第2章 放大電路

2.1 基本放大電路

三極管是一種具有放大功能的電子元器件，但單獨的三極管是無法放大信號的，只有給三極管提供電壓，讓它導通才具有放大能力。為三極管提供導通所需的電壓，使三極管具有放大能力的簡單放大電路通常稱為基本放大電路，又稱偏置放大電路。常見的基本放大電路有固定偏置放大電路和分壓式偏置放大電路。

2.1.1 固定偏置放大電路

固定偏置放大電路是一種最簡單的放大電路。固定偏置放大電路如圖2-1所示。

圖2-1（a）所示為NPN型三極管構(gòu)成的固定偏置放大電路，圖2-1（b）所示是由PNP型三極管構(gòu)成的固定偏置放大電路。它們都由三極管VT和電阻Rb、Rc組成，Rb稱為偏置電阻，Rc稱為負載電阻。接通電源后，有電流流過三極管VT，VT就會導通而具有放大能力。下面來分析圖2-1（a）所示的NPN型三極管構(gòu)成的固定偏置放大電路。

1. 電流關(guān)系

接通電源后，從電源VCC正極流出電流，分作兩路：一路電流經(jīng)電阻Rb流入三極管VT基極，再通過VT內(nèi)部的發(fā)射結(jié)從發(fā)射極流出；另一路電流經(jīng)電阻Rc流入VT的集電極，再通過VT內(nèi)部從發(fā)射極流出；兩路電流從VT的發(fā)射極流出后匯合成一路電流，再流到電源的負極。

三極管三個極分別有電流流過，其中流經(jīng)基極的電流稱為Ib電流，流經(jīng)集電極的電流稱為Ic電流，流經(jīng)發(fā)射極的電流稱為Ie電流。Ib、Ic、Ie電流的關(guān)系為Ib+Ic=Ie

Ic=Ib·β（β為三極管VT的放大倍數(shù)）

2. 電壓關(guān)系

接通電源后，電源為三極管各極提供電壓，電源正極電壓經(jīng)Rc降壓后為VT提供集電極電壓Uc，電源經(jīng)Rb降壓后為VT提供基極電壓Ub，電源負極電壓直接加到VT的發(fā)射極，發(fā)射極電壓為Ue。電路中Rb阻值較Rc的阻值大很多，所以處于放大狀態(tài)的NPN型三極管的三個極的電壓關(guān)系為Uc＞Ub＞Ue。

3. 三極管內(nèi)部兩個PN結(jié)的狀態(tài)

圖2-1（a）中的三極管VT為NPN型三極管，它內(nèi)部有兩個PN結(jié)，集電極和基極之間有一個PN結(jié)，稱為集電結(jié)，發(fā)射極和基極之間有一個PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。因為VT的三個極的電壓關(guān)系是Uc＞Ub＞Ue，所以VT內(nèi)部兩個PN結(jié)的狀態(tài)是：發(fā)射結(jié)正偏（PN結(jié)可相當于一個二極管，P極電壓高于N極電壓時稱為PN結(jié)電壓正偏），集電結(jié)反偏。

綜上所述，三極管處于放大狀態(tài)時具有的特點如下：

①Ib+Ic=Ie，Ic=Ib·β。

②Uc＞Ub＞Ue（NPN型三極管）。

③發(fā)射結(jié)正偏導通，集電結(jié)反偏。

4. 靜態(tài)工作點的計算

在圖2-1（a）所示電路中，三極管VT的Ib（基極電流）、Ic（集電極電流）和Uce（集電極和發(fā)射極之間的電壓，Uce=Uc-Ue）稱為靜態(tài)工作點。

三極管VT的靜態(tài)工作點計算方法如下

（三極管處于放大狀態(tài)時Ube值為定值，硅管一般取Ube=0.7V，鍺管取Ube=0.3V）

Ic=β·Ib

Uce=Uc-Ue=Uc-0=Uc=VCC-URC=VCC-IcRc

舉例：在圖2-1（a）所示電路中，VCC=12V，Rb=300kΩ，Rc=4kΩ，β=50，求放大電路的靜態(tài)工作點Ib、Ic、Uce。

靜態(tài)工作點計算過程如下

以上分析的是NPN型三極管固定偏置放大電路，讀者可根據(jù)上面的方法來分析圖2-1（b）所示電路中的PNP型三極管固定偏置放大電路。

固定偏置放大電路結(jié)構(gòu)簡單，但當三極管溫度上升引起靜態(tài)工作點發(fā)生變化時（如環(huán)境溫度上升，三極管內(nèi)的半導體材料導電能力增強，會使Ib、Ic電流增大），電路無法使靜態(tài)工作點恢復正常，從而會導致三極管工作不穩(wěn)定，所以固定偏置放大電路一般用在要求不高的電子設(shè)備中。

