第2章 半導體三極管基本放大電路

2.1 共發射極放大電路的組成和工作原理

2.1.1 放大電路的組成及各元器件的作用

放大電路是電子設備中重要的組成部分。放大電路的主要功能是放大電信號，即把微弱的輸入信號，通過電子器件的控制作用，將直流電源功率轉換成一定強度的、隨輸入信號變而變化的輸出信號，因此放大電路實質上是一個能量轉換器。

如圖2-1所示是基本共射放大電路原理圖。被放大的交流信號電壓υi從三極管的基極和發射極間輸入，放大后的信號電壓υo從集電極和發射極間輸出，提供給負載RL。輸入回路和輸出回路的公共端是發射極，所以這是一個共發射極放大電路，簡稱共射放大電路。

三極管VT：它是放大電路的核心器件，在正常工作時主要起電流放大作用。

電源VCC：它是放大器的能源，同時適當選定RB和RC的阻值，可使發射結正向偏置，集電結反向偏置，以滿足三極管放大的外部條件。圖2-1中三極管采用NPN型管，如果三極管采用PNP，則電源VCC的極性應與圖中相反。

基極偏流電阻RB：它和VCC一起，給基極提供一個合適的基極偏流IB。三極管只有建立了合適的基極偏流IB，輸出信號才不會失真。

集電極負載電阻RC：串接在集電極回路，將放大后的電流IC的變化轉變為RC上電壓的變化，從而引起VCE的變化，這個變化電壓就是輸出電壓υo。

耦合電容C1和C2：它們分別接在放大電路的輸入端和輸出端，利用電容器交流阻抗小，直流阻抗大的特點來實現耦合交流信號，隔斷直流信號，從而避免信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間直流電流的相互影響。因此耦合電容的作用是“隔直流通交流”。

從以上分析可以知道：放大電路中既含有直流又含有交流，直流是加偏置而產生的，為正常放大提供了必要的條件；交流就是要放大的變化信號，是放大的目的。交流信號是疊加在直流上進行放大的。

課堂練習：

如圖2-1所示電路中如果RB開路或短路，放大電路能不能正常工作？為什么？

2.1.2 放大電路中的直流通路和交流通路

為了便于分析和討論，對全書符號作如下規定：直流量用大寫字母大寫腳標符號表示，如IB,VBE；交流量用小寫字母小寫腳標符號表示，如ib,υbe等；交流量疊加在直流量上為總變化量，用小寫字母大寫腳標符號表示，如iB、υBE等。

1. 放大電路的直流通路（Direct Current Path）

放大電路未加輸入信號即υi=0時，電路的工作狀態稱為靜態。這時電路中沒有變化的信號，電路中的電壓、電流都是直流信號，如圖2-2所示，此時IB,IC,VCE的值在特性曲線上所對應的點稱為放大電路的靜態工作點，記作Q。

直流通路是放大電路中直流通過的路徑，所以，要分析計算放大電路中的靜態工作點所對應的IB，IC，VCE的值，就應先畫出放大電路的直流通路。由于電容器具有隔斷直流的作用，因此畫直流通路時電容相當于開路。圖2-3是圖2-2放大電路的直流通路。

課堂練習：

試畫出圖2-1所示放大電路帶負載RL時的直流通路。

2. 放大電路的交流通路（Alternation Current Path）

放大器輸入端加入信號時，電路的工作狀態稱為動態。這時輸入信號υi疊加在直流的VBE上，即vBE=VBE+vi，這時基極電流iB=IB+ib，式中ib是υi引起的電流。經過放大iC=IC+ic，而vCE=VCC?RCiC=VCC?RC（IC+ic）=VCC?RCIC?RCic=VCE?RCic，可見υCE也是由直流分量VCE和交流分量?RCic組成的，由于C2的隔直流通交流作用，輸出電壓只有交流分量，即υo=υce=?RCic。該式表明，只要RC取值適當，就可使υo比υi大許多倍，從而實現電壓放大。另外還可看出，vo與RCic在數值上相等，而在相位上卻相反。由于υi，ib，ic，υRC都是同相位，所以υo和υ的相位相反。這就是共射放大電路輸入信號與輸出信號之間所具有的倒相作用，如圖2-4所示。

演示實驗：

用示波器觀察圖2-4所示的共射放大電路的電壓放大與倒相作用。

實驗結果表明，通過觀察共射放大電路的輸入波形和輸出波形，可以看到υo比υi大得多，說明共射放大電路具有電壓放大作用。還可以看到υo與υi反相，說明共射放大電路具有倒相作用。

