专利名称：晶体管“共集－共基”、“共集－共基－共集”放大电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及两种由优选的晶体管“共集”、“共基”两个基本组态电路分别按“共集-共基”、“共集-共基-共集”方式串接而成的放大电路，属晶体管电路技术领域。
自从1947年世界上第一只晶体管问世、至今已五十余年了，晶体管以其体积小、耗电低、寿命长、可高度集成化、便于工业化大规模生产等种种优势，在社会的诸多领域中早已取代了具有百年历史的真空管。
半导体技术虽然一枝独秀，但在某些特定的领域例如高频率、大功率发射，真空管至今却仍占据着不可动摇的绝对主导地位。甚至于在Hi-Fi声频放大这个与人们日常生活密切相关的普通工程技术问题中，资深前辈们对真空管放大器音色那隽永的至清至醇更是情有独锺。在这些领域，现实的晶体管及其电路无法与真空管相匹敌。由非接触性电极构成的真空管特别适合用作高频率、大功率、低噪声、低失真的线性放大。
五十多年来，人们为了找寻一种用晶体管完全取代真空管作线性放大的方法作出了不懈的努力。六十年代末、美国首先生产出了″FETRON″(高压复合结型场效应管)器件，用以替换部份小型旁热式真空管并广泛地应用于电话交换、通讯和导航等仪器设备中。但它其实只是真空管“阴地-栅地”放大电路的翻版，这种囿于真空管电路理论而移植到晶体管电路中来的“共射-共基”电路在高频率、低噪声的线性放大电路应用中往往表现得不尽人意。近些年来，世界各大半导体器件厂商竟相推出了很多低噪声的微波用晶体管，但和真空管相比、要真正实现高频率、大功率、差距实在太大了。
当今世界、半导体及其集成电路技术正向着纳米阶段迈进。但是、正如人类早已登上月球、进入太空邀游，却尚未来得及完全了解人类赖以栖身的地球、甚至人类自身一样。五十多年来，半导体技术在研究、应用和发展的过程中也同样并存着这样一个令人遗憾的基础理论与实际应用头重脚轻、相互失衡的严重问题。
本发明的目的是为进一步完善晶体管电路基础理论，通过提供晶体管“共集-共基”和“共集-共基-共集”这两种型式的串接放大电路，打破以往晶体管放大电路中只使用单纯的“共射”、“共集”、“共基”、或“共射-共基”这些传统晶体管基本放大电路和使用管子以及放大级数多多亦善的格局；充分发掘晶体管基本放大电路的内在潜力，扩展晶体管放大和振荡电路的高频上限、改善线性、降低噪声；在现阶段、为至少将真空管从微弱信号检测、以及与人们日常生活极为相关的高保声频工程中彻底淘汰，最终将真空管从高频率、大功率发射这些最后的特定领域内逐渐淘汰而奠下坚实的基础。
本发明的技术方案如下一、晶体管“共集-共基”放大电路，其特殊之处在于这种电路将晶体管的“共集”、“共基”两种基本组态电路按“共集-共基”电路的方式串接而成作一级放大，这种串接放大方式同样适用于场效应管或与场效应管混合使用的晶体管放大电路。
重温并比较晶体管电路中的“共射”、“共集”、“共基”三种基本组态电路，不难看出“共集”、“共基”这二种基本组态电路均有着相对较好的高频特性、良好的线性和较低的噪声。“共集”组态电路有较高的电流增益、而“共基”组态电路则有很大的电压增益。至关重要的是“共集”组态电路的输出阻抗与“共基”组态电路的输入阻抗基本处于同一数量级、如若串接构成“共集-共基”电路，它们之间的阻抗将可以恰好匹配，二者之间自然能实现无损耗、无失真的传输。这种优化组合而成的新型电路兼备了“共集”、“共基”这二种基本组态电路的所有优势，加之输出信号与输入信号之间有“基-地”、“集-地”电路的双重隔离、因此电路十分稳定。
再来剖析与之极为相似的传统的晶体管“共射-共基”电路显而易见、“共射-共基”电路前级部份使用的“共射”组态存在先天不足输入阻抗不够高、线性差、噪声大、频带窄；关键的问题是“共射-共基”间的阻抗严重失配，结果自然是导致系统的线性进一步恶化；纵然它有极高的电流、电压增益，但在高频率、低噪声的线性电路中却难于启用。
下面结合电路图对晶体管“共集-共基”放大电路作进一步描述
