2.3　放大电路的基本分析方法

放大电路的分析内容主要包括两大部分：直流状态分析和交流状态分析。直流状态分析又称静态分析，主要分析放大电路的静态工作点（如IBQ、ICQ、UCEQ等）；交流状态分析又称动态分析，主要分析放大电路的动态参数（如等）。

放大电路的分析方法主要有3种：静态工作点估算法、图解法和微变等效电路分析法。静态工作点估算法主要用来计算放大电路的静态工作点；图解法是分析非线性电路常用的方法，既可进行静态分析，也可进行动态分析；微变等效电路分析法主要用于放大电路的动态分析。下面以简单共发射极放大电路为例介绍放大电路的基本分析方法。

2.3.1　电路组成

简单共发射极放大电路如图2.11所示，它由晶体管、电源、电阻和电容等元器件组成。输入端接低频交流电压信号ui，输出端接负载电阻RL，输出电压为uo。电路中各元件的作用如下：

①集电极电源VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，并保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区。VCC取值一般为几伏到几十伏。

②晶体管T是放大电路的核心元件，利用晶体管在放大区的电流控制作用，即iB=βiC的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。

③集电极电阻RC是晶体管的集电极负载电阻，它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。RC一般为几千欧到几十千欧。

④基极电阻RB，改变RB使晶体管有合适的静态工作点，以保证工作在放大状态。RB一般取几十千欧到几百千欧。

⑤耦合电容C1、C2起隔直流、通交流的作用。在一定的信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容，连接时注意极性（正极接高电位，负极接低电位）。

2.3.2　静态分析

当放大电路中没有输入信号（ui=0）时，晶体管的基极、集电极和发射极中只流过直流电流，这种工作状态叫作静态。静态分析的目的是要确定放大电路的静态值（IBQ、ICQ、UCEQ和UBEQ），这些值分别对应输入和输出特性曲线上的一个点，称为“静态工作点”，并用Q点来表示，习惯上分别用IBQ、ICQ、UCEQ和UBEQ来表示。放大电路的静态工作点Q需要根据晶体管的参数进行设计，如果选择不当，会造成放大电路的非线性失真或无法正常工作。要确定放大电路的静态工作点一般使用估算法和图解法。

1.估算法

根据以前所学知识可知，电容具有隔直流通交流的作用，所以电容对直流如同开路，因此可以画出将各个电容开路后放大电路的等效电路，即直流通路（在直流电源作用下直流电流流经的通路），用来分析放大电路的静态特性。画出图2.11所示放大电路的直流通路，如图2.12所示。

估算法就是分析放大电路的直流通路时，利用数学方程式近似地计算静态工作点Q，根据回路方程和晶体管的电流放大特性可以得到

ICQ=βIBQ　　（2.3.2）

UCEQ=VCC-ICQRC　　（2.3.3）

当晶体管工作在放大状态时，UBEQ可以用估算值，硅管UBEQ取0.7V，锗管取0.3V。当VCC≫UBEQ时，UBEQ可以忽略不计。

但如果放大电路处于饱和状态，基极电流保持不变，集电极-发射极电压为

UCEQ=UCES=0.3V

式中，UCES表示晶体管工作于饱和区时集电极-发射极间的电压，即饱和电压（硅管取0.3V，锗管取0.1V）。

集电极饱和电流为

【例2.2】　在图2.11所示电路中，已知VCC=12V，RC=4kΩ，RB=300kΩ，β=37.5，试求放大电路的静态工作点。

解：由式（2.3.1）～式（2.3.3）可得

ICQ≈βIBQ=37.5×0.04mA=1.5mA

UCEQ=VCC-RCICQ=[12-（4×103）×（1.5×10-3）]V=6V

2.图解法

图解法是以晶体管的输入/输出特性曲线为基础，用作图的方法在特性曲线上分析放大电路，求解放大电路的静态工作点。下面介绍具体的分析过程。

（1）输入回路

根据图2.12所示的放大电路的直流通路，列出输入回路的电压方程

VCC=IBRB+UBE　　（2.3.5）

此方程为一直线方程，在晶体管的输入特性曲线坐标系中可画出一条满足该关系式的直线，称为共射极放大电路输入回路的直流负载线，其斜率为-1/RB。

放大电路的静态工作点除了满足上式以外，还应符合晶体管的输入特性曲线，所以实际的静态工作点值应是直流负载线与输入特性曲线交点坐标所确定的数值。这一交点就是要求解的静态工作点Q，得到的相应的值分别为IBQ、UBEQ，如图2.13（a）所示。

