测试种基本放大电路的性能

【任务目标】

（1）了解放大电路的基本知识和3种基本组态；

（2）掌握固定偏置式共发射极放大电路的分析方法；

（3）重点掌握分压偏置式共发射极放大电路的分析方法；

（4）了解共集电极放大电路的分析方法及应用。

一、放大电路的基本知识

（一）放大器的概述

1.放大器

能够把微弱的电信号进行放大的装置称为放大器。放大器能把小信号放大的原因是电源的直流能量通过电路转换成了交流信号的能量。可见，放大器可以看成是一种受控能量转换器，具有如下两个基本作用：

（1）放大作用。一般放大器的输出信号 （电流、电压或功率）大于输入信号；

（2）传输作用。一般要求输出波形与输入波形相同或相近，即尽量不失真地传输。

2.放大器的基本结构

放大器的基本结构框图如图2－1所示。

3.放大器的分类

（1）按用途划分可分为：电压放大器、电流放大器、功率放大器。

图2－1 放大器结构框图

（2）按信号幅度划分可分为：小信号放大器和大信号放大器。

（3）按信号频率划分可分为：直流放大器、低频放大器、中频放大器、高频放大器和视频放大器。

（4）按放大器的工作状态划分可分为：甲类放大器、乙类放大器、甲乙类放大器、丙类放大器和丁类放大器等。

（5）按三极管的连接方式划分可分为：共发射极放大器、共集电极放大器、共基极放大器。

4.放大器的基本参数

1）放大倍数

（1）电压放大倍数为

（2）电流放大器为

（3）功率放大倍数为

三者之间的关系是

Ap＝Au·Ai

（4）增益与分贝。在应用中，为了表示和计算的方便，放大器的放大能力常用放大倍数的对数值来表示，称为增益，用G表示，即

电压增益

电流增益

功率增益

放大倍数与分贝的换算如表2－1所示。

表2－1 放大倍数与分贝的换算表

2）输入电阻ri

输入电阻定义为输入电压有效值Ui和输入电流有效值Ii之比，是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，若ri较大，则放大电路从信号源吸取的电流较小；反之较大。ri的定义如图2－2所示。

图2－2 放大器的输入电阻

3）输出电阻ro

输出电阻是当放大器不接负载时，从放大器的输出端向放大器里看进去的等效电阻，定义为输出电压有效值Uo和输出电流有效值Io之比。输出电阻表明放大电路带负载的能力，若ro较大，则表明放大电路带负载的能力较差，反之较强。

【注意】放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。

4）通频带

式中，频率f L称为下限频率，f H称为上限频率，如图2－3所示 （对此图的具体介绍详见后续内容）。

图2－3 通频带的定义

5.放大器分析方法

在分析放大器时，经常采用先画等效电路再计算的方法，应注意以下两点。

1）画直流通路和交流通路的方法

（1）在画直流通路时，将电路中的电容视为开路 （去除），电路电感或线圈视为短路；

（2）在画交流通路时，将电容视为短路，将电源视为短路。

2）符号的标准写法

（1）直流分量：主体大写，下标大写，如IB表示基极直流电流；

（2）交流分量：主体小写，下标小写，如ib表示基极交流电流；

（3）交直流总和：主体小写，下标大写，如i B表示直流电流IB与交流电流ib的总和；

（4）正弦交流有效值：主体大写，下标小写。如Ib、Ibm分别表示交流电的有效值和最大值。

（二）放大器的工作原理

晶体三极管具有电流放大的作用，当接入电路时必须加偏置电压才具有电流放大作用。

【小问答】晶体三极管为什么要加偏置电压？

当晶体三极管无偏置电压时，如果把交流信号加到三极管的输入端，则待放大的交流信号的幅度往往很小 （如图2－4中虚线所示），如果幅度不能超过发射极的门限电压 （死区电压），则基极无电流产生——截止，起不到放大作用。如果逐渐加大交流信号的幅度 （如图中实线所示），也只有输入信号正半周的顶部超过了死区电压，这时发射极虽然导通了，但基极电流的波形不能复现输入信号的波形，会造成严重的失真。集电结如果不加反向偏置电压，集电结就没有收集载流子的能力，则无法产生集电极电流。

综上所述，要使晶体三极管具有放大作用，则必须给三极管加上正确的偏置电压——发射结正偏，集电结反偏。

一个放大器的静态工作点是否合适，是放大器能否正常工作的重要条件。设置静态工作点的目的，是使输入信号工作在三极管输入特性的线性部分，避开非线性部分，避免给交流信号造成失真。

