避免在交流耦合电阻负载的发射器跟随器中剪断

一位工程师在系统中测试一个原型电路时，遇到了一个看似奇怪的现象，他向我寻求帮助。他在发射器的输出端看到了信号的“神秘”剪限失真。他告诉我，他用比实际负载重得多(小值)的电阻负载检查了这个跟随者，但没有看到任何可见的扭曲。然而，当他把原型板连接到系统上时，信号的底部出现了明显的剪切。

看原理图，我看到下一个器件的电阻输入被一个大电容从跟随器中解耦。我向他解释了这个问题的原因。我还意识到，与电阻负载不同，当剪切的可能性相当明显时，电容耦合电阻负载的问题很容易在设计期间被忽略。

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一个单晶体管发射极跟随器可以在其晶体管的限制内，为负载提供足够多的电流。然而，晶体管不能吸收电流。当从动件交流耦合到电阻负载时，这可能会导致输出信号的削波失真，原因有时并不明显。

首先，看一下简单的NPN发射器跟踪器(图1)以及可能出现的明显剪切变形。正向剪切到V_CC如果一个大的输入信号超过V，输出将会发生_CC大约0.7 V，打开晶体管Q1的基极集电极结(这里，一个普通的2N2222)。这个结的工作原理就像一个在限幅点以上的二极管，将输入信号分流到V_CC．如果这个二极管的电流不受输入电阻R的适当值的限制_我时，晶体管可能损坏。

负削波发生在输入信号的负摆动期间，如果在晶体管的基础上的输入电平变成小于约0.7 V (V_是晶体管)。在这种情况下，晶体管的基极-发射极结成为反向偏置，其发射极电流(I_E)降到零，晶体管关闭。这将导致输出信号在其底部剪切为零，直到输入信号将晶体管返回到正常模式。

靠近限流点，发射器电流I_E，且从动件增加其总谐波失真(THD)水平。在正弦输入信号的情况下，为了防止这种明显的削波:

V_从- - - - - - V_AMPL- - - - - - V_是> 0 (1)

在V_AMPL是峰值振幅和V_从为正弦波输入源的直流偏置电压。

描述的削波是用PSpice电路的瞬态分析，与交流输入源设置为V_AMPL= 2 v, v_从= 2.3 V和频率为1 kHz。在这种情况下，V_{I_MIN}= 0.3 V，瞬态分析显示输出信号的底部有一个削波(图1 b)．

图1c为与V相同电路仿真的结果_从= 4 V，这给了一个1.3 V的边缘高于剪辑水平。现在暂态分析并没有显示输出信号的剪切和其他明显的失真。此外，模拟剖面中的傅里叶分析显示输出文件中的THD为0.143%。

增加从动件的负载产生类似的结果。例如，即使是R_E= 0.5 kΩ在图2a的电路中(这是R的三分之一_E，图中没有明显的变化，THD仅从0.143%略微增加到0.145%。

接下来，连接交流耦合负载电阻R_l追随者。去耦电容C1的值选择足够大(1.0 F)，以避免在瞬态过程结束时输出信号可能出现失真。乍一看，你会希望得到与图1中电路相同的模拟结果，但在R上没有直流元件_l．不过，暂态分析(图2 b)显示输出信号和晶体管发射极的显著剪切。

对于这个不明显的结果，有一个简单的解释。在稳定状态下，C1被充电到Q1发射器的直流电平。在V的正半循环中_在， Q1的发射器电流分裂到R_E和R_l(我_再保险和我_RL分别）．发射极电流I的最大电平_{E_MAX}是:

我_{E_MAX}= [(V_AMPL+ V_从- - - - - - V_是) / R_E) + (V_AMPL/ R_l）

然而，在V的负半周期_在,而我_再保险仍然从晶体管Q1中定向出去，从而降低了它的值，I_RL回到Q1，然后从I中减去_再保险．

我_{E_MIN}= [(V_从- - - - - - V_AMPL- - - - - - V_是) / R_E] - (V_AMPL/ R_l）

如果这个减法的结果是负的，I_{E_MIN}当降至零时，输出信号会受到剪断。

我之所以_RL返回到Q1也不明显。在稳定状态下，C1充满电。它左边的直流电压是V_E，高于最小交流信号时的绝对电压(V_{AC_AMPL}= 2 V)，在这种情况下相当于4 - 0.7 = 3.3 V。电容器的直流电平在右侧为零。

因此，在交流信号的负循环过程中，通过R的电压_E跟随输入信号的负波，但由于偏置总是正的。R_E组合电流中的分量等于Q1/R的发射极电压_E> 0。输出电压V_O在R的顶端_l也跟随输入信号的负波，但它的直流偏置为零。负波也是负的。在这个区域，它从0变到- V_AMPL，导致电流通过R_l向相反的方向走。我_RL总是小于0。

为了防止剪切问题，我_{E_MIN}应该总是大于零:

我_{E_MIN}= [(V_从- - - - - - V_AMPL- 0.7) / R_E] - (V_AMPL/ R_l) > 0

或

[(V_从- - - - - - V_AMPL- 0.7) / R_E) > V_AMPL/ R_l（2）

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因此，为了避免在交流耦合电阻负载的单晶体管发射器跟随器中发生剪断，方程2中的三个变量应符合以下约束条件:

V_{AMPL_MAX}= (V_从- 0.7) × [r_l/ (R_l+ R_E)]

或

V_{OFF_MIN}= V_AMPL((R_E/ R_l) + 1] + 0.7

或

R_{L_MIN}= [V_AMPL/ (V_从- - - - - - V_AMPL- 0.7)] × r_E

同时，从方程1:

V_从- - - - - - V_AMPL- 0.7 > 0。

参考文献：

1.Alan b . Grebene双极和MOS模拟集成电路设计， Wiley - Interscience Publications, John Wiley & Sons。

2.道格拉斯的自我,小信号音频设计，中央新闻台，2010年。

3.P.霍维茨，温菲尔德希尔;电子艺术，第二版，剑桥大学出版社，1989年。