交流通路是放大電路中交流通過的路徑，為了分析放大電路的動態工作情況，計算放大電路的放大倍數，就應畫出放大電路的交流通路。由于對頻率較高的交流信號，電容器相當于短路，同時直流電源的內阻一般都很小，所以對交流信號來說，直流電源可以認為是短路的。因此對圖2-4所示的放大電路，其交流通路如圖2-5所示。

綜上所述，放大電路中各點的電位和各支路的電流，都是直流量和交流量的疊加。直流量組成了靜態工作點，是放大電路工作的基礎；交流量是由輸入信號產生的，是放大電路放大的對象。交流量是疊加在直流量上進行放大的。因此靜態工作點設置是否合理，將直接影響到放大電路能否正常工作。

課堂練習：

試畫出圖2-1所示的放大電路帶負載時RL的交流通路。

3. 放大電路的非線性失真

如果靜態工作點設置不合理，放大電路就不能正常工作，其輸出信號將出現失真。這種失真是由于三極管的非線性所造成的，因而稱為非線性失真。

（1）截止失真（Cut-off Distortion）：若靜態工作點太低，接近截止區，即IB和IC太小，如圖2-6所示，輸入信號疊加在直流量上后，負半周仍處在發射結的死區或仍使發射結處于反向偏置狀態，這樣iB，iC，υBE的負半周被削去，反相后υCE和υo的正半周被削去，這種失真是由于動態工作點進入截止區所造成的，故稱為截止失真。

演示實驗：

用示波器觀察圖2-6所示電路截止失真現象及分析克服方法。

（2）飽和失真（Cut-off Distortion）：若靜態工作點太高，接近飽和區，即IB和IC太大，如圖2-7所示，放大后的ic已經超出了三極管飽和時集電極電流，因此使ic未變化到正半周的頂部即被削去，與此相應υRC的正半周也被削去，反相后υCE和υo的負半周被削去，這種失真是由于動態工作點進入飽和區所造成的，故稱為飽和失真。

演示實驗：

用示波器觀察圖2-7所示電路飽和失真現象及分析克服方法。

2.1.3 靜態工作點的估算

先畫出放大電路的直流通路，然后求解直流通路的電流和電壓，求出Q點。

【例2.1】 如圖2-8所示的放大電路中，試求放大電路的靜態工作點對應的IB，IC，VCE的值。

解：先畫出圖2-8（a）所示的放大電路的直流通路，如圖2-8（b）所示。對IB回路應用KVL，得

IBRB+VBE =VCC

則

由于VCC?VBE，故VBE可忽略，工程上經常采用這種近似估算。而

IC=βIB=50 × 40=2mA

對IC回路應用KVL，得

VCC=ICRC+VCE

所以

VCE =VCC?ICRC=20?2 × 6=8V

因此放大電路的靜態工作點Q對應有：IB=40μA，IC=2mA，VCE=8V。

2.1.4 動態交流指標的計算

先畫出放大電路的交流通路，進而畫出放大電路的微變等效電路；然后根據定義，求得放大倍數、輸入電阻、輸出電阻。

1. 三極管的微變等效電路

由于三極管是非線性元件，給電路分析計算帶來困難。但是如果把非線性電路線性化，就可以應用歐姆定律等有關線性電路的規律來求解。而條件是三極管中的信號變化范圍比較小，因此三極管的等效電路稱為三極管的微變等效電路。

如圖2-9（a）所示，從三極管的輸入端看，B和E兩極間加信號電壓υbe時，就產生一個基極電流ib，從效果上看，B和E間相當于一個等效電阻，即三極管的輸入電阻。它的數值一般可用下列近似公式估算：

從三極管的輸出端看，三極管具有恒流特性，因此三極管C和E兩極間可等效為一個受控電流源，其輸出電流為ic=βib。

把輸入端和輸出端的等效電路合起來，就得到如圖2-9（b）所示三極管的微變等效電路。

2．放大器的電壓放大倍數

電壓放大倍數定義為放大器的輸出電壓與輸入電壓之比，如圖2-10所示。

估算電壓放大倍數的方法是，先畫出放大器的交流通路，如圖2-11（b）所示。用三極管微變等效電路去替換交流通路中的三極管，畫出放大器的微變等效電路如圖2-11（c）所示；然后分別寫出和的表達式，即

