2.2 晶體管放大電路

2.2.1 基本放大電路概述

放大電路的放大實質是能量轉換的過程。晶體管只是一種能量控制器件，而不是能源。晶體管有3個電極，晶體管對小信號實現放大作用時在電路中可有3種不同的連接方式（或稱3種組態），即共（發）射極接法、共集電極接法和共基極接法，放大電路中晶體管的3種連接方法如圖2-11所示，分別稱為共（發）射電路、共集電極電路及共基極電路。

2.2.2 固定偏置式放大電路

1. 共射放大電路的組成、各元器件作用及電壓、電流符號規定

（1）電路組成

共射放大電路的組成如圖2-12所示，由晶體管VT、偏置電阻RB和集電極負載電阻RC組成。

晶體管VT：是能量轉換器件，是放大電路中的核心器件，具有電流放大作用。

集電極直流電源UCC：是放大電路的能源，且通過RC、RB使發射結正偏、集電結反偏。一般為幾伏到幾十伏。（在畫圖時，常采用電位標法）

基極偏置電阻RB：又稱為偏置電阻，其作用是向晶體管的基極提供合適的偏置電流，并使發射結正偏。

集電極負載電阻RC：又稱為集電極電阻，它的作用是將集電極電流的變化轉換成電壓的變化，以實現電壓放大功能。

耦合電容C1、C2：具有隔直流、通交流的作用。一方面切斷信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間的直流通路的相互影響；另一方面起到耦合信號的作用。

（2）電流、電壓的符號規定

直流分量：用大寫字母和大寫下標表示。如IB表示基極的直流電流。

交流分量：用小寫字母和小寫下標表示。如ib表示基極的交流電流。

總變化量：是直流分量和交流分量之和，即交流疊加在直流上，用小寫字母和大寫下標表示。如iB表示基極電流總的瞬時值，其數值為iB=IB+ib。

交流有效值：用大寫字母和小寫下標表示。如Ib表示基極的正弦交流電流的有效值。

2. 靜態工作點分析

所謂靜態是指放大電路在未加入交流輸入信號（或為零）時的工作狀態。此時，直流電流所流過的路徑，稱為直流通路。畫直流通路時，電容視為開路，電感視為短路，其他不變，圖2-12共射放大電路的直流通路如圖2-13a所示。

由于ui=0，電路在直流電源UCC作用下處于直流工作狀態。晶體管的電流以及管子各極之間的電壓均為直流電流和電壓，它們在特性曲線坐標圖上為一個特定的點，常稱為靜態工作點Q，如圖2-13b所示。

靜態工作點的估算如下：

基極電流

其中UBEQ為發射結的正向電壓，一般硅管取0.7V，鍺管取0.3V。

根據晶體管電流放大特性有

IC=βIB （2-7）

集電極—發射極電壓

UCE=UCC-ICRC （2-8）

3. 動態分析和交流通路

所謂動態是指放大電路在接入交流信號以后，電路中各處電流、電壓的變化情況。在輸入信號的作用下，交流電流所流過的路徑，稱為交流通路。畫交流通路時，把電容和直流電源視為短路，其他不變，圖2-12所對應的交流通路如圖2-14所示。

由圖2-14可得電路的輸出電壓為

uo=uce=-icRL′ （2-9）

式中的負號，表示uo與ui的相位相反，共射放大電路中的壓電流波形見圖2-15，輸出與輸入信號在相位是倒相關系，這也是共射極單管放大電路的一個重要特點，稱之為“倒相”作用。

4. 放大電路的非線性失真

圖2-16為飽和失真和截止失真。由于工作點進入了晶體管的非線性區（飽和區或截止區）引起的放大電路輸出電壓的波形與輸入電壓的波形不一致的失真稱為非線性失真。

當靜態工作點太高，靠近飽和區（見圖2-16中Q′點），在輸入電壓的正半周，使晶體管進入飽和區，集電極電流iC波形的正半周頂部被削平，對于NPN型管，其輸出電壓uo將產生底部削平的飽和失真波形。可通過降低Q點解決。

