2.2 晶体管放大电路

2.2.1 基本放大电路概述

放大电路的放大实质是能量转换的过程。晶体管只是一种能量控制器件，而不是能源。晶体管有3个电极，晶体管对小信号实现放大作用时在电路中可有3种不同的连接方式（或称3种组态），即共（发）射极接法、共集电极接法和共基极接法，放大电路中晶体管的3种连接方法如图2-11所示，分别称为共（发）射电路、共集电极电路及共基极电路。

2.2.2 固定偏置式放大电路

1. 共射放大电路的组成、各元器件作用及电压、电流符号规定

（1）电路组成

共射放大电路的组成如图2-12所示，由晶体管VT、偏置电阻RB和集电极负载电阻RC组成。

晶体管VT：是能量转换器件，是放大电路中的核心器件，具有电流放大作用。

集电极直流电源UCC：是放大电路的能源，且通过RC、RB使发射结正偏、集电结反偏。一般为几伏到几十伏。（在画图时，常采用电位标法）

基极偏置电阻RB：又称为偏置电阻，其作用是向晶体管的基极提供合适的偏置电流，并使发射结正偏。

集电极负载电阻RC：又称为集电极电阻，它的作用是将集电极电流的变化转换成电压的变化，以实现电压放大功能。

耦合电容C1、C2：具有隔直流、通交流的作用。一方面切断信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的直流通路的相互影响；另一方面起到耦合信号的作用。

（2）电流、电压的符号规定

直流分量：用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。

交流分量：用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。

总变化量：是直流分量和交流分量之和，即交流叠加在直流上，用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值，其数值为iB=IB+ib。

交流有效值：用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。

2. 静态工作点分析

所谓静态是指放大电路在未加入交流输入信号（或为零）时的工作状态。此时，直流电流所流过的路径，称为直流通路。画直流通路时，电容视为开路，电感视为短路，其他不变，图2-12共射放大电路的直流通路如图2-13a所示。

由于ui=0，电路在直流电源UCC作用下处于直流工作状态。晶体管的电流以及管子各极之间的电压均为直流电流和电压，它们在特性曲线坐标图上为一个特定的点，常称为静态工作点Q，如图2-13b所示。

静态工作点的估算如下：

基极电流

其中UBEQ为发射结的正向电压，一般硅管取0.7V，锗管取0.3V。

根据晶体管电流放大特性有

IC=βIB （2-7）

集电极—发射极电压

UCE=UCC-ICRC （2-8）

3. 动态分析和交流通路

所谓动态是指放大电路在接入交流信号以后，电路中各处电流、电压的变化情况。在输入信号的作用下，交流电流所流过的路径，称为交流通路。画交流通路时，把电容和直流电源视为短路，其他不变，图2-12所对应的交流通路如图2-14所示。

由图2-14可得电路的输出电压为

uo=uce=-icRL′ （2-9）

式中的负号，表示uo与ui的相位相反，共射放大电路中的压电流波形见图2-15，输出与输入信号在相位是倒相关系，这也是共射极单管放大电路的一个重要特点，称之为“倒相”作用。

4. 放大电路的非线性失真

图2-16为饱和失真和截止失真。由于工作点进入了晶体管的非线性区（饱和区或截止区）引起的放大电路输出电压的波形与输入电压的波形不一致的失真称为非线性失真。

当静态工作点太高，靠近饱和区（见图2-16中Q′点），在输入电压的正半周，使晶体管进入饱和区，集电极电流iC波形的正半周顶部被削平，对于NPN型管，其输出电压uo将产生底部削平的饱和失真波形。可通过降低Q点解决。

当静态工作点太低，靠近截止区（见图2-16中Q′′点），在输入电压的负半周，可能使晶体管进入截止区，集电极电流iC波形的负半周底部被削平，对于NPN型管，其输出电压uo将产生顶部削平的截止失真波形。可通过提升Q点解决。

5. 放大电路的性能指标的估算

（1）晶体管的简化微变等效电路

如果在一个微小的工作范围内，晶体管各电极电压、电流变化量之间的关系近似是线性的，将晶体管等效为线性元件，放大电路等效为线性电路，即微变等效电路。

1）晶体管基—射极间的等效。从晶体管输入端BE看，其伏安特性就是管子的输入特性，如图2-17所示。当输入信号ui在很小范围内变化时，输入回路的电压uBE、电流iB在uCE为常数时，可认为其随ui的变化作线性变化，即晶体管输入回路基极与发射极之间可用等效电阻rbe代替。其等效电路如图2-17b左边所示。

rbe的数值可以用下面的公式计算

式中，rb′b是基区体电阻，对于低频小功率管，rb′b约为100～500Ω，无特别说明时，可取rb′b=300Ω；IEQ为静态发射极电流；rbe单位取Ω。

2）晶体管集—射极间的等效。从晶体管的输出端CE看，其伏安特性就是管子的输出特性。当晶体管工作于放大区时，ic的大小只受ib的控制，而与uCE无关，即实现了晶体管的受控恒流特性，ic=βib。因此，晶体管的输出端可以用一个等效恒流源βib来代替。即是一个受基极电流ib控制的受控电流源，如图2-17b右边所示。