2.1.2 分壓式偏置放大電路

分壓式偏置放大電路是一種應(yīng)用最為廣泛的放大電路，這主要是因為它能有效克服固定偏置放大電路無法穩(wěn)定靜態(tài)工作點的缺點。分壓式偏置放大電路如圖2-2所示，該電路為NPN型三極管構(gòu)成的分壓式偏置放大電路。R1為上偏置電阻，R2為下偏置電阻，R3為負載電阻，R4為發(fā)射極電阻。

1. 電流關(guān)系

接通電源后，電路中有I1、I2、Ib、Ic、Ie電流產(chǎn)生，各電流的流向如圖2-2所示。不難看出，這些電流有以下關(guān)系

I2+Ib=I1

Ib+Ic=Ie

Ic=Ib·β

2. 電壓關(guān)系

接通電源后，電源為三極管各個極提供電壓，+VCC電源不僅經(jīng)R3降壓后為VT提供集電極電壓Uc，而且經(jīng)R1、R2分壓為VT提供基極電壓Ub，Ie電流在流經(jīng)R4時，在R4上得到電壓UR4，UR4大小與VT的發(fā)射極電壓Ue相等。圖中的三極管VT處于放大狀態(tài)，Uc、Ub、Ue三個電壓滿足以下關(guān)系

Uc＞Ub＞Ue

3. 三極管內(nèi)部兩個PN結(jié)的狀態(tài)

由于Uc＞Ub＞Ue，其中Uc＞Ub使VT的集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，Ub＞Ue使VT的發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)。

4. 靜態(tài)工作點的計算

在電路中，三極管VT的Ib電流遠小于I1電流，基極電壓Ub基本由R1、R2分壓來確定，即

由于Ube=Ub-Ue=0.7V，所以三極管VT的發(fā)射極電壓為

Ue=Ub-Ube=Ub-0.7

三極管VT的集電極電壓為

Uc=VCC-UR3=VCC-IcR3

舉例：在圖2-2所示電路中，VCC=18V，R1=39kΩ，R2=10kΩ，R3=3kΩ，R4=2kΩ，β=50，求放大電路的Ub、Uc、Ue和靜態(tài)工作點Ib、Ic、Uce。

計算過程如下

5. 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

與固定偏置放大電路相比，分壓式偏置放大電路最大的優(yōu)點是具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的功能。分壓式偏置放大電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定過程分析如下所述。

當環(huán)境溫度上升時，三極管內(nèi)部的半導體材料導電性增強，VT的Ib、Ic電流增大→流過R4的電流Ie增大（Ie=Ib+Ic，Ib、Ic電流增大，Ie就增大）→R4兩端的電壓UR4增大（UR4=Ie×R4，R4不變，Ie增大，UR4也就增大）→VT的e極電壓Ue上升（Ue=UR4）→VT的發(fā)射結(jié)兩端的電壓Ube下降（Ube=Ub-Ue，Ub基本不變，Ue上升，Ube下降）→Ib減小→Ic也減小（Ic=Ib×β，β不變，Ib減小，Ic也減小）→Ib、Ic減小到正常值，從而穩(wěn)定了三極管的Ib、Ic電流。

2.1.3 交流放大電路

偏置放大電路具有放大能力，若給偏置放大電路輸入交流信號，它就可以對交流信號進行放大，再輸出幅度大的交流信號。為了使偏置放大電路以較好的效果放大交流信號，并能與其他電路很好連接，通常要給偏置放大電路增加一些耦合、隔離和旁路元件，這樣的電路常稱為交流放大電路。圖2-3所示就是一種典型的交流放大電路。

