截止点。交流负载线与 y 轴的交点为 $I_{c(sat)}$。可以通过直流Q点($I_{CQ}$)加上包含集电极一发射极电路的交流电阻 $R_{ac}$ 的一项，计算得到该点，如图3-34所示。交流饱和公式如下: $$ I_{c(sat)}=I_{CQ}+\frac{V_{CEQ}}{R_{ac}} $$ 交流负载线与 $x$ 轴交点为 $V_{ce(cutoff)}$。也可以通过直流 Q 点 ($V_{CEQ}$) 加上包含交流电阻 $R_{ac}$ 的一项得到。交流截止公式如下: $$ V_{ce(cutoff)}=V_{CEQ}+I_{CQ}R_{ac} $$
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图3-36叠加在典型晶体管特性曲线上的交流负载线
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了解放大器工作原理的一个有趣方法就是在交流负载线上叠加晶体管的一系列特性曲线。图3-36中给出了一个典型晶体管的这些曲线，并可用于图3-30a中的 CE 放大器。从基极电流的峰值与 $I_C$ 轴的交点映射出的两条线以及从交流负载线映射到 $V_{CE}$ 轴的两条线给出了集电极电流和集电极-发射极电压峰峰值的大小，如图3-36所示。对于本例中的电阻，如果输人信号使基极电流在 13~18μA 的范围内变化，那么集电极输出电流将在 2.9~3.9mA 的范围内变化。此外，对相同的信号而言， $V_{CE}$ 的变化范围为 6.3~8.1V。交流负载线也清晰地给出了当信号超过放大器的线性范围时，电流和电压的变化范围。