當靜態工作點太低，靠近截止區（見圖2-16中Q′′點），在輸入電壓的負半周，可能使晶體管進入截止區，集電極電流iC波形的負半周底部被削平，對于NPN型管，其輸出電壓uo將產生頂部削平的截止失真波形。可通過提升Q點解決。

5. 放大電路的性能指標的估算

（1）晶體管的簡化微變等效電路

如果在一個微小的工作范圍內，晶體管各電極電壓、電流變化量之間的關系近似是線性的，將晶體管等效為線性元件，放大電路等效為線性電路，即微變等效電路。

1）晶體管基—射極間的等效。從晶體管輸入端BE看，其伏安特性就是管子的輸入特性，如圖2-17所示。當輸入信號ui在很小范圍內變化時，輸入回路的電壓uBE、電流iB在uCE為常數時，可認為其隨ui的變化作線性變化，即晶體管輸入回路基極與發射極之間可用等效電阻rbe代替。其等效電路如圖2-17b左邊所示。

rbe的數值可以用下面的公式計算

式中，rb′b是基區體電阻，對于低頻小功率管，rb′b約為100～500Ω，無特別說明時，可取rb′b=300Ω；IEQ為靜態發射極電流；rbe單位取Ω。

2）晶體管集—射極間的等效。從晶體管的輸出端CE看，其伏安特性就是管子的輸出特性。當晶體管工作于放大區時，ic的大小只受ib的控制，而與uCE無關，即實現了晶體管的受控恒流特性，ic=βib。因此，晶體管的輸出端可以用一個等效恒流源βib來代替。即是一個受基極電流ib控制的受控電流源，如圖2-17b右邊所示。

因此，可得到晶體管的微變等效電路，如圖2-17所示。

（2）放大電路的微變等效電路

畫放大電路的微變等效電路時，先畫出放大電路的交流通路，再用晶體管微變等效電路代替交流通路中的晶體管即可。

把圖2-14所示交流通路中的晶體管用晶體管微變等效電路代換，則得到共射放大電路的微變等效電路，如圖2-18所示。

（3）放大電路性能指標的估算

1）電壓放大倍數Au。

電壓放大倍數指是輸出電壓與輸入電壓之比，即

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

其中“-”表示輸入信號與輸出信號相位相反。

如不接負載RL，則RL′=RC

2）輸入電阻Ri。

放大電路的輸入電阻Ri指從放大電路輸入端向電路內部看進去的等效電阻，它的定義式為

Ri越大，放大電路從信號源取用的電流ii越少，信號源對放大電路的影響就越小，放大電路輸入端所獲得的信號電壓就越高。

由圖2-18所示可得

Ri=RB//rbe （2-15）

3）輸出電阻Ro。

從放大電路輸出端看進去的等效電阻，稱為輸出電阻Ro。放大電路對于負載RL相當于一個信號源，信號源內阻就是放大電路的輸出電阻，它可定義為

輸出電阻Ro的大小反映放大電路帶負載能力的強弱。輸出電阻Ro越小，接入負載RL后，輸出電壓uo變化越小，電路的帶負載能力越強。

由圖2-18所示可得

Ro=RC （2-17）

2.2.3 分壓式偏置放大電路

1. 電路組成

電路如圖2-19a所示，基極直流偏置電位UB是由電阻RB1和RB2對UCC分壓而得，故稱這種電路為分壓偏置電路。同時，發射極串接一偏置電阻RE，用來穩定電路的靜態工作點。

2. 靜態分析

直流通路如圖2-19b所示。

要穩定UB的值，選取RB1、RB2數值時，應保證I1≈I2?IB，則靜態工作點計算如下：

由于IC≈IE，，所以

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

3. 靜態工作點的穩定原理

設由于溫度升高，造成IC和IE增大，IE的增大導致UE升高。由于UB固定不變，因此UBE將隨之降低，使IB減小，從而抑制了IC和IE因溫度升高而增大的趨勢，達到穩定靜定工作點Q的目的。