1. 元器件說明

圖中的電阻R1、R2、R3、R4與三極管VT構(gòu)成分壓式偏置放大電路；C1、C3稱為耦合電容，C1、C3容量較大，對交流信號阻礙很小，交流信號很容易通過C1、C3，C1用來將輸入端的交流信號傳送到VT的基極，C3用來將VT集電極輸出的交流信號傳送給負載RL，C1、C3除了傳送交流信號外，還起隔直作用，所以VT基極直流電壓無法通過C1到輸入端，VT集電極直流電壓無法通過C3到負載RL；C2稱為交流旁路電容，可以提高放大電路的放大能力。

2. 直流工作條件

因為三極管只有在滿足了直流工作條件后才具有放大能力，所以分析一個放大電路是否具有放大能力先要分析它能否為三極管提供直流工作條件。

三極管要工作在放大狀態(tài)，需滿足的直流工作條件主要有：有完整的Ib、Ic、Ie電流途徑；能提供Uc、Ub、Ue電壓；發(fā)射結(jié)正偏導通，集電結(jié)反偏。這三個條件具備了三極管才具有放大能力。一般情況下，如果三極管Ib、Ic、Ie電流在電路中有完整的途徑就可認為它具有放大能力，因此以后在分析三極管的直流工作條件時，一般分析三極管的Ib、Ic、Ie電流途徑就可以了。

VT的Ib電流的途徑是：電源VCC正極→電阻R1→VT的b極→VT的e極；

VT的Ic電流的途徑是：電源VCC正極→電阻R3→VT的c極→VT的e極；

VT的Ie電流的途徑是：VT的e極→R4→地→電源VCC負極。

Ib、Ic、Ie電流途徑也可用如下流程圖表示：

從上面的分析可知，三極管VT的Ib、Ic、Ie電流在電路中有完整的途徑，所以VT具有放大能力。試想一下，如果R1或R3開路，三極管VT有無放大能力，為什么？

3. 交流信號處理過程

滿足了直流工作條件后，三極管具有了放大能力，就可以放大交流信號。圖2-3所示電路中的Ui為小幅度的交流信號電壓，它通過電容C1加到三極管VT的b極。

當交流信號電壓Ui為正半周時，Ui極性為上正、下負，正電壓經(jīng)C1送到VT的b極，與b極的直流電壓（VCC經(jīng)R1提供）疊加，使b極電壓上升，VT的Ib電流增大，Ic電流也增大，流過R3的Ic電流增大，R3上的電壓UR3也增大（UR3=IcR3，因Ic增大，故UR3增大），VT集電極電壓Uc下降（Uc=VCC-UR3，UR3增大，故Uc下降），該下降的電壓即為放大輸出的信號電壓，但信號電壓被倒相180°，變成負半周信號電壓。

當交流信號電壓Ui為負半周時，Ui極性為上負、下正，負電壓經(jīng)C1送到VT的b極，與b極的直流電壓（VCC經(jīng)R1提供）疊加，使b極電壓下降，VT的Ib電流減小，Ic電流也減小，流過R3的Ic電流減小，R3上的電壓UR3也減小（UR3=IcR3，因Ic減小，故UR3減小），VT集電極電壓Uc上升（Uc=VCC-UR3，UR3減小，故Uc上升），該上升的電壓即為放大輸出的信號電壓，但信號電壓也被倒相180°，變成正半周信號電壓。

也就是說，當交流信號電壓正、負半周送到三極管基極，經(jīng)三極管放大后，從集電極輸出放大的信號電壓，但輸出信號電壓與輸入信號電壓相位相反。三極管集電極輸出信號電壓再經(jīng)耦合電容C3隔直后送給負載RL。

2.1.4 放大電路的三種基本接法

1. 放大電路的一些基本概念

為了讓大家更容易理解放大電路，先來介紹一些放大電路的基本概念。

（1）輸入電阻和輸出電阻

一個放大電路通常可以用圖2-4所示的電路來等效，這樣等效的依據(jù)是：在放大電路工作時，輸入信號送到放大電路輸入端，對于輸入信號來說，放大電路就相當于一個負載電阻Ri，這個電阻Ri稱為放大電路的輸入電阻；放大電路對輸入信號放大后，會輸出信號送到負載RL兩端，因為放大電路有信號輸出，所以對于負載RL來說，放大電路就相當于一個具有內(nèi)阻為Ro和電壓為U2的信號源，這里的內(nèi)阻Ro稱為放大電路的輸出電阻。