图2－4 偏置对基极电流的影响

（a）输入信号波形；（b）无偏置电路；（c）无偏置电路基极电流的失真；（d）有偏置电路的基极电流

1.共射极放大器的电路组成、各元件的作用

（1）如图2－5所示为固定偏置式共射放大器的原理电路。

（2）电路中各元件的名称和作用。

①VCC——电源。为放大器提供直流偏置电压。

②VT——半导体三极管。是放大器的核心，起电流放大作用。通过基极电流对集电极电流的控制作用，把电源的直流能量变为交流能量输出。

③Rb——偏置电阻。把电源VCC电压引到基极使基极加上适当的正偏电压（或电流），Rb的大小决定了基极电流IB，调节Rb可以改变IB的大小。

图2－5 共射极放大器原理电路

【注意】在调整静态工作点时，通常用一个固定电路和电位器串联后代替电路图中的Rb，以防止因Rb调得太小而将三极管烧坏。

④Rc——集电极电阻。有两个作用，一是给集电极提供合适的工作电压使集电结反偏，并具有收集载流子的能力；二是把集电极电流的变化转换为电压的变化，通过耦合电容C2输出。

⑤C1、C2——隔直耦合电容。通过交流电，隔断直流电，即“隔直通交”作用。

⑥RL——放大器的负载。

2.放大器的工作原理

1）演示放大器电流控制和放大作用

（1）如图2－6所示，当开关闭合时，集电极的灯泡L点亮，当开关断开时，灯泡L熄灭。表明基极（电流）可以控制集电极（电流）；调节RP2至适当位置，可以看到发光二极管VD发光（一般为几至十几毫安），集电极的灯泡L也变亮（IC此时一般为几百毫安）。表明较小的基极电流可以引起较大的集电极电流，即三极管具有直流放大作用。

图2－6 演示电流放大作用的放大器

（2）当较快速地往复调节RP2时，可以看到发光二极管VD在闪动，集电极的灯泡L也在闪光。表明较小的基极电流变化可以引起较大的集电极电流变化，即三极管具有交流放大作用。

2）简单偏置共发射极放大器直流分析

直流分析的目的是为了调整放大器的静态工作点，是设计放大电路的基础。

当外加输入信号为零时，在直流电源的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和直流电压，这些直流电流和直流电压在三极管的输入、输出特性曲线上对应的点，称为静态工作点，如图2－7所示。即静态工作点是指IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。

图2－7 三极管的静态工作点与对应的输入、输出特性曲线

但由于三极管的UBEQ的变化范围很小，可以近似取值，即

硅管——UBEQ为0.6～0.7V

锗管——UBEQ为0.1～0.3V

因此，计算静态工作点通常是指计算IBQ、ICQ、UCEQ的值。

要估算静态工作点，通常都要先画出直流等效电路，然后进行推导和计算。

①直流通路。

直流通路是计算静态工作点的依据。将电路中的电容视为开路 （去除），电路电感或线圈视为短路，如图2－8所示。

图2－8 简单偏置共发射极放大器及其直流通路

（a）电路的简化画法；（b）直流通路

②静态工作点。

主要是计算IBQ、ICQ、UCEQ的值。简单共射极放大器的静态工作点的确定可分如下3步进行，即

估算IBQ

计算ICQ

ICQ＝βIBQ

计算UCEQ

UCEQ＝VCC－ICQRc

【例1】 如图2－9所示的简单偏置放大电路中，已知Rc＝3kΩ，Rb＝280kΩ，RL＝3kΩ，β＝50。求静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ（图中晶体管为硅管）。

