2.2 放大电路的基本概念

放大电路（也称放大器）是一种应用极为广泛的电子电路。在电视、广播、通信、测量仪表以及其他各种电子设备中，是必不可少的重要组成部分。它的主要功能是将微弱的电信号（电压、电流、功率）进行放大，以满足人们的实际需要。例如扩音机就是应用放大电路的一个典型例子，其原理框图如图2-9所示。

当人们对着话筒讲话时，声音信号经过话筒（传感器）被转变成微弱的电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，才能驱动喇叭使其发出比原来大得多的声音。放大电路放大的实质是能量的控制和转换。在输入信号作用下，放大电路将直流电源所提供的能量转换成负载（例如喇叭）所获得的能量，这个能量大于信号源所提供的能量。因此放大电路的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流信号，也可能兼而有之。那么，由谁来控制能量转换呢？答案是有源器件，即晶体管和场效应晶体管等等。

2.2.1 基本放大电路的组成和工作原理

1.基本放大电路的组成

所谓基本放大电路是指由一个放大器件（例如晶体管）所构成的简单放大电路。由前面的分析可知，晶体管有三个电极，因此有三种不同的电路组态。下面以应用最广泛的共射电路为例，说明其组成原则和工作原理。

图2-10所示电路中，AO为放大电路的输入端，外接需要放大的信号u_i；BO为放大电路的输出端，外接负载，发射极是放大电路输入和输出的公共端，所以该电路是共射基本放大电路。

图中NPN型晶体管VT是放大电路的核心元件，起放大作用。基极直流电源U_BB、基极偏置电阻R_b和晶体管发射结共同构成基极回路，使发射结处于正向偏置，同时U_BB通过R_b给基极提供一个合适的基极电流I_B；集电极直流电源U_CC、集电极电阻R_c和晶体管集电极—发射极共同构成集电极回路，使集电结处于反向偏置。其中U_CC是为输出信号提供能量的，R_c的作用是将集电极电流的变化转换为集电极电压的变化；C₁、C₂称为耦合电容，其作用是隔直流、通交流，通常选用体积小、容量大的电解电容，数值为几微法或几十微法。使用时注意电解电容的极性不能接错。

在放大电路中，常把输入电压、输出电压以及直流电压的公共端称为“地”，用符号“⊥”表示，实际上该端并不是真正接到大地，而是在分析放大电路时，以“地”点作为零电位点（即参考电位点），这样，电路中任一点的电位就是该点与“地”之间的电压。

2.工作原理

假设电路中的参数和晶体管的特性能保证晶体管工作在放大区。

当输入信号为零时，放大电路中只有直流信号，放大电路的输入端AO等效为短路。这时，C₁与发射结并联，C₁两端的直流电压U_C1=U_BE，极性为左负右正。同理，C₂两端的电压U_C2=U_CE，极性为左正右负。

当输入信号加入放大电路时，输入的交流电压u_i通过电容C₁加在晶体管的发射结。设交流电压为u_i=U_imsinωt,那么此时发射结上的瞬时电压u_BE为u_BE=U_C1+u_i=U_BE+U_imsinωt，该式表明晶体管发射结上的电压是直流电压和交流电压的叠加。

在u_BE的作用下，基极电流i_B=I_B+i_b=I_B+I_bmsinωt,由于晶体管集电极电流i_C受基极电流i_B的控制，根据i_C=βi_B，则有i_C=βI_B+βI_bmsinωt=I_C+I_cmsinωt,其中I_cmsinωt是被放大了的集电极交流电流i_c，从图2-10可以看到集电极和发射极之间的电压u_CE为u_CE=U_CC-i_CR_c。当输入信号u_i增大时，交流电流i_c增大，R_c上的电压增大，于是u_CE减小；当u_i减小时，i_c减小，R_c上的电压随之减小，故u_CE增大。可见u_CE的变化正好与i_C的变化方向相反，因此u_CE是在直流电压U_CE基础上叠加一个与u_i变化相反的交流电压u_ce，即u_CE=U_CE+u_ce=U_CE-U_cemsinωt。瞬时电压u_CE中的交流分量经电容C₂耦合到放大电路的输出端，于是在输出端得到一个被放大了的交流电压u_o，该电压为u_o=u_ce=-U_cemsinωt。

