第2章 半导体三极管基本放大电路

2.1 共发射极放大电路的组成和工作原理

2.1.1 放大电路的组成及各元器件的作用

放大电路是电子设备中重要的组成部分。放大电路的主要功能是放大电信号，即把微弱的输入信号，通过电子器件的控制作用，将直流电源功率转换成一定强度的、随输入信号变而变化的输出信号，因此放大电路实质上是一个能量转换器。

如图2-1所示是基本共射放大电路原理图。被放大的交流信号电压υi从三极管的基极和发射极间输入，放大后的信号电压υo从集电极和发射极间输出，提供给负载RL。输入回路和输出回路的公共端是发射极，所以这是一个共发射极放大电路，简称共射放大电路。

三极管VT：它是放大电路的核心器件，在正常工作时主要起电流放大作用。

电源VCC：它是放大器的能源，同时适当选定RB和RC的阻值，可使发射结正向偏置，集电结反向偏置，以满足三极管放大的外部条件。图2-1中三极管采用NPN型管，如果三极管采用PNP，则电源VCC的极性应与图中相反。

基极偏流电阻RB：它和VCC一起，给基极提供一个合适的基极偏流IB。三极管只有建立了合适的基极偏流IB，输出信号才不会失真。

集电极负载电阻RC：串接在集电极回路，将放大后的电流IC的变化转变为RC上电压的变化，从而引起VCE的变化，这个变化电压就是输出电压υo。

耦合电容C1和C2：它们分别接在放大电路的输入端和输出端，利用电容器交流阻抗小，直流阻抗大的特点来实现耦合交流信号，隔断直流信号，从而避免信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间直流电流的相互影响。因此耦合电容的作用是“隔直流通交流”。

从以上分析可以知道：放大电路中既含有直流又含有交流，直流是加偏置而产生的，为正常放大提供了必要的条件；交流就是要放大的变化信号，是放大的目的。交流信号是叠加在直流上进行放大的。

课堂练习：

如图2-1所示电路中如果RB开路或短路，放大电路能不能正常工作？为什么？

2.1.2 放大电路中的直流通路和交流通路

为了便于分析和讨论，对全书符号作如下规定：直流量用大写字母大写脚标符号表示，如IB,VBE；交流量用小写字母小写脚标符号表示，如ib,υbe等；交流量叠加在直流量上为总变化量，用小写字母大写脚标符号表示，如iB、υBE等。

1. 放大电路的直流通路（Direct Current Path）

放大电路未加输入信号即υi=0时，电路的工作状态称为静态。这时电路中没有变化的信号，电路中的电压、电流都是直流信号，如图2-2所示，此时IB,IC,VCE的值在特性曲线上所对应的点称为放大电路的静态工作点，记作Q。

直流通路是放大电路中直流通过的路径，所以，要分析计算放大电路中的静态工作点所对应的IB，IC，VCE的值，就应先画出放大电路的直流通路。由于电容器具有隔断直流的作用，因此画直流通路时电容相当于开路。图2-3是图2-2放大电路的直流通路。

课堂练习：

试画出图2-1所示放大电路带负载RL时的直流通路。

2. 放大电路的交流通路（Alternation Current Path）

放大器输入端加入信号时，电路的工作状态称为动态。这时输入信号υi叠加在直流的VBE上，即vBE=VBE+vi，这时基极电流iB=IB+ib，式中ib是υi引起的电流。经过放大iC=IC+ic，而vCE=VCC−RCiC=VCC−RC（IC+ic）=VCC−RCIC−RCic=VCE−RCic，可见υCE也是由直流分量VCE和交流分量−RCic组成的，由于C2的隔直流通交流作用，输出电压只有交流分量，即υo=υce=−RCic。该式表明，只要RC取值适当，就可使υo比υi大许多倍，从而实现电压放大。另外还可看出，vo与RCic在数值上相等，而在相位上却相反。由于υi，ib，ic，υRC都是同相位，所以υo和υ的相位相反。这就是共射放大电路输入信号与输出信号之间所具有的倒相作用，如图2-4所示。

演示实验：

用示波器观察图2-4所示的共射放大电路的电压放大与倒相作用。

实验结果表明，通过观察共射放大电路的输入波形和输出波形，可以看到υo比υi大得多，说明共射放大电路具有电压放大作用。还可以看到υo与υi反相，说明共射放大电路具有倒相作用。