解：将电路中的电容视为开路 （移去），得到直流通路如图2－10所示。

图2－9 简单偏置放大器电路

图2－10 简单偏置放大器的直流通路

（2）静态工作点主要是指IBQ、ICQ、UCEQ。

估算IBQ

计算ICQ

ICQ＝βIBQ＝50×0.04＝2（mA）

计算UCEQ

UCEQ＝VCC－ICQRc＝12－2×3＝6（V）

3）简单共发射极放大器交流分析

交流分析的目的是为了计算放大器的放大倍数。交流通路画法：将电容器看成短路，将电源对地看成短路。上题中的交流等效通路如图2－11所示。

图2－11 简单偏置放大器的交流通路

（1）输入电压ui

ui＝ib（Rb//rbe）

（2）输出电压uo

（3）计算Au

式中，负号表示输出信号与输入信号相位相反。

代入数据可以算得，有负载时的电压放大倍数为

式中，负号表示输出信号与输入信号相位相反。

空载时的电压放大倍数为

【结论】有载时的放大倍数比空载时有所下降。

4）简单偏置共发射极放大器波形分析

【重要提示】放大器传输和放大交流电压信号，是通过下列过程来达到的。

当输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结时，波形分析如图2－12所示。

【结论】共发射极放大器有电流和电压放大能力，并且输出电压的相位与输入电压的相位相反，即共发射极放大器具有倒相作用。

图2－12 简单偏置放大器的波形分析

（a）输入电压波形；（b）基极电流波形；（c）集电极电流波形；（d）集电极电压波形；（e）输出电压波形

二、几种常见小信号放大器电路的分析

有时，一些电子设备在常温下能够正常工作，但当温度升高时，性能就可能不稳定，甚至不能正常工作。产生这种现象的原因是电子器件的参数受温度影响而发生变化。晶体管具有热敏性。温度变化对三极管参数的影响主要表现在以下3个方面。

②β值的变化。温度每升高1℃，β值增大0.5％～1％，但不同三极管β温度系数分散性较大。

③ICBQ的变化。因为反向电流是由少子形成的，因此受温度变化影响比较严重，温度每升高10℃，ICBQ将大约增加一倍。

综上所述，当温度升高时，会导致集电极电流IC的增大。例如20℃时的输出特性如图2－13实线所示，而当温度上升到50℃时的特性如图中虚线所示，静态工作点将由Q点上移到Q′点，即当温度升高时静态工作点接近饱和区，若放大较大的信号则会出现严重的饱和失真。

图2－13 放大器静态工作点的温度漂移

为了抑制放大电路的静态工作点的波动，保持技术性能的稳定，需要从电路结构上采取适当的措施。例如，下面所介绍的分压式电流负反馈放大器，就是结构比较简单、成本低廉，并能有效地保持静态工作点稳定的电路。

（一）分压式电流负反馈放大器

分压式电流负反馈放大电路是一种实用的放大器，静态工作点稳定是其突出优点。

1.电路结构

分压式电流负反馈放大电路如图2－14所示。

图2－14 分压式电流负反馈放大电路

2.工作点稳定的原理

1）分压原理

当IRb1≈IRb2IB时，基极电压为

2）Re的作用

当环境的温度升高时，由于半导体的热敏性，集电极的电流必然有增大的趋势；发射极电流也增大；发射极电压也随着升高；由于基极电压已被分压电路固定，所以发射极电压升高将会导致Re的电流负反馈作用（见后述），使集电极电流基本保持不变。用渐变式表示，即

T↑→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓（稳定）

3）C1、C2的作用

隔直通交的作用，使交流信号顺利通过，并保证放大器有足够的放大倍数。

3.静态分析 （工作点的计算）

画出电路的直流通路。画直流通路的方法为，将电容器看成开路，上题中的直流等效通路如图2－15所示。

1）基极电压

2）发射极电压

UEQ＝UBQ－UBEQ＝UBQ－0.7

3）发射极电流

根据欧姆定律

4）基极电流

根据电流放大倍数关系式

5）计算UCEQ

根据回路电压方程

UCEQ＝VCC－ICQRc－IEQRe≈VCC－ICQ（Rc＋Re）

4.动态分析

画交流通路，将电容器看成短路，将电源对地面看成短路。上题中的交流等效通路如图2－16所示。

图2－15 分压式电流负反馈偏置放大器的直流通路

图2－16 分压式电流负反馈偏置放大器的交流通路

1）输入电压ui

ui＝ib（Rb1//Rb2//rbe）≈ib×rbe（Rb1，Rb2rbe）

2）输出电压uo

3）计算Au

【小结】分压电流负反馈放大器的电压放大倍数和简单偏置共射极放大器一样 （由于Ce的旁路作用，Ce对交流信号可视为短路）。

（二）电压反馈式偏置放大器

电压反馈式偏置放大器是一种性能良好的小信号放大器。结构简单、工作稳定是其突出优点。

1.电路组成

电压反馈式偏置放大器如图2－17所示。

2.工作点稳定原理

当温度升高时，由于半导体的热敏性，ICQ将增大。集电极电流增大，Rc两端电压增大；因为UCEQ＝VCC－URc，所以将使UCEQ减小；由于基极电流取自集电极电压，所以UCEQ减小将使基极电流减小；而基极电流的减小又将导致集电极电流的减小。这个稳定过程的实质是，当环境的温度升高时，由于Rb从集电极引入的电压负反馈使得集电极电流基本保持不变。

图2－17 电压反馈式偏置放大器

这个稳定过程可用渐变式表示如下：

T↑→ICQ↑→URc↑→UCEQ↓→IBQ↓→ICQ↓（稳定）

（三）射极输出器

根据输入信号与输出信号公共端的不同，放大器有3种基本的接法 （或称为3种组态），即共射极放大器、共集电极放大器和共基极放大器。前面已较详细地介绍了共射极放大器。共集电极放大器也称为射极输出器，又叫射极跟随器，具有输出电阻小，负载能力强的特点，广泛用于缓冲级电路，电路如图2－18所示。