通过上述分析可知，晶体管的放大是对输入信号的变化量进行放大，即在输入端加一微小的变化量，通过基极电流对集电极电流的控制作用，在输出端得到一个被放大了的变化量，放大部分的能量由直流电源提供。上述晶体管各电极的电压、电流波形如图2-10所示。

2.2.2 放大电路的性能指标

任何一个放大电路都可以看成一个二端网络。图2-11为放大电路示意图，左边为输入端口，外接正弦信号源，R_s为信号源的内阻，在外加信号的作用下，放大电路得到输入电压，同时产生输入电流；右边为输出端口，外接负载R_L，在输出端可得到输出电压和输出电流。

为了衡量放大电路的性能优劣，常用如下指标。

1.放大倍数

放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标。

电压放大倍数是输出电压的变化量和输入电压的变化量之比。当放大电路的输入为正弦信号时，变化量也可用电压的正弦量来表示，即

电流放大倍数是输出电流的变化量和输入电流的变化量之比，用正弦量表示为

互阻放大倍数是输出电压的变化量和输入电流的变化量之比，用正弦量表示为

其量纲为电阻。

互导放大倍数是输出电流的变化量和输入电压的变化量之比，用正弦量表示为

其量纲为电导。

本章主要讨论电压放大倍数，上述表达式只有在信号不失真的情况下才有意义。当输入信号为缓慢变化量或直流变化量时，输入电压和输出电压用Δu_I和Δu_O表示，输入电流和输出电流用Δi_I和Δi_O表示，则A_u=Δu_O/Δu_I，A_i=Δi_O/Δi_I，A_iu=Δi_O/Δu_I，A_ui=Δu_O/Δi_I。

2.输入电阻

放大电路的输入端外接信号源，对信号源来说放大电路就是它的负载。这个负载的大小就是从放大电路输入端看进去的等效电阻，即放大电路的输入电阻R_i。通常定义输入电阻R_i为正弦输入电压与相应的输入电流之比，即

R_i越大，则放大电路输入端从信号源分得的电压越大，输入电压越接近于信号源电压，信号源电压损失小；R_i越小，则放大电路输入端从信号源分得的电压越小，信号源内阻消耗的能量大，信号源电压损失大，所以希望输入电阻越大越好。

3.输出电阻

放大电路的输出端电压在带负载时和空载时是不同的，带负载时的输出电压比空载时的输出电压有所降低，这是因为从输出端看放大电路，它可以等效为一个带有内阻的电压源，在输出端接有负载时，内阻上的分压使输出电压降低，这个内阻称为输出电阻R_o，它是从放大电路输出端看进去的等效电阻。通常定义输出电阻R_o是在信号源短路（即=0，R_S保留）、负载开路的条件下，放大电路的输出端外加电压与相应产生的电流的比值，即

在实际工作中，也可根据放大电路空载时测得的输出电压和带负载时测得的输出电压来得到，即

输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一项指标，输出电阻越小，表明带负载能力越强。

4.通频带

由于放大电路中存在半导体器件的极间电容及电路中接入的一些电抗性元件，当输入信号频率过高或过低时，放大倍数都会下降，如图2-12所示。图中为中频放大倍数。

当放大倍数从下降到（即）时，在高频段和低频段所对应的频率分别称为上限截止频率f_H和下限截止频率f_L。f_H和f_L之间形成的频带宽度称为通频带，记为BW。

通频带越宽表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。但是通频带宽度也不是越宽越好，超出信号所需要的宽度，一是增加成本，二是把信号以外的干扰和噪声信号一起放大，显然是无益的。所以应根据信号的频带宽度来要求放大电路应有的通频带。

5.非线性失真系数

由于放大器件具有非线性特性，因此它们的线性放大范围有一定的限度，超过这个限度，将会产生非线性失真。当输入单一频率的正弦信号时，输出波形中除基波成分外，还含有一定数量的谐波，所有的谐波成分总量与基波成分之比，称为非线性失真系数D。设基波幅值为A₁、二次谐波幅值为A₂、三次谐波幅值为A₃……，则

