(04730)半导体器件之基本放大器工作原理（一）

放大器是构成各种电子线路的基本单元电路。所谓“放大”，就是将输入的微弱信号(微弱变化的电压或电流等)去控制直流电源提供的能量，并使输出按照输入的小信号变化规律而变化的过程。所以放大器的本质是能量转换器。本节重点学习基本放大电路的工作原理和基本分析方法及主要性能指标。

放大电路的基本要求和性能指标

放大电路的基本要求

(1)外接直流电源必须使晶体三极管的发射结正偏、集电结反偏，使其工作在放大区。

(2)选择电路参数使晶体三极管有一个合适的静态工作点Q。

(3)输人电压信号ui作用在三极管的输入回路中，并能转换为输入信号电流ib，以控制集电极电流ic。

(4)输出信号电流io尽可能地转换为输出电压信号u0。

放大电路的主要性能指标

(1)放大倍数

放大倍数可分为电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等，用于衡量放大电路信号放大能力的指标，放大电路框图如图2.2.1所示。

通常情况下，我们说的放大倍数一般指的是电压放大倍数。

(2)输入电阻Ri

指的是放大电路输人端呈现的交流等效电阻。在数值上等于输人信号电压Ui与输入信号电流Ii的比值，即

Ri相当于信号电压源的负载，此值越大，放大电路接收信号电压的能力越强。

(3)输出电阻Ro

定义为放大电路输出端（不考虑外接负载RL)呈现的交流等效电阻。

Ro的求法如图2.2.2所示，首先将信号源us短接，保留内阻Rs,去掉外接负载RL,在输出端外加一交流电压u0，产生电流io，二者的比值就为输出电阻Ro。

Ro值越小，电压放大电路带负载能力越强，即当负载RL变化时，对放大电路的输出电压影响越小。

放大电路还有其他主要性能指标，如通频带、最大输出幅值、最大输出功率、效率、非线性失真系数

等，在此不一一介绍。

共发射极放大电路

固定偏置式共射放大电路

(1)电路的组成

图2.2.3所示为固定偏置共射基本放大电路，直流电源VCC使三极管发射结正偏，集电结反偏，同时为信号放大提供能源；RB为基极偏置电阻，调整其阻值的大小可改变基极偏置电流IB的大小，以得到合适的静态工作点；RC为集电极电阻，除保证三极管有合适的静态偏置外，还可将三极管输出的电流信号转换成输出电压信号，其值为几百欧至几千欧；C1、C2为耦合电容，在电路中起传递交流、隔断直流的作用，使直流电源VCC不影响信号源和外接负载，但可使交流信号顺利地输入、输出，其容量较大，一般采用几微法至几十微法的电解电容；RL为外接负载电阻。

信号由三极管的基极和发射极之间输入，由集电极和发射极之间输出。因为输入、输出回路的公共点为发射极，标有接地符号（⊥），因此称为共射接法放大电路。

（这张图很重要，我建议大家看这篇文章的时候截图放到一边）

(2)工作原理

为便于分析，下面用大写字母和大写下标（如IB、UBE、IC)表示直流分量；用小写字母和小写下标（如i、ube、ic)表示交流分量；用小写字母和大写下标表示总的瞬时量(如iB、uBE、iC）。

当ui=0时，放大电路所处的状态称为直流状态或静止工作状态，简称静态。此时三极管的输入特性和输出特性曲线上有一个确定的静态工作点，我们称之为Q点，它对应有一定的lBQ、UBEQ、lCQ和UCEQ。

uCE中的直流成分UCEQ被耦合电容C2隔断，交流成分uo(即uce）送到输出端，作为放大电路的输出电压。

从式(2.2.6)中可看出uo与ui相位相反，这是单管共射放大电路的特点之一。只要电路参数选择合适，uo的幅值将比ui的幅值大很多，从而达到电压放大的目的。

综上所述，可知三极管上各极电流和各极间的电压都是在直流电量上叠加随输入信号变化的交流电量，放大电路总是处于交、直流共存的状态。

(3)静态分析

放大电路的分析包括静态工作情况和动态工作情况两个方面内容的分析。前者用于确定放大电路的静态工作点，它是保证动态性能好坏的重要依据；后者主要研究放大电路的性能指标。