因此，可得到晶体管的微变等效电路，如图2-17所示。

（2）放大电路的微变等效电路

画放大电路的微变等效电路时，先画出放大电路的交流通路，再用晶体管微变等效电路代替交流通路中的晶体管即可。

把图2-14所示交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代换，则得到共射放大电路的微变等效电路，如图2-18所示。

（3）放大电路性能指标的估算

1）电压放大倍数Au。

电压放大倍数指是输出电压与输入电压之比，即

由图2-18所示可得：ui=ibrbe，uo=-icRL′=-βibRL′（其中RL′=RC//RL），则

其中“-”表示输入信号与输出信号相位相反。

如不接负载RL，则RL′=RC

2）输入电阻Ri。

放大电路的输入电阻Ri指从放大电路输入端向电路内部看进去的等效电阻，它的定义式为

Ri越大，放大电路从信号源取用的电流ii越少，信号源对放大电路的影响就越小，放大电路输入端所获得的信号电压就越高。

由图2-18所示可得

Ri=RB//rbe （2-15）

3）输出电阻Ro。

从放大电路输出端看进去的等效电阻，称为输出电阻Ro。放大电路对于负载RL相当于一个信号源，信号源内阻就是放大电路的输出电阻，它可定义为

输出电阻Ro的大小反映放大电路带负载能力的强弱。输出电阻Ro越小，接入负载RL后，输出电压uo变化越小，电路的带负载能力越强。

由图2-18所示可得

Ro=RC （2-17）

2.2.3 分压式偏置放大电路

1. 电路组成

电路如图2-19a所示，基极直流偏置电位UB是由电阻RB1和RB2对UCC分压而得，故称这种电路为分压偏置电路。同时，发射极串接一偏置电阻RE，用来稳定电路的静态工作点。

2. 静态分析

直流通路如图2-19b所示。

要稳定UB的值，选取RB1、RB2数值时，应保证I1≈I2≫IB，则静态工作点计算如下：

由于IC≈IE，，所以

UCEQ=UCC-ICQRC-IEQRE≈UCC-ICQ（RC+RE）（2-21）

3. 静态工作点的稳定原理

设由于温度升高，造成IC和IE增大，IE的增大导致UE升高。由于UB固定不变，因此UBE将随之降低，使IB减小，从而抑制了IC和IE因温度升高而增大的趋势，达到稳定静定工作点Q的目的。

4. 动态交流指标计算

分压式偏置电路的微变等效电路如图2-20所示。

（1）电压放大倍数Au

由图2-20可得

则有

（2）输入电阻Ri

由微变等效电路可以看出

（3）输出电阻Ro

由微变等效电路可以看出

Ro=RC （2-24）

如果CE断开，电压放大倍数、输入电阻和输出电阻分别为

5. 放大电路的频率特性

放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性；输出电压与输入电压的相位差与频率的关系称为相频特性。频率特性是幅频特性和相频特性的总称。

图2-21a所示是单级阻容耦合共射放大电路，图2-21b、c是其频率特性。从图中可知，在某一段频率范围内，电压放大倍数与频率无关，输出信号与输入信号相位差为-180o，这个频率范围称为中频区。在中频区之外，随着频率的降低或者升高，电压放大倍数都要减小，相位差也要发生变化。当电压放大倍数Au下降到中频放大倍数Aum的1/2（即0.707）倍时所对应的低频频率点和高频频率点分别称为中频区的下限截止频率fL和上限截止频率fH。把fL与fH之间的频率范围称为通频带，用BW表示，即

BW=fH-fL

通频带是放大电路频率响应的一个重要指标。通频带越宽，表示放大电路工作的频率范围越宽。

在低频区，Au下降的原因是由于耦合电容C1、C2，以及射极旁路电容CE的等效容抗随频率下降而增加，从而使信号在这些电容上的压降也随之增加，因而减小输出电压Uo，导致低频段的Au的下降。在高频区，由于晶体管的极间电容和电路中的分布电容因频率升高而等效容抗减小，对信号的分流作用增大，降低了集电极电流和输出电压，导致高频段Au的下降。