1.静态分析

画出直流通路如图2－19所示。

图2－18 射极输出器电路

图2－19 射极输出器直流通路

2.动态分析

画出交流通路如图2－20所示。

由交流通路可以得出

输入电压ui

ui＝ibrbe＋ieR′e＝ibrbe＋（1＋β）ibR′e

其中

输出电压uo

uo＝ieR′e＝（1＋β）ibR′e

电压放大倍数

【结论】共集电极放大器无电压放大作用，有电流放大作用，输出电阻小且负载能力强。

图2－20 射极输出器交流通路

（四）共基极放大器

共基极放大器由于其频率特性好，因此多用在调频和宽频带放大器中。电路如图2－21所示。

图2－21 共基极输出器交直流通路

1.电路特性

用以前的交流分析方法可以得到电压放大倍数为

输入电阻为

输出电阻为

ro＝Rc

【结论】共基极放大器有电压放大能力 （放大倍数大小和共射极放大器相同，但无倒相作用）、无电流放大能力。输入电阻很小 （一般只有几欧姆～几十欧姆），输出电阻较大。

（五）3种基本组态的放大器比较

3种基本放大器 （共射极、共集电极、共基极）各自的特点，如表2－2所示。

（1）共发射极放大器的电压、电流和功率放大倍数都较大，输入电阻及输出电阻适中，所以在多级放大器中可以作为输入、输出和中间级，应用最普遍。

（2）共集电极放大器无电压放大能力（Au≈1），但有电流放大能力，其输入电阻大、输出电阻小、带负载能力强。因此除用作输入级、缓冲级外，也常作为功率输出级。

（3）共基极放大器的主要特点是输入电阻小、频率特性好，所以多用在调频或宽频带放大电路中。

表2－2 3种组态放大器特点比较一览表

（六）多级放大器

1.多级放大电路的耦合方式

耦合－多级放大电路的连接产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。

常用耦合方式有直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，另外还有光电耦合。多级放大器应用最多的是阻容耦合。根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。

1）直接耦合

耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件，这种连接方式称为直接耦合。直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。

2）阻容耦合

阻容耦合也称为电抗性元件耦合，级间采用电容或变压器耦合。电抗性元件耦合只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。

3）变压器耦合

采用变压器耦合也可以隔除直流，并传递一定频率的交流信号，因此各放大级的静态工作点Q互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。变压器耦合阻抗匹配的原理如图2－22（a）所示。

在理想条件下，变压器原、副端的电流匝数相等，可以通过调整匝数比n来使原、副端阻抗匹配。

当变压器的原端作为谐振回路使用时，为了使较小的三极管输出电阻不影响谐振回路的Q值，在原端采用抽头的方式以实现匹配。此时将U1接在a′b之间就可以减轻三极管对Q值的影响，如图2－22（b）所示。

图2－22 变压器的阻抗匹配

4）光电耦合

耦合电路的简化形式如图2－23（d）所示。

图2－23 多级耦合电路形式

（a）阻容耦合；（b）直接耦合；（c）变压器耦合；（d）光电耦合

直接耦合或电阻耦合会使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决。

2.多级放大器的性能

1）静态工作点

在阻容耦合放大器和变压器耦合放大器中，由于各级工作点彼此独立，故而各级的设置与调测和单级放大器相同。

2）交流参数

①电压放大倍数：

Au＝Au1·Au2·Au3…·Aun

②输入电阻ri。

多级放大器的输入电阻一般就是第一级放大器的输入电阻ri1，即

ri＝ri1

③输出电阻ro。

多级放大器的输出电阻一般就是最后一级放大器的输出电阻ron，即最后一级集电极电阻。即

ro＝ron＝Rcn

3.多级放大器的上限频率、下限频率和频带宽度

在分析放大器的工作时，往往以正弦波进行讨论，这是为了分析和计算上的方便。实际上放大器处理的信号频率往往不是单一的，而是有许多丰富的频率成分，放大器对各频率信号的响应是不一样的。

可以用各种不同频率的信号输入同一放大器，然后对该放大器的放大倍数进行测量，就可得到如图2－3所示的曲线。表示放大倍数与频率关系的曲线，称为幅频特性曲线。

f BW＝f H－f L

在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取起主要作用的一级时间常数作为估算依据，即若某级的下限频率远高于其他各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。

同理若某级的上限频率远低于其他各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。