交流通路是放大电路中交流通过的路径，为了分析放大电路的动态工作情况，计算放大电路的放大倍数，就应画出放大电路的交流通路。由于对频率较高的交流信号，电容器相当于短路，同时直流电源的内阻一般都很小，所以对交流信号来说，直流电源可以认为是短路的。因此对图2-4所示的放大电路，其交流通路如图2-5所示。

综上所述，放大电路中各点的电位和各支路的电流，都是直流量和交流量的叠加。直流量组成了静态工作点，是放大电路工作的基础；交流量是由输入信号产生的，是放大电路放大的对象。交流量是叠加在直流量上进行放大的。因此静态工作点设置是否合理，将直接影响到放大电路能否正常工作。

课堂练习：

试画出图2-1所示的放大电路带负载时RL的交流通路。

3. 放大电路的非线性失真

如果静态工作点设置不合理，放大电路就不能正常工作，其输出信号将出现失真。这种失真是由于三极管的非线性所造成的，因而称为非线性失真。

（1）截止失真（Cut-off Distortion）：若静态工作点太低，接近截止区，即IB和IC太小，如图2-6所示，输入信号叠加在直流量上后，负半周仍处在发射结的死区或仍使发射结处于反向偏置状态，这样iB，iC，υBE的负半周被削去，反相后υCE和υo的正半周被削去，这种失真是由于动态工作点进入截止区所造成的，故称为截止失真。

演示实验：

用示波器观察图2-6所示电路截止失真现象及分析克服方法。

（2）饱和失真（Cut-off Distortion）：若静态工作点太高，接近饱和区，即IB和IC太大，如图2-7所示，放大后的ic已经超出了三极管饱和时集电极电流，因此使ic未变化到正半周的顶部即被削去，与此相应υRC的正半周也被削去，反相后υCE和υo的负半周被削去，这种失真是由于动态工作点进入饱和区所造成的，故称为饱和失真。

演示实验：

用示波器观察图2-7所示电路饱和失真现象及分析克服方法。

2.1.3 静态工作点的估算

先画出放大电路的直流通路，然后求解直流通路的电流和电压，求出Q点。

【例2.1】 如图2-8所示的放大电路中，试求放大电路的静态工作点对应的IB，IC，VCE的值。

解：先画出图2-8（a）所示的放大电路的直流通路，如图2-8（b）所示。对IB回路应用KVL，得

IBRB+VBE =VCC

则

由于VCC≫VBE，故VBE可忽略，工程上经常采用这种近似估算。而

IC=βIB=50 × 40=2mA

对IC回路应用KVL，得

VCC=ICRC+VCE

所以

VCE =VCC−ICRC=20−2 × 6=8V

因此放大电路的静态工作点Q对应有：IB=40μA，IC=2mA，VCE=8V。

2.1.4 动态交流指标的计算

先画出放大电路的交流通路，进而画出放大电路的微变等效电路；然后根据定义，求得放大倍数、输入电阻、输出电阻。

1. 三极管的微变等效电路

由于三极管是非线性元件，给电路分析计算带来困难。但是如果把非线性电路线性化，就可以应用欧姆定律等有关线性电路的规律来求解。而条件是三极管中的信号变化范围比较小，因此三极管的等效电路称为三极管的微变等效电路。

如图2-9（a）所示，从三极管的输入端看，B和E两极间加信号电压υbe时，就产生一个基极电流ib，从效果上看，B和E间相当于一个等效电阻，即三极管的输入电阻。它的数值一般可用下列近似公式估算：

从三极管的输出端看，三极管具有恒流特性，因此三极管C和E两极间可等效为一个受控电流源，其输出电流为ic=βib。

把输入端和输出端的等效电路合起来，就得到如图2-9（b）所示三极管的微变等效电路。

2．放大器的电压放大倍数

电压放大倍数定义为放大器的输出电压与输入电压之比，如图2-10所示。

估算电压放大倍数的方法是，先画出放大器的交流通路，如图2-11（b）所示。用三极管微变等效电路去替换交流通路中的三极管，画出放大器的微变等效电路如图2-11（c）所示；然后分别写出和的表达式，即