图1是晶体管“共集-共基”放大电路的基本电路构型图为提高输入阻抗、图中的晶体管Q1采用了场效应管并工作于低压供电的“共集”(共漏)组态，晶体管Q2工作于高压供电的“共基”组态；电阻R0是输出负载，R1、R2和Rb是输入偏置电阻，电阻Rb除了起到稳定工作点的作用外，同时还产生电流串联负反馈以提高“共基”组态电路部分的输入阻抗、改善电路的特性和控制增益。
本电路工作于串接放大状态，电路总的电流增益等于“共集”(共漏)组态与“共基”组态的电流增益之积；由于“共基”组态的电流增益略小于1，故电路总的电流增益近似于“共集”(共漏)组态的电流增益；同理、由于“共集”(共漏)组态的电压增益略小于1，故电路总的电压增益近似于“共基”组态的电压增益。
“共基”组态有很高的电压增益、可以作到数百上千倍，而“共集”(共漏)组态的电压增益却略小于1，供电电源±Ec(±ED)的比值应根据电压增益的高低来选取，一般可取十至数十比一。
电路的前级部份处于低电压、小电流的“共集”(共漏)组态，所以耗电极小。
当我们用“共基”电路取代“共射”电路作高频放大后，使用频率参数被从fρ扩展到了fα，工作频率的上限被提高了至少一个数量级。考虑到目前高频率、大功率的晶体管生产制作困难，因此、这种采用“共集-共基”放大电路，将使用频率从fβ转化为fα，从而实现以往所不能进行的高频率、大功率放大的方法是具有十分积极的现实意义的。
这种新型电路与真空管放大电路相比它们之间的特性有惊人的相似，尤为重要的是它只用一级放大便实现了以往需二至三级放大才能达到的高阻输入、低噪声、低失真、低附加相移、高增益、高转换速率、高稳定度的宽带线性放大。因而、这个电路是从微弱信号检测、线性集成电路乃至高频率、大功率振荡或发射都适于使用的新电路。
二、晶体管“共集-共基-共集”放大电路，其特殊之处在于这种电路将晶体管的“共集”、“共基”两种基本组态电路按“共集-共基-共集”电路的方式串接而成作一级放大，它是晶体管“共集-共基”放大电路的低阻输出型式；这种串接放大方式亦同样适用于场效应管或与场效应管混合使用的晶体管放大电路。
晶体管“共集-共基”放大电路虽然性能优良，但这种看似近乎完美的电路却引出了一个射极输出器单向跟随的重大缺陷；这个缺陷在电压增益较高的时候显得尤为突出，加之它输出的是高阻扰、带负载能力较弱、故有必要对此电路作进一步改良倘若我们引入已知的″SRPP″(Shunt Regulated Push-Pull)[并联(或分流)调整式推挽放大]电路对其进行串接互补，问题将会大为改观下面结合电路图对晶体管“共集-共基-共集”放大电路作进一步描述将图1晶体管“共集-共基”放大基本电路构型图中的负载电阻Rc用一个工作于“共集”(或共漏)组态的晶体管电路取代，便可对晶体管“共集-共基”放大电路进行串接互补，从而构成图2a所示的晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”放大电路。当新增的“共集”(共漏)组态电路中使用“耗尽型”场效应管时，电路可简化为图2b的形式。
在图2a和图2b中、晶体管Q1主要负责信号电压的负向跟随，而晶体管Q3则主要负责信号电压的正向跟随。
根据Hi-Fi放大电路“简洁至上”的原则，该电路把“共集”、“共基”、“共集”三个晶体管基本组态电路串接组成一级同相放大电路，而新增的“共集”组态电路除有很高的视在电阻外同时又具有较低的输出阻抗；可以看出这个电路除了具有晶体管“共集-共基”放大电路的所有优点和输出低阻抗之外还具有比晶体管“共集-共基”放大电路更为优良的线性。
图1是表明本发明的“共集-共基”放大电路的基本电路构型图。
图2a和图2b是表明本发明的“共集-共基-共集”放大电路的基本电路构型图。
图3a是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第1实施例的结构的一电路构型图。
图3b是表明根据本发明的“共集-共基-共集”放大电路的第1实施例的结构的一电路构型图。
图4a是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第2实施例的结构的一电路构型图。
图4b是图4a的变形电路。
图4c是表明根据本发明的“共集-共基-共集”放大电路的第2实施例的结构的一电路构型图。