根據定義得

上式中的負號表示共射放大電路和反相，即共射放大電路具有倒相作用。

【例2.2】 如圖2-11（a）放大電路中RB=470kΩ，RL=6kΩ，β=50，VBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF。試利用微變等效電路法計算：（1）不接負載時的電壓放大倍數；（2）接負載時的電壓放大倍數。

解：先畫出放大電路的微變等效電路如圖2-11（c）所示，由于本例題電路及電路參數和例2.1相同，根據例2.1的計算結果有IB=40μA，IC=2mA，故

不接負載RL時：

接負載RL時：

由本例題可知：由于R' L＜RC，所以＜AV，即放大器接上負載RL后，電壓放大倍數會減小，輸出電壓會下降。

3. 放大器的輸入電阻Ri（Input Resistance）

Ri是從放大器的輸入端往里看進去的等效電阻。如圖2-12所示，如果把一個內阻為RS的信號源υS加到放大器的輸入端時，放大器就相當于信號源的一個負載，這個負載就是放大器的輸入電阻Ri，由圖2-12可知

Ri 越大的放大器，表示其輸入回路向信號源所索取電流ii 越小。由圖2-12可求得，如果Ri?RS，則有υi≈υo。即Ri越大的放大器，其輸入端電壓υi越能較準確地反映信號源電壓υS，例如，電子測量儀器為了提高測量精度，要求其輸入端的輸入電阻越大越好。

【例2.3】 如圖2-11（a）所示的放大電路中，RB=470kΩ，RC=6kΩ，RL=6kΩ，β=50，VBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF；試求放大電路的輸入電阻Ri。

解：本例題已知條件和例2.2相同，所以rbe=1kΩ，畫出放大電路的微變等效電路如圖2-11（c）所示，根據定義有

Ri=RB∥rbe=470∥1≈1kΩ

4. 放大器的輸出電阻Ro（output resistance）

從放大器的輸出端往里看進去，整個放大器可看成是一個等效電阻為Ro、等效電動勢為υ'o的電壓源，這個等效電阻就是放大器的輸出電阻。由圖2-12可知

由圖2-12可求得

如果Ro?RL，則有Vo≈，顯然，Ro越小，即使負載RL有較大變化，但輸出電壓變化卻很小。也就是說Ro愈小，放大器帶負載能力愈強。因此一般情況下，都希望放大器的輸出電阻Ro盡量小些。

【例2.4】 計算圖2-13（a）所示放大器的輸出電阻Ro。

解：先畫出放大電路的微變等效電路，如圖2-13（b）所示；然后應用戴維南定理，斷開負載RL，輸入電壓源υi短路，則ib=0及ic=βib=0（電流源開路），在輸出端外加探察電壓υp，根據υp求得探察電流ip，如圖2-13（c）所示；由圖2-13（c）可知υp=ipRC，則輸出電阻為

實際上在本例題中由于υi短路后，ib=0及ic=βib=0，所以從放大器的輸出端往里看進去，是一個無源網絡，而且就是一個RC，因此可直接寫出Ro=RC=6kΩ。

自我檢查題

1. 為了保證不失真放大，放大電路必須設置靜態工作點。靜態工作點是指_____。對NPN管組成的基本共射放大電路，如果靜態工作點太低，將會產生失真。應調節RB，使其_____，從而使IB_____，這樣可以克服_____失真。如果靜態工作點太高，將會產生失真。應調節RB，使其_____，從而使IB_____，這樣可以克服_____失真。

2. 放大器的電壓放大倍數指_____、輸入電阻指_____、輸出電阻指_____。放大器的輸入電阻越大，則放大器向信號源索取的電流就越_____，放大器的輸入電壓就越接近于_____。放大器的輸出電阻越小，則放大器帶負載能力就越_____，放大器的輸出電壓就越接近于_____。

3. 基本共發射極放大電路的輸出電壓和輸入電壓_____，其電壓放大倍數為_____，輸入電阻近似等于_____，輸出電阻近似等于_____。

4. 判斷圖2-14所示各電路能否進行不失真地放大。

5. 在圖2-15所示基本放大電路中，已知VCC=15V，RC=3kΩ，RB=300kΩ，RL=6kΩ，β=60，VBE=0.7V，ICEO=0。試求：（1）畫出電路的直流通路，并估算放大電路的靜態工作點所對應的IC，IB，VCE的值；（2）畫出放大電路的微變等效電路，并估算放大電路的電壓放大倍數、輸入電阻Ri、輸出電阻Ro。