根据定义得

上式中的负号表示共射放大电路和反相，即共射放大电路具有倒相作用。

【例2.2】 如图2-11（a）放大电路中RB=470kΩ，RL=6kΩ，β=50，VBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF。试利用微变等效电路法计算：（1）不接负载时的电压放大倍数；（2）接负载时的电压放大倍数。

解：先画出放大电路的微变等效电路如图2-11（c）所示，由于本例题电路及电路参数和例2.1相同，根据例2.1的计算结果有IB=40μA，IC=2mA，故

不接负载RL时：

接负载RL时：

由本例题可知：由于R' L＜RC，所以＜AV，即放大器接上负载RL后，电压放大倍数会减小，输出电压会下降。

3. 放大器的输入电阻Ri（Input Resistance）

Ri是从放大器的输入端往里看进去的等效电阻。如图2-12所示，如果把一个内阻为RS的信号源υS加到放大器的输入端时，放大器就相当于信号源的一个负载，这个负载就是放大器的输入电阻Ri，由图2-12可知

Ri 越大的放大器，表示其输入回路向信号源所索取电流ii 越小。由图2-12可求得，如果Ri≫RS，则有υi≈υo。即Ri越大的放大器，其输入端电压υi越能较准确地反映信号源电压υS，例如，电子测量仪器为了提高测量精度，要求其输入端的输入电阻越大越好。

【例2.3】 如图2-11（a）所示的放大电路中，RB=470kΩ，RC=6kΩ，RL=6kΩ，β=50，VBE=0.7V，VCC=20V，C1=C2=10μF；试求放大电路的输入电阻Ri。

解：本例题已知条件和例2.2相同，所以rbe=1kΩ，画出放大电路的微变等效电路如图2-11（c）所示，根据定义有

Ri=RB∥rbe=470∥1≈1kΩ

4. 放大器的输出电阻Ro（output resistance）

从放大器的输出端往里看进去，整个放大器可看成是一个等效电阻为Ro、等效电动势为υ'o的电压源，这个等效电阻就是放大器的输出电阻。由图2-12可知

由图2-12可求得

如果Ro≪RL，则有Vo≈，显然，Ro越小，即使负载RL有较大变化，但输出电压变化却很小。也就是说Ro愈小，放大器带负载能力愈强。因此一般情况下，都希望放大器的输出电阻Ro尽量小些。

【例2.4】 计算图2-13（a）所示放大器的输出电阻Ro。

解：先画出放大电路的微变等效电路，如图2-13（b）所示；然后应用戴维南定理，断开负载RL，输入电压源υi短路，则ib=0及ic=βib=0（电流源开路），在输出端外加探察电压υp，根据υp求得探察电流ip，如图2-13（c）所示；由图2-13（c）可知υp=ipRC，则输出电阻为

实际上在本例题中由于υi短路后，ib=0及ic=βib=0，所以从放大器的输出端往里看进去，是一个无源网络，而且就是一个RC，因此可直接写出Ro=RC=6kΩ。

自我检查题

1. 为了保证不失真放大，放大电路必须设置静态工作点。静态工作点是指_____。对NPN管组成的基本共射放大电路，如果静态工作点太低，将会产生失真。应调节RB，使其_____，从而使IB_____，这样可以克服_____失真。如果静态工作点太高，将会产生失真。应调节RB，使其_____，从而使IB_____，这样可以克服_____失真。

2. 放大器的电压放大倍数指_____、输入电阻指_____、输出电阻指_____。放大器的输入电阻越大，则放大器向信号源索取的电流就越_____，放大器的输入电压就越接近于_____。放大器的输出电阻越小，则放大器带负载能力就越_____，放大器的输出电压就越接近于_____。

3. 基本共发射极放大电路的输出电压和输入电压_____，其电压放大倍数为_____，输入电阻近似等于_____，输出电阻近似等于_____。

4. 判断图2-14所示各电路能否进行不失真地放大。

5. 在图2-15所示基本放大电路中，已知VCC=15V，RC=3kΩ，RB=300kΩ，RL=6kΩ，β=60，VBE=0.7V，ICEO=0。试求：（1）画出电路的直流通路，并估算放大电路的静态工作点所对应的IC，IB，VCE的值；（2）画出放大电路的微变等效电路，并估算放大电路的电压放大倍数、输入电阻Ri、输出电阻Ro。