圖中的U1為信號源電壓，R1為信號源內(nèi)阻，RL為負載。圖中間點畫線框內(nèi)的部分是放大電路的等效圖，U2是放大的信號電壓，Ui為放大電路的輸入電壓，負載RL兩端的電壓Uo為放大電路的輸出電壓，流入放大電路的電流Ii稱為輸入電流，從放大電路流出的電流Io稱為輸出電流，Ri為放大電路的輸入電阻，Ro為放大電路的輸出電阻。

從減輕輸入信號源負擔和提高放大電路的輸出電壓來看，輸入電阻Ri大一些好，因為在輸入信號源內(nèi)阻R1不變時，輸入電阻Ri大一方面會使放大電路從信號源吸取的Ii電流小，同時可以在放大電路輸入端得到比較高的Ui電壓，這樣放大電路放大后輸出的電壓很高。如果需要提高放大電路的輸出電流Io，輸入電阻Ri小一些更好，因為輸入電阻小時放大電路輸入電流大，放大后輸出的電流就比較大。

對于放大電路的輸出電阻Ro，要求是越小越好，因為輸出電阻小時，在輸出電阻上消耗的電壓和電流都很小，負載RL就可以獲得比較大的功率，也就是說放大電路輸出電阻小則該放大電路帶負載能力強。

（2）放大倍數(shù)和增益

放大電路的放大倍數(shù)有以下3種。

① 電壓放大倍數(shù)。電壓放大倍數(shù)是指輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值，用Au表示

② 電流放大倍數(shù)。電流放大倍數(shù)是指輸出電流Io與輸入電流Ii的比值，用Ai表示

③ 功率放大倍數(shù)。功率放大倍數(shù)是指輸出功率Po與輸入功率Pi的比值，用AP表示

在實際應(yīng)用中，為了便于計算和表示，常采用放大倍數(shù)的對數(shù)來表示放大電路的放大能力，這樣得到的值稱為增益，增益的單位為分貝（dB）。增益越大說明電路的放大能力越強。

例如，放大電路的電壓放大倍數(shù)分別為100倍和10000倍時，它的電壓增益分別就是40dB和80dB。

2. 放大電路的三種基本接法

根據(jù)三極管在電路中的連接方式不同，放大電路有三種基本接法：共發(fā)射極接法、共基極接法和共集電極接法。放大電路的三種基本接法如圖2-5所示。

放大電路的三種基本接法電路可從下面幾個方面來分析。

（1）是否具備放大能力

前面已經(jīng)講過，要判斷三極管電路是否具備放大能力，一般可通過分析電路中三極管的Ib、Ic、Ie電流有無完整的途徑來判斷，若有完整的途徑，就說明該放大電路具有放大能力。圖2-5所示電路中，三種基本接法電路的三極管Ib、Ic、Ie電流分析如下所述。

共發(fā)射極接法電路中三極管的Ib、Ic、Ie電流途徑：

共基極接法電路中三極管的Ib、Ic、Ie電流途徑：

共集電極接法電路中三極管的Ib、Ic、Ie電流途徑：

從上面的分析可以看出，三種基本接法電路中的三極管Ib、Ic、Ie電流都有完整的途徑，所以它們都具有放大能力。

（2）共用電極形式

一個放大電路應(yīng)具有輸入和輸出端，為了使輸入、輸出端的交流信號能有各自的回路，要求輸入和輸出端應(yīng)各有兩極，而三極管只有三個電極，這樣就會出現(xiàn)一個電極被輸入、輸出端共用。

在分析放大電路時，為了掌握放大電路交流信號的處理情況，需要畫出它的交流等效圖，在畫交流等效圖時不考慮直流。畫交流等效圖要掌握以下兩點。

①電源的內(nèi)阻很小，對于交流信號可視為短路，即對交流信號而言，電源正、負極相當于短路，所以畫交流等效圖時應(yīng)將電源正、負極用導線連起來。

②電路中的耦合電容和旁路電容容量比較大，對交流信號阻礙很小，也可視為短路，在畫交流等效圖時大容量的電容應(yīng)用導線取代。

根據(jù)上述原則，可按圖2-6所示的方法畫出圖2-5（a）所示共發(fā)射極接法放大電路的交流等效圖。

用同樣的方法可畫出其他兩種基本接法放大電路的交流等效圖。三種基本接法放大電路的交流等效圖如圖2-7所示。

在圖2-7（a）所示電路中，基極是輸入端，集電極是輸出端，發(fā)射極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共發(fā)射極放大電路。