6.最大不失真输出电压

最大不失真输出电压是指在输出波形不失真的情况下，放大电路可提供给负载的最大输出电压，一般用有效值U_om表示。

7.最大输出功率和效率

最大输出功率是指在输出信号不失真的情况下，负载上能获得的最大功率，记为P_om。

在放大电路中，输入信号的功率通常较小，经放大电路放大器件的控制作用将直流电源的功率转换为交流功率，使负载上得到较大的输出功率。通常将最大输出功率P_om与直流电源消耗的功率P_V之比称为效率η，即

它反映了直流电源的利用率。

2.2.3 直流通路和交流通路

由放大电路的工作原理可知，放大电路工作在放大状态时，电路中交直流信号是并存的。为了便于分析，常将交流信号和直流信号分开研究。这样就需要根据电路的具体情况，正确地画出直流通路和交流通路。所谓直流通路是指在直流电源作用下，直流电流所流经的路径。画直流通路的原则是电容视为开路、电感视为短路。所谓交流通路是指在输入信号作用下，交流电流所流经的路径。画交流通路的原则是容量大的电容视为短路（如耦合电容），直流电压源（忽略其内阻）视为短路。

现以单管共射放大电路为例，画出直流通路和交流通路。

在图2-10中，由于U_BB和U_CC的负端连在一起，为了方便起见，只用一个电源即可。方法是省去基极直流电源U_BB，适当调整基极电阻R_b数值，将其接到集电极直流电源U_CC的正端，同样可保证发射结正偏。直流电源U_CC的电池符号可以不画，只标出它对“地”的电压大小和极性，其正端接集电极电阻R_c，以保证集电结反偏。如此按习惯画法画出外接信号源和负载的单管共射放大电路如图2-13a所示。

根据上述画直流通路和交流通路的原则可得到图2-13a的直流通路和交流通路如图2-13b和c所示。

2.2.4 静态工作点的设置

当外加输入信号为零时，放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。此时，在直流电源U_CC的作用下，晶体管的各电极都存在直流电流和直流电压，这些直流电流和直流电压在晶体管的输入和输出特性曲线上各自对应一点Q，该点称为静态工作点。静态工作点处的基极电流和基极—发射极之间的电压分别用I_BQ和U_BEQ表示，集电极电流和集电极—发射极之间的电压分别用I_CQ和U_CEQ表示。

由图2-13b的直流通路可求得静态基极电流为

由晶体管的输入特性可知，U_BEQ的变化范围很小，可近似认为硅管的U_BEQ=（0.6~0.8）V，锗管的U_BEQ=（0.1~0.3）V。

已知晶体管的集电极电流与基极电流之间的关系为I_C≈，β≈，则集电极电流为

由图2-13b的集电极回路可得

放大电路必须设置静态工作点。这是为什么呢？如果不设置静态工作点会产生什么后果呢？

假设图2-13a是不设静态工作点的放大电路，即将基极电阻R_b去掉，当输入端加入正弦交流电压信号时，由于晶体管的发射结的单向导电作用，在输入信号的负半周发射结反向偏置，晶体管截止，基极电流和集电极电流均为零，输出端没有输出。在输入信号的正半周，由于输入特性存在导通电压且在起始处弯曲，使基极电流不能马上按比例地随输入电压的大小而变化，导致输出信号失真。所以放大电路中必须设置静态工作点，即在没有输入信号时，就预先给晶体管一个基极直流电流，使晶体管发射结有一个正向偏置电压，当加入交流信号后，交流电压叠加在直流电压上，共同作用于发射结，如果基极电流选择适当，可保证加在发射结上的电压始终为正，晶体管一直工作在线性放大状态，不会使输出波形失真。此外，静态工作点的设置不仅会影响放大电路是否会产生失真，还会影响放大电路的性能指标，如放大倍数、最大输出电压等，这些将在后面几节加以说明。