2.2.4 共集电极放大电路

1. 共集电极电路静态工作点的计算

共集电极放大电路如图2-22所示，共集电极放大电路的直流通路如图2-23所示。

由直流通路可列方程

则有

2. 共集电极电路的动态性能分析

共集电极放大电路的交流通路如图2-24所示，共集电极放大电路的微变等效电路如图2-25所示。

（1）电压放大倍数Au

由微变等效电路得

式中RL′=RE//RL。一般（1+β）RL′≫rbe，故Au值近似为1，所以输出电压接近输入电压，两者的相位相同，故射极输出器又称为射极跟随器。

（2）输入电阻Ri

由图2-25可得

则

Ri=RB//[rbe+（1+β）RL′] （2-32）

可见，射极输出器的输入电阻是由偏置电阻RB与基极回路电阻[rbe+（1+β）RL′]并联而得，其中（1+β）RL′可认为是射极的等效负载电阻RL′折算到基极回路的电阻。射极输出器输入电阻通常为几十千欧到几百千欧。

（3）输出电阻Ro

输出电阻

一般情况下，由于RS很小，即RS≪RB、RS≪rbe，所以

上式表明，射极输出器的输出电阻是很小的，通常为几十欧姆。

3. 射极输出器的特点及应用

（1）射极输出器的特点

①静态工作点比较稳定。

射极输出器中的电阻RE，还具有稳定静态工作点的作用。

②电压放大倍数Au≈1。

射极输出器虽然没有将电压放大，但是具有电流放大（放大倍数≈1+β）和功率放大作用。

③输入电阻高。

④输出电阻低。

（2）射极输出器的应用

在多级放大电路中，射极输出器可以作为输入级、输出级或中间级。

①作输入级。

由于射极输出器的输入电阻高，使信号源内阻上的压降相对来说比较小。可以得到较高的输入电压；同时，减小信号源提供的信号电流，减轻信号源的负担。

②作输出级。

由于射极输出器的输出电阻低，当负载电流变动较大时，其输出电压下降很小，从而提高整个放大电路的带负载的能力。

③作中间隔离级。

在多级放大电路中，将射极输出器接在两级共射放大电路中间。利用其输入电阻高的特点，提高前一级的负载电阻，进而提高前一级的电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，以减小作为后一级信号源的内阻，使后级电压放大倍数也得到提高，隔离了级间的相互影响。

2.2.5 多级放大电路

由一个晶体管组成的单级放大电路，电压放大倍数一般只能达到几十倍到上百倍。然而在实际工作中，放大电路所得到的信号往往都非常微弱，要将其放大到能推动负载工作的程度，仅通过单级放大电路放大，达不到实际要求。因此，实用上需要将两级或两级以上的放大电路连接起来组成多级放大电路。

1. 多级放大电路的组成

多级放大电路的组成可用图2-26所示的框图来表示。通常把与信号源相连接的第一级放大电路称为输入级，与负载相连接的末级放大电路称为输出级，输出级与输入级之间的放大电路称为中间级。其中，输入级与中间级都属于小信号工作状态，主要进行电压放大；输出级是大信号放大，以提供给负载足够大的信号，常采用功率放大电路。

2. 多级放大电路的级间耦合方式

在多级放大电路中，把级与级之间的连接方式称为耦合方式。一般常用的耦合方式：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合等。

（1）阻容耦合方式

前后级放大电路采用电容连接。由于电容的隔直作用，各级的静态工作点互相独立、互不影响。但不能放大直流信号或缓慢变化的信号。此外，由于集成电路制造工艺原因，不能在内部制成较大容量的电容，所以阻容耦合不适用于集成电路。

（2）直接耦合方式

直接耦合省去级间的耦合元件，不仅能放大交流信号，而且能放大直流信号或缓慢变化的信号，多用于集成电路中。但由于级间为直接耦合，所以前后级静态工作点相互影响，且存在零点漂移问题。

（3）变压器耦合方式

同阻容耦合一样，两级之间没有直流通路，因此静态工作点互相独立。变压器耦合的最大优点是可以实现阻抗变换，实现阻抗匹配。但由于变压器体积大而重，不便于集成。同时频率特性差，也不能传输直流和比较缓慢变化的信号。

3. 放大电路的性能指标估算

以两级阻容耦合多级放大电路为例进行说明，两级阻容耦合放大电路如图2-27所示。

（1）电压放大倍数

根据电压放大倍数的定义式

可推广到n级放大电路的电压放大倍数为

Au=Au1Au2…Aun （2-36）

注意：在计算各级电路的电压放大倍数时，必须考虑后级电路的输入电阻对前级电路电压放大倍数的影响。

在工程上为简化计算过程，根据实际需要也常用分贝（dB）表示电压增益（放大倍数），它的定义为

电压增益Au（dB）=20lgAu

如某多级放大电路，（倍），则Au（dB）=20lg103=60dB。

（2）输入电阻

多级放大电路的输入电阻，就是输入级的输入电阻，即Ri=Ri1。

计算输入电阻时要注意：当输入级为共集电极电路时，要考虑第二级的输入电阻作为前级负载时对输入电阻的影响。

（3）输出电阻

多级放大电路的输出电阻，就是输出级的输出电阻，即Ro=Ron。

计算输出电阻时要注意：当输出级为共集电极电路时，要考虑其前级对输出电阻的影响。