图5a是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第3实施例的结构的一电路构型图。
图5b是表明根据本发明的“共集-共基-共集”放大电路的第3实施例的结构的一电路构型图。
图6a是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第4实施例的结构的一电路构型图。
图6b是表明根据本发明的“共集-共基-共集”放大电路的第4实施例的结构的一电路构型图。
图7是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第5实施例的结构的一电路构型图。
图8是表明根据本发明的“共集-共基”放大电路的第6实施例的结构的一电路构型图。
但本发明的内容并不限于附图所示。
下面结合附图对本发明的实施例作祥细的说明实施例1晶体管互补“共集-共基”、“共集-共基-共集”放大电路图3a是采用互补输入方式的晶体管“共集(共漏)-共基”放大电路为克服射极输出器单向跟随的矛盾，本电路采用了互补输入的方式。
图中“共集”(共漏)组态电路的Q1、Q2使用的是耗尽型场效应管，并分别负责信号电压的正负向跟随，经过放大后的信号电压由晶体管Q3、Q4的集电极取出；这两个输出电压最后合成后，便可将射极输出单向跟随的不足彻底消除。
图3b是采用互补输入方式的晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”放大电路，它是图3a的低阻输出型式。在该电路中、由于进行了并行和串行双重互补，所以电路的失真较图3a更小。
实施例2晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”差分电路解决上述射极输出器单向跟随的矛盾还有另外一种好方法，那就是采用晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”差分电路。
与传统的其它晶体管电路一样，晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”电路同样能工作于直流放大状态并适用于差分电路。
比较传统的晶体管双端输入、双端输出差分电路和新提供的图4a晶体管双端输入、双端输出“共集(共漏)-共基”差分电路传统的双端输入晶体管差分电路这种电路低零漂、并有很强的共模抑制比。但两只差分放大晶体管均工作在“共射”组态，输入阻抗不够高、线性差、噪声大、频带窄；这些不足在晶体管电路的基础理论中早有定论。如若两只差分放大晶体管使用场效应管、则输入阻抗将大为提高，但电压增益势必又会有所下降。解决此矛盾的最好办法便是采用晶体管“共集-共基”或“共集-共基-共集”差分放大电路。
图4a是新提供的双端输入、双端输出晶体管“共集(共漏)-共基”差分电路图4a电路不但可以完全克服传统的双端输入晶体管差分电路电路所固有的输入阻抗不够高、线性差、噪声大、频带窄等诸多弊端，而且还可有很高的电压增益。
为提高输入阻抗、图中的Q1、Q2可使用场效应管，要获得高电压增益、工作于“共基”组态的Q3、Q4应采用高反压双极型晶体管。
工作于“共集”(共漏)组态的晶体管Q1、Q2、与工作于“共基”组态的晶体管Q3、Q4各司其职一组用于提高输入阻抗、承前启后、降低噪声、扩展带宽；另一组则用于高增益、低噪声、低失真的宽带线性放大。
除了使用的元件在电路上左右严格对称之外、工作于“共基”组态的双极型晶体管Q3、Q4与工作于“共集”(共漏)组态的场效应晶体管Q1、Q2之间还存在着可以互补的正、负温度系数，这就使该电路低零漂的特性得到了进一步的提高。
由于工作于“共基”组态的Q3、Q4有很高的电压增益，因此这种双端输入、双端输出的晶体管“共集-共基”差分电路在与传统双端输入晶体管差分电路的输入同为高阻抗时还具有相对更强的共模抑制比。
图4b是图4a的变形电路。