4. 動態交流指標計算

分壓式偏置電路的微變等效電路如圖2-20所示。

（1）電壓放大倍數Au

由圖2-20可得

則有

（2）輸入電阻Ri

由微變等效電路可以看出

（3）輸出電阻Ro

由微變等效電路可以看出

Ro=RC （2-24）

如果CE斷開，電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻分別為

5. 放大電路的頻率特性

放大電路的電壓放大倍數與頻率的關系稱為幅頻特性；輸出電壓與輸入電壓的相位差與頻率的關系稱為相頻特性。頻率特性是幅頻特性和相頻特性的總稱。

圖2-21a所示是單級阻容耦合共射放大電路，圖2-21b、c是其頻率特性。從圖中可知，在某一段頻率范圍內，電壓放大倍數與頻率無關，輸出信號與輸入信號相位差為-180o，這個頻率范圍稱為中頻區。在中頻區之外，隨著頻率的降低或者升高，電壓放大倍數都要減小，相位差也要發生變化。當電壓放大倍數Au下降到中頻放大倍數Aum的1/2（即0.707）倍時所對應的低頻頻率點和高頻頻率點分別稱為中頻區的下限截止頻率fL和上限截止頻率fH。把fL與fH之間的頻率范圍稱為通頻帶，用BW表示，即

BW=fH-fL

通頻帶是放大電路頻率響應的一個重要指標。通頻帶越寬，表示放大電路工作的頻率范圍越寬。

在低頻區，Au下降的原因是由于耦合電容C1、C2，以及射極旁路電容CE的等效容抗隨頻率下降而增加，從而使信號在這些電容上的壓降也隨之增加，因而減小輸出電壓Uo，導致低頻段的Au的下降。在高頻區，由于晶體管的極間電容和電路中的分布電容因頻率升高而等效容抗減小，對信號的分流作用增大，降低了集電極電流和輸出電壓，導致高頻段Au的下降。

2.2.4 共集電極放大電路

1. 共集電極電路靜態工作點的計算

共集電極放大電路如圖2-22所示，共集電極放大電路的直流通路如圖2-23所示。

由直流通路可列方程

則有

2. 共集電極電路的動態性能分析

共集電極放大電路的交流通路如圖2-24所示，共集電極放大電路的微變等效電路如圖2-25所示。

（1）電壓放大倍數Au

由微變等效電路得

式中RL′=RE//RL。一般（1+β）RL′?rbe，故Au值近似為1，所以輸出電壓接近輸入電壓，兩者的相位相同，故射極輸出器又稱為射極跟隨器。

（2）輸入電阻Ri

由圖2-25可得

則

Ri=RB//[rbe+（1+β）RL′] （2-32）

可見，射極輸出器的輸入電阻是由偏置電阻RB與基極回路電阻[rbe+（1+β）RL′]并聯而得，其中（1+β）RL′可認為是射極的等效負載電阻RL′折算到基極回路的電阻。射極輸出器輸入電阻通常為幾十千歐到幾百千歐。