（2）输出回路

输出回路的电压与电流的关系式为

UCE=VCC-RCIC　　（2.3.6）

这也是一个直线方程，在晶体管的输出特性曲线坐标系中可画出一条满足该关系式的直线，称为共射极放大电路输出回路的直流负载线，其斜率为-1/RC。

直流负载线与晶体管的某条（由IB确定）输出特性曲线的交点Q，称为放大电路的静态工作点，由它确定放大电路的电压和电流的静态值分别为ICQ、UCEQ，如图2.13（b）所示。

由以上分析可知估算法非常简单，放大电路的Q点计算一般都用这个方法。而图解法的优点是能够直观地了解静态工作点设置与波形失真的关系，但必须测量并准确画出晶体管的输入/输出特性曲线，作图过程烦琐，误差大。

2.3.3　动态分析

当放大电路输入端有输入信号时，即ui≠0时，晶体管的各个电极的电流和电极间的电压在直流分量的基础上，叠加了交流分量，放大电路处在动态工作状态。放大电路的动态分析是指在静态工作点的值确定之后，分析信号的传输情况，考虑的只是电流和电压的交流分量。微变等效电路法和图解法是动态分析的两种基本方法，下面以图所示共发射极放大电路为例，进行动态分析。

1.交流通路

交流通路是指在输入信号作用下交流信号流经的通路，用于进行动态分析。容量大的电容（如耦合电容C1、C2）可视为短路；直流电源（如VCC）的内阻很小，视为短路，就得到共发射极放大电路的交流通路，如图2.14所示。

2.微变等效电路法

微变等效电路法，主要用于动态分析（计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻）。由于晶体管的输入与输出特性都是非线性的，所以晶体管放大电路是一个非线性电路。但是，如果放大电路的输入和输出电压、电流都比较小，而且使晶体管工作在输入、输出特性曲线的线性区内，那么，对于微变量（小信号）来说，晶体管就可近似看作是一个线性元件，此时，就可以用一个与之等效的线性电路来表示。这样，放大电路的交流通路就可转化为一个等效的线性电路，即微变等效电路，从而方便地运用线性电路的计算方法来分析放大电路的动态特性，那么微变等效电路分析法的关键是如何将非线性的晶体管线性化。其分析方法如下：

（1）晶体管的微变等效电路

在图2.15（a）中，根据晶体管的输入特性，在小信号作用下，将静态工作点Q附近一段曲线当作直线，因此，当uCE为常数时，输入电压的变化量ΔuBE与输入电流的变化量ΔiB成正比，其值用线性电阻rbe表示，即

从晶体管的输入回路结构分析，rbe的数值可以用公式（2.3.8）估算：

式中， 是晶体管的基区体电阻，一般为200～300Ω；IEQ是晶体管发射极静态电流，单位是mA，rbe的值一般为几百欧到几千欧。

当晶体管工作于放大区时，ic的大小只受ib控制，与uce无关。当输入回路电流ib给定时，从晶体管C-E极看去，输出回路可用一个大小为βib的受控电流源等效代替。

综上所述，可画出晶体管的微变等效电路，如图2.15（b）所示。需要注意的是，微变等效电路只适用于晶体管的放大区，在饱和区和截止区不能等效。

（2）放大电路的微变等效电路

用图2.15（b）的等效电路代替图2.14所示交流通路中的晶体管，然后画出放大电路其余部分的交流通路。设C1、C2容量很大，可以看成交流短路，则共发射极放大电路的微变等效电路如图2.16所示。分析此电路可以得到共发射极放大电路的动态特性。