图4c是双端输入、双端输出晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”差分电路如前所述、由于电路的每臂中都进行了正负向串接射极跟随互补，用作“共基”组态电路负载的“共集”(共漏)组态电路又有很高的视在电阻值，这样、电路中的“共基”组态低失真、低噪声、高增益宽带线性放大的种种优良特性便得以在此间展露无遗，从而可在每个单臂上作到至少60个dB以上的电压增益；与此同时、电路的共模抑制比也被相应地提到了更高的水平。
实施例3晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”振荡电路由于晶体管“共集-共基”电路的“共集”组态高输入阻抗、与信号源高度隔离；而“共基”组态的基极接地、又将集电极输出的放大信号与前级隔离；因此晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”电路除了具有很高的输入阻扰、既有较高的电流增益、又有很大的电压增益、宽频响、低噪声、低失真、高转换速率等优良特性外，还具备有高稳定度这一优良的特性。
使电路具有高稳定度这一优良特性的另一个重要因素是晶体管“共集-共基”或“共集-共基-共集”电路总共只作了一级同相放大、电路的附加相移很小，所以电路不易出现自激。
对于晶体管振荡电路、尤其是高频率的振荡电路，除了要求电路必须具备低噪声和良好的频-幅特性外，同时还要求电路具有极好的相-幅特性，以保持振荡电路的高度稳定。晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”电路完全满足这样的条件。
采用晶体管“共集-共基”或“共集-共基-共集”电路作振荡电路的另一个好处是晶体管“共集-共基”、“共集-共基-共集”电路虽然高度稳定、但因为输入与输出同相，要引入正反馈却十分容易。像RC移相式这样普遍使用的晶体管振荡电路，在平常、必须使用两级“共射”放大或三级RC移相。这就会使附加相移增大，电路很难工作在稳定状态。用晶体管“共集-共基”或“共集-共基-共集”电路作振荡则不然，且只需一级就能很好地胜任。
图5a和图5b分别是由一级晶体管“共集(共漏)-共基”和一级“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”电路构成的振荡器电路图。
考虑到图5a或图5b振荡电路中的晶体管Q1工作于可与信号源高度隔离、高输入阻抗的“共集”(共漏)电路组态，因此、只要从Q1的基极(漏极)注入一个低频信号，便可将这两个振荡电路方便地作成两个分别工作于高阻输出或低阻输出的调幅信号发射器。
实施例4图6a是一款晶体管“共集(共漏)-共基”单臂输出音频功率放大器电路。
该电路仅使用了一级放大；为获得高电压增益和加大功率输出、电路输出部份的“共基”组态电路采用高压供电和高反压大功率双极型三极管两管并联，其中、Rc是并联输出管的集电极电流均衡电阻。
作为输入部份的“共集”(共漏)组态电路主要起到阻抗变换的作用和提供足够的电流增益，由于它的供电电压很低、且|+Ec|＞＞|-Ec|、所以输入部份消耗的功率不大。
基极电阻Rb上有12dB的电流串联负反馈，当集电极电流Ic＝120mA、集电极有效负载R_L’＝2400Ω、输入信号为0.78V时，在输出变压器次级R_L＝8Ω的负载上可得到18W的最大功率输出。
图6b是一款由晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”放大电路组成的音频功率放大器电路。
电路由一级晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”放大电路组成，具有十分良好的高频特性。
由于晶体管“共集(共漏)-共基-共集(共漏)”放大电路输出的是低阻抗，所以输出可直接使用扬声器作负载而不必通过输出变压器作阻抗变换。
当按图中的参数且输入信号为0.32V或0.45V时，在8Ω或4Ω的负载上可得到13W的不失真输出。
实施例5图7是一款由互补晶体管“共集(共漏)-共基”放大电路组成的具有传统晶体管电路模式的音频功率放大器电路。
电路由一级互补晶体管“共集(共漏)-共基”放大电路组成。
在“共射”组态条件下、随着工作频率的上升，大功率互补对管特性参数的对称性将会逐渐受到破坏。大功率互补对管受现有技术的限制，使用频率fβ不可能作得很高；因此、要想在“共射”组态条件下实现较高频率的高增益互补推挽线性功率放大是十分困难的。