在圖2-7（b）所示電路中，發(fā)射極是輸入端，集電極是輸出端，基極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共基極放大電路。

在圖2-7（c）所示電路中，基極是輸入端，發(fā)射極是輸出端，集電極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共集電極放大電路。

（3）三種基本接法放大電路的特點

三種基本接法放大電路的特點見表2-1。

2.1.5 朗讀助記器的原理與檢修（一）

朗讀助記器是一種利用聲音反饋來增強記憶的電子產(chǎn)品。在朗讀時，助記器的話筒將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，然后對電信號進行放大，最后又將電信號經(jīng)耳機還原成聲音，人耳聽到增強的朗讀聲音可強化朗讀內(nèi)容的記憶。朗讀助記器電路較為復雜，本書將它分成三個部分說明。

1. 電路原理

圖2-8所示是朗讀助記器的第一部分電路原理圖。

電路分析如下所述。

（1）信號處理過程

在朗讀時，話筒（又稱送話器）BM將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，這種由聲音轉(zhuǎn)換成的電信號稱為音頻信號。音頻信號由音量電位器RP1調(diào)節(jié)大小后，再通過C1送到三極管VT1基極，音頻信號經(jīng)VT1放大后從集電極輸出，通過C3送到耳機插座X2_out和揚聲器插座X3。如果將耳機插入X2插孔，就可以聽到自己的朗讀聲。

（2）直流工作情況

6V直流電壓通過接插件X4送入電路，+6V電壓經(jīng)R10降壓后分成三路：第一路經(jīng)R1、插座X1的內(nèi)部簧片為話筒提供工作電壓，使話筒工作；第二路經(jīng)R2、R3分壓后為三極管VT1提供基極電壓；第三路經(jīng)R4為VT1提供集電極電壓。VT1獲得供電后有Ib、Ic、Ie電流流過，VT1處于放大狀態(tài)，可以放大送到基極的信號并從集電極輸出。

（3）元器件說明

BM為內(nèi)置駐極體式話筒，用于將聲音轉(zhuǎn)換成音頻信號，BM有正、負極之分，不能接錯極性。X1為外接輸入插座，當外接音源設(shè)備（如收音機、MP3等）時，應(yīng)將音源設(shè)備的輸出插頭插入該插座，插座內(nèi)的簧片斷開，內(nèi)置話筒BM被切斷，而外部音源設(shè)備送來的信號經(jīng)X1簧片、RP1和C1送到VT1基極進行放大。X3為揚聲器插座，當使用外接揚聲器時，可將揚聲器的兩根引線與X3連接。X2為外接耳機（又稱受話器）插座，當插入耳機插頭后，插座內(nèi)的簧片斷開，揚聲器被切斷。

R10、C5構(gòu)成電源退耦電路，用于濾除電源供電中的波動成分，使電路能得到較穩(wěn)定的供電電壓。在電路工作時，+6V電源經(jīng)R10為三極管VT1供電，同時還會對C5充電，在C5上充得上正、下負電壓。在靜態(tài)時，VT1無信號輸入，VT1導通程度不變（即Ic保持不變），流過R10的電流I基本穩(wěn)定，UA電壓保持不變，在VT1有信號輸入時，VT1的Ic電流會發(fā)生變化，當輸入信號幅度大時，VT1導通程度加深，Ic電流增大，流過R10的電流I也增大，若沒有C5，A點電壓會因電流I的增大而下降（I增大，R10上電壓增大），有了C5后，C5會向R4放電彌補Ic電流增多的部分，無須通過R10的電流I增大，這樣A點電壓變化很小。同樣，如果VT1的輸入信號幅度小時，VT1導通程度減弱，Ic電流減小，若沒有C5，電流I也減小，A點電壓會因電流I減小而升高，有了C5后，多余的電流I會對C5充電，這樣電流I不會因Ic減小而減小，A點電壓保持不變。

2. 電路的檢修

下面以“無聲”故障為例來說明朗讀助記器第一部分電路的檢修方法，檢修過程如圖2-9所示。