①用工程估算法确定静态工作点

静态工作点由放大电路的直流通路进行分析。放大电路的直流通路是将所有耦合电容、旁路电容视为开路，只有直流电源作用时的电路，如图2.2.4所示。

在基极（输入）回路，由KVL定律可得

上式中的UBEQ,对于硅管约为0.7V,锗管约为0.2V,工程估算时一般可忽略不计，则可近似写成

当VCC,RB选定后，IBQ为固定值，因此图2.2.3所示又称为固定偏置式共射放大电路。由于三极管工作在放大区，满足关系式

在三极管集电极（输出）回路，由KVL定律可得

由此就可以估算放大电路的静态工作点Q,在输人、输出特性曲线上Q点表示如图2.2.5所示。

②用图解法确定静态工作点

由于三极管放大电路为非线性电路，采用图解法也可确定静态工作点，虽分析过程复杂，但各电量关系更为直观。

我们已知道基极回路有电压方程

它是一条直线方程，在输入特性曲线的坐标中作该直线，如图2.2.6所示。它与三极管输入特性曲线的交点即为Q点。Q点所对应纵坐标的基极电流即为静态基极偏置电流IBQ。

由于ICQ=βIBQ，在三极管输出回路中就有一条确定的输出特性，输出回路的电压方程

也是一条直线方程，采用作图的方法在坐标中确定其位置如图2.2.7所示，由于该直线由直流通路定出，所以称为直流负载线。Q点对应横坐标的值为管压降UCEQ,对应纵坐标的值为ICQ。

(4)动态分析

①交流通路和交流负载线

外接输人信号后，电路处于动态工作方式，可由放大电路的交流通路进行分析。此时认为所有耦合电容、旁路电容视为短路；直流电源对交流信号视为短接，如图2.2.9所示。

放大电路在工作时，输出端通常加有外接负载电阻RL，由图2.2.3可知，此时输出回路的电压方程为

（别急，往下看）

其中

（原来是并联电阻）

因为R'L<RC,所以交流负载线比直流负载线更为陡一些，使三极管输出的动态范围变窄，从上式中还可看出，表示动态时iC与uCE的关系仍为过Q点的一条直线，该直线称为交流负载线。

②图解动态分析

设放大电路的静态工作点Q位置适当，外加输人信号ui=Umsinωt为幅值较小的正弦信号。该信号叠加在静态UBEQ上使电路工作在输入特性曲线的线性段，引起基极电流的变化量ib叠加在静态IBQ上随ui的变化规律而变化，如图2.2.10(a)所示。

因为

所以变化的基极电流又控制集电极电流ic使之也发生相应的变化并叠加在静态ICQ值上，且沿交流负载线移动，得到相同变化规律的uce,uce也叠加在直流管压降UCEQ上。由于输出端耦合电容C2的隔直作用，只有变化量uce可在输出端形成放大电路的输出电压，此值的变化幅度远比输入电压幅度大，说明输入信号被不失真地放大了，但uo与ui的相位相反，如图2.2.10(b)所示。

(5)静态工作点对输出波形的影响

输出信号波形能否与输入信号波形的变化规律相同，取决于静态工作点的位置是否合适以及输人信号幅度的大小，即信号的动态运用范围。如果放大电路的动态运用范围超出三极管特性曲线的线性区域而产生的失真，称为非线性失真，放大电路必须尽量避免这种失真现象的产生。

①截止失真

如果静态工作点Q设置偏低，当输入信号加入时，其负半周的部分波形会进入截止区而不被放大，造成输出波形相应的部分产生截止失真。

解决截止失真的办法是减小基极偏置电阻RB值，使Q点上移。

②饱和失真

如果静态工作点Q偏高，当输入信号加入时，其正半周的部分波形会进入饱和区，也会造成输出波形相应部分产生饱和失真。

解决饱和失真的办法是增大基极偏置电阻RB值，使Q点下移。

③双向失真

如果静态工作点适当，但输入信号电压的幅值较大，正、负半周的部分波形分别进入饱和区、截止区，可引起输出电压波形的严重失真，该失真现象也称为截顶失真。

解决双向失真的办法是减小输人信号的幅度。

(6)微变等效电路分析法

三极管放大电路采用图解分析法尽管直观，但难以进行定量分析，特别是计算交流参数时更为困难，因此常采用微变等效电路分析法。此方法就是在小信号条件下，在给定的工作范围内，将晶体三极管看成一个线性元件，用一个线性等效电路的模型来代替晶体三极管，从而把三极管放大电路等效成一个线性电路来进行分析、计算其动态性能参数。