3.图解法

晶体管放大电路的动态参数可利用晶体管特性曲线作图来求解，下面举例说明动态图解法的分析过程。

（1）输入回路

设放大电路输入交流信号电压的变化量为Δui，iB将随输入电压的变化而变化，如图2.17所示。基极电流在随着输入电压的变化而变化时，电路任意时刻的工作点都在Q′和Q″两点之间移动，曲线Q′Q″即为电路的动态工作点瞬时移动的轨迹，通常称为放大电路的动态特性曲线。曲线在横坐标上的投影即为输入电压的动态变化范围。

（2）输出回路

放大电路的主要目的是将微弱的交流信号放大后输出给下一级放大电路或电子设备。在有信号输入时，放大电路的集电极电流不仅要流过RC，而且还要流过RL。可见，对于交流信号来说，集电极的实际负载是集电极电阻与负载电阻的并联，称为放大电路等效交流负载电阻，用表示，即

在前面用图解法分析放大电路静态特性时，可以根据集电极负载电阻RC画出输出回路的直流负载线，其斜率为-1/RC。同理，用图解法分析放大电路动态特性时，也可以根据等效的交流负载电阻画交流负载线，其斜率为。由于电路任意时刻的工作点都在静态工作点Q附近变化，输入信号为零时，uCE、iC值即为UCEQ和ICQ值。可见，交流负载线也必经过Q点。具体画法如下：

①在输出特性曲线上画输出回路直流负载线，并确定静态工作点Q的位置；

②通过Q点画一斜率为的直线，即为交流负载线。

值得注意的是，交流负载线比直流负载线陡峭，这是因为交流负载线的斜率小于直流负载线的斜率-1/RC。若放大电路不接负载（空载）RL时，则其交直流负载相等，此时交流负载线与直流负载线重合。交流负载线如图2.18所示。

由于基极电流随着输入电压的变化而发生正弦规律的变化，工作点在输出特性曲线上沿交流负载线在Q′和Q″两点之间移动，如图2.19所示，曲线Q′Q″即为放大电路的动态特性曲线。曲线在横坐标上的投影即为输出电压的动态变化范围。显然，动态范围越大，输出电压越大。

由图2.19可知，晶体管只有工作在放大区时，才能输出被放大了的不失真的信号。所以，任何放大电路都存在着最大不失真输出电压（最大不失真输出电压是指当电路的静态工作点已确定时，逐渐增大输入信号，晶体管尚未进入截止区和饱和区时，所能获得的最大输出电压）。最大不失真输出电压的大小与Q点位置有关。

（3）非线性失真

对放大电路的基本要求，就是输出信号尽可能不失真。所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形不成比例。引起失真的原因很多，其中最基本的一个就是静态工作点不合适或者信号过大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，这种失真称为非线性失真。

①截止失真：静态工作点Q点位置过低，输入信号较大，晶体管进入截止区工作，造成集电极电流iC的负半周被削平，如图2.20所示，所以也称为底部失真。

②饱和失真：静态工作点Q点位置过高，输入信号较大，晶体管进入饱和区工作，造成集电极电流iC的正半周被削平，如图2.21所示，所以也称为顶部失真。

由此可见，为使放大电路不出现非线性失真，应选择合适的静态工作点Q，一般Q点选在交流负载线中部。但是，如果ui较小，则应适当降低Q点的位置以减少静态损耗。

图解法的特点是直观形象地反映晶体管的工作情况，但是必须实测所用管的特性曲线，而且用图解法进行定量分析时误差较大。此外，晶体管的特性曲线只能反映信号频率较低时的电压和电流关系，而不能反映信号频率较高时，极间电容产生的影响。因此，图解法一般多适用于分析输出幅值比较大而工作频率不太高时的情况。在实际应用中，多用于分析Q点位置、最大不失真输出电压和失真情况等。