（3）輸出電阻Ro

輸出電阻

一般情況下，由于RS很小，即RS?RB、RS?rbe，所以

上式表明，射極輸出器的輸出電阻是很小的，通常為幾十歐姆。

3. 射極輸出器的特點及應用

（1）射極輸出器的特點

①靜態工作點比較穩定。

射極輸出器中的電阻RE，還具有穩定靜態工作點的作用。

②電壓放大倍數Au≈1。

射極輸出器雖然沒有將電壓放大，但是具有電流放大（放大倍數≈1+β）和功率放大作用。

③輸入電阻高。

④輸出電阻低。

（2）射極輸出器的應用

在多級放大電路中，射極輸出器可以作為輸入級、輸出級或中間級。

①作輸入級。

由于射極輸出器的輸入電阻高，使信號源內阻上的壓降相對來說比較小。可以得到較高的輸入電壓；同時，減小信號源提供的信號電流，減輕信號源的負擔。

②作輸出級。

由于射極輸出器的輸出電阻低，當負載電流變動較大時，其輸出電壓下降很小，從而提高整個放大電路的帶負載的能力。

③作中間隔離級。

在多級放大電路中，將射極輸出器接在兩級共射放大電路中間。利用其輸入電阻高的特點，提高前一級的負載電阻，進而提高前一級的電壓放大倍數；利用其輸出電阻低的特點，以減小作為后一級信號源的內阻，使后級電壓放大倍數也得到提高，隔離了級間的相互影響。

2.2.5 多級放大電路

由一個晶體管組成的單級放大電路，電壓放大倍數一般只能達到幾十倍到上百倍。然而在實際工作中，放大電路所得到的信號往往都非常微弱，要將其放大到能推動負載工作的程度，僅通過單級放大電路放大，達不到實際要求。因此，實用上需要將兩級或兩級以上的放大電路連接起來組成多級放大電路。

1. 多級放大電路的組成

多級放大電路的組成可用圖2-26所示的框圖來表示。通常把與信號源相連接的第一級放大電路稱為輸入級，與負載相連接的末級放大電路稱為輸出級，輸出級與輸入級之間的放大電路稱為中間級。其中，輸入級與中間級都屬于小信號工作狀態，主要進行電壓放大；輸出級是大信號放大，以提供給負載足夠大的信號，常采用功率放大電路。

2. 多級放大電路的級間耦合方式

在多級放大電路中，把級與級之間的連接方式稱為耦合方式。一般常用的耦合方式：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合等。

（1）阻容耦合方式

前后級放大電路采用電容連接。由于電容的隔直作用，各級的靜態工作點互相獨立、互不影響。但不能放大直流信號或緩慢變化的信號。此外，由于集成電路制造工藝原因，不能在內部制成較大容量的電容，所以阻容耦合不適用于集成電路。

（2）直接耦合方式

直接耦合省去級間的耦合元件，不僅能放大交流信號，而且能放大直流信號或緩慢變化的信號，多用于集成電路中。但由于級間為直接耦合，所以前后級靜態工作點相互影響，且存在零點漂移問題。

（3）變壓器耦合方式

同阻容耦合一樣，兩級之間沒有直流通路，因此靜態工作點互相獨立。變壓器耦合的最大優點是可以實現阻抗變換，實現阻抗匹配。但由于變壓器體積大而重，不便于集成。同時頻率特性差，也不能傳輸直流和比較緩慢變化的信號。

3. 放大電路的性能指標估算

以兩級阻容耦合多級放大電路為例進行說明，兩級阻容耦合放大電路如圖2-27所示。

（1）電壓放大倍數

根據電壓放大倍數的定義式

可推廣到n級放大電路的電壓放大倍數為

Au=Au1Au2…Aun （2-36）

注意：在計算各級電路的電壓放大倍數時，必須考慮后級電路的輸入電阻對前級電路電壓放大倍數的影響。

在工程上為簡化計算過程，根據實際需要也常用分貝（dB）表示電壓增益（放大倍數），它的定義為

電壓增益Au（dB）=20lgAu

如某多級放大電路，（倍），則Au（dB）=20lg103=60dB。

（2）輸入電阻

多級放大電路的輸入電阻，就是輸入級的輸入電阻，即Ri=Ri1。

計算輸入電阻時要注意：當輸入級為共集電極電路時，要考慮第二級的輸入電阻作為前級負載時對輸入電阻的影響。

（3）輸出電阻

多級放大電路的輸出電阻，就是輸出級的輸出電阻，即Ro=Ron。

計算輸出電阻時要注意：當輸出級為共集電極電路時，要考慮其前級對輸出電阻的影響。