①晶体三极管的微变等效电路

晶体三极管输人特性虽然为非线性，但在小信号作用情况下，静态工作点附近的工作区域可近似认为是直线，因此三极管B、E之间可用一个交流线性等效电阻rbe来代替。如图2.2.11所示。

rbe称为三极管的输入电阻

rbe通常利用公式

进行估算

式中rbb'为三极管基区体电阻，对于低频小功率管约为（100~300)欧，当rbb'=100Ω,所以：

式中IE、IC和IB分别为发射极、集电极和基极静态电流值。(IE=IC+IB,IC=βIB自己推算一下)

晶体三极管工作在放大区时，输出特性曲线是一组近似与横轴平行且等间隔的直线，说明电压uCE在一定范围变化时，电流iC几乎不变，具有恒流特性。因此晶体三极管C、E之间可用一个受基极电流Ib控制的电流源βIb。来代替，如图2.2.12所示。由此，我们可以得到如图2.2.13所示的晶体三极管简化微变等效电路。

②固定偏置式共射放大电路的微变等效电路

微变等效电路分析方法只能用于分析放大电路的动态情况，而不能用于静态分析。对于图2.2.14（a)所示的固定偏置式共射基本放大电路，利用放大电路的交流通路，以晶体管微变等效电路代替晶体三极管后可得到放大电路的微变等效电路，如图2.2.14(b)所示。

现在应用微变等效电路分析法，计算电压放大倍数Au、输人电阻Ri和输出电阻Ro。

输人电压：

输出电压：

其中

所以电压放大倍数为：

综合以上分析，共射单管放大电路的特点为电压放大倍数较大、输入电压与输出电压反

相位变化、输人电阻较小、输出电阻较大。

分压偏置式共射放大电路

晶体三极管放大电路正常工作必须设置合适的静态工作点，由于半导体器件的热稳定性较差，因此电路在运行过程中，往往外界条件发生变化时，造成设置的静态工作点产生移动，从而引起信号的失真，如何设法稳定静态工作点是放大电路的一个重要问题。

(1)影响静态工作点稳定的因素

实际应用中，造成静态工作点不稳定的因素很多，如温度变化、直流电源的波动、元件老化造成参数变化等，其中影响最为严重的是温度的变化。

①温度的上升会使反向饱和电流ICBO增大

ICBO是少数载流子在集电结反向电压的作用下形成的电流，温度上升10℃，ICBO大约增加1倍，而晶体三极管的穿透电流ICEO=(1+β)ICBO随之加大，输出特性上移，影响静态工作点Q。

②温度的上升使电流放大系数β增大

电流放大系数β随温度的上升而增大。温度每升高1℃，β值约增大0.5%~1%，最大可增加2%，造成电路工作不稳定。

③温度的上升将造成发射结电压减小（对NPN型晶体三极管UBE减小，对PNP型晶体三极管UEB减小)。

在电源电压不变时，温度升高，UBE减小。一般晶体三极管的UBE的温度系数为一(2~2.5)mV/℃，也就是说温度每升高1℃，UE约减小2.5mV,造成三极管的输入特性左移，使Q点向上移动，因此当温度变化时，导致晶体三极管的ICEO、UBE和β等参数都会产生变化，使得IC变化，影响放大电路的工作稳定性，严重时将会使电路无法工作，为此经常采用分压式偏置放大电路。

(2)分压式偏置电路

①电路结构及静态工作点的稳定

图2.2.17所示为工作点稳定的分压式偏置电路，它在固定偏置式共射放大电路上增加了一个下偏置电阻RB2和发射极电阻RE。

利用RB1和RB2的分压，可稳定基极电位VB。直流通路如图2.2.18所示。假设I2>>IB,则有：

实际应用电路中，发射极电阻RE的两端会并联一个发射极旁路电容CE,这样电路既能稳定静态工作点，又为交流信号提供低阻通路，使电压放大倍数基本不受影响。CE一般为几十微法到几百微法。

②静态分析

由图2.2.18放大电路的直流通路进行近似计算，有：

③动态分析

由图2.2.17可画出放大电路的微变等效电路如图2.2.19所示。