晶体管互补对管工作于“共基”组态在将使用频率参数从fβ提高到fα的同时也将互补对管的fα参数的对称性继续向高频端延伸，从而使大功率互补对管用于较高频率的高增益互补推挽线性功率放大成为了可能。
传统的晶体管互补功率输出级一般采用射极输出、电压增益恒小于1，要求前级输出较高的推动电压，这就使得放大器的级数至少要有二级。本例的互补晶体管“共集(共漏)-共基”音频功率放大器则不然它不但可有与传统晶体管互补射极功率输出级同等的电流增益、而且同时还可具有至少24dB以上的电压增益，相应于该音频功率放大器的输入灵敏度已在1V以下，而我们通常使用的激光唱盘或视盘机、它们输出的音频信号全都在1V以上，故以上二者间的驱动是不成问题的。
实施例6图8是一款末级工作于“共集(共漏)-共基”双端输入、双端输出状态下的晶体管推挽输出音频功率放大器电路。
作为前置级的单端输入、双端输出的传统差分电路主要负则输出一组互为反相的推动信号；为减小失真、该级的增益被限制为12dB。末级“共集(共漏)-共基”推挽输出功率放大除去电阻Rb上12dB的电流串联负反馈外尚有24dB的电压增益。
当静态集电极电流Ic＝100mA、集电极一集电极有效负载R_L′＝2400Ω、输入信号为0.39V、最大集电极电流Ic max为300mA时，在输出变压器次级R_L＝8Ω的负载上可得到68W的最大不失真输出。
不难看出图6、图8电路所具有的优良特性完全可以同近年来又开始回潮的真空管音频功率放大器相媲美、它们不但足具真空管放大电路之风范、却更比相应的真空管电路为简洁。
综上所述晶体管“共集-共基”放大电路，是由晶体管“共集”、“共基”两种基本组态串接而成的放大电路，它将通常的一级放大分由晶体管的“共集”、“共基”两种基本组态串接完成。用“共集”组态以提高电路的输入阻抗、承前启后、降低噪声、扩展带宽，并提供电流增益；用“共基”组态实现低噪声、低失真、高电压增益的宽带线性放大。这种电路集晶体管“共集”、“共基”两种基本组态的优势为一身具有极高的输入阻抗，既有较高的电流增益、又有很大的电压增益、宽频响、低噪声、线性优良、工作稳定、不易自激且又有高转换速率，是从微弱信号检测、线性集成电路乃至高频率、大功率振荡或发射都适于使用的一种新型电路。这种电路的特性参数与真空管电路的十分相似，所以又不失为取代真空管用作Hi-Fi声频放大或高频率、大功率发射的一种好方法；而晶体管“共集-共基-共集”放大电路仅使用了一级放大就轻而易举地达到了以往须用两至三级放大电路尚难于实现的高阻输入、低失真、低噪声、低相移、高增益、高转换速率、宽带线性放大的既定目标，加之又是低阻抗输出、所以它比晶体管“共集-共基”放大电路又更具广泛的用途。
权利要求
1.一种晶体管“共集-共基”放大电路，其特征在于这种电路将晶体管的“共集”、“共基”两种基本组态电路按“共集-共基”电路的方式串接而成作一级放大。
2.一种晶体管“共集-共基-共集”放大电路，其特征在于这种电路在晶体管“共集-共基”放大电路的基础上再串入一个“共集”组态电路，将晶体管的“共集”、“共基”两种基本组态电路按“共集-共基-共集”的方式串接作一级放大。
3.一种具有权利要求1的晶体管“共集-共基”放大电路，其特征在于这种串接放大方式同样适用于场效应管或与场效应管混合使用的串接放大电路。
4.一种具有权利要求2的晶体管“共集-共基-共集”放大电路，其特征在于这种串接放大方式同样适用于场效应管或与场效应管混合使用的串接放大电路。
全文摘要
本发明涉及两种由优选晶体管“共集”、“共基”基本组态电路按“共集－共基”或“共集－共基－共集”优化组合方式串接而成的放大电路。它们用一级放大便实现了以往需二至三级放大尚难于达到的高阻输入、低噪声、低失真、低附加相移、高增益、高转换速率、高稳定度的宽带线性放大。是从微弱信号检测、线性集成电路乃至高频率、大功率振荡或发射都适用的新电路。
文档编号H03F3/16GK1269633SQ9912132
公开日2000年10月11日 申请日期1999年10月8日 优先权日1999年10月8日
发明者李希强 申请人:李希强