2.2 基本放大电路

学习目标：

① 理解共发射极放大电路、分压式偏置放大电路的基本结构和工作原理。

② 掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法。

③ 了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念，能识读放大电路的电路图。

在生产和生活实践活动中，常常需要将微弱的电信号加以放大，以便有效地进行观察、测量和控制，并用以推动执行机构。如，收音机中来自天线的微弱信号被收音机电路放大推动喇叭发声；来自各种探测器的微弱信号经放大后再作处理，使显示器显示有关消息或推动控制设备动作，达到控制的目的等。共发射极连接的交流放大电路是晶体管放大电路的基本形式，通过本节的学习，使学习者对放大电路的组成、各元件的作用、信号放大的工作原理及放大器的性能有一个比较清晰的认识。

2.2.1 共发射极基本放大电路

所谓放大电路，是将微弱的电信号进行放大，以便人们测量、观察和利用，它的本质是实现能量的控制。放大电路需要配置直流电源，用能量较小的输入信号去控制这个电源，使之输出较大的能量来推动负载。这种小能量对大能量的控制作用，就是放大电路的放大作用。根据放大电路连接方式的不同，可分为共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，其中共发射极放大电路应用最广。下面就以共发射极基本放大电路为例，讨论放大电路的电路组成、分析方法以及工作点稳定等问题。

1．共发射极基本放大电路的组成

图2-10所示是一个典型的共发射极基本放大电路。

输入信号 ui（由信号源 us和内阻 Rs串联表示）从基极和发射极间输入，输出信号uO从集电极和发射极之间输出，RL为负载电阻。发射极是输入回路和输出回路的公共端，所以称此放大电路为共发射极放大电路（简称共射电路）。电路中各个元器件的作用如下：

①三极管VT它是放大电路的核心器件，具有放大电流的作用。

② 直流电源 UCCUCC向集电结提供反向偏置电压，使三极管工作在放大区。放大电路放大作用的实质是，用能量较小的输入信号，去控制能量较大的输出信号，但三极管本身不能产生能量，因此电源 UCC就向输出信号提供能量。一般 UCC的电压为几伏到几十伏。

③ 基极电阻 RB其作用是向三极管的基极提供合适的偏置电流，并使发射结正向偏置。选择合理的RB值，就可使三极管有稳定的静态工作点。通常，RB的取值为几十千欧到几百千欧。

④ 集电极负载电阻RC它将集电极电流的变化转换为电压的变化输出，以实现电压放大的作用，一般为几千欧到几十千欧。

⑤ 电容C1和C2电容C1和C2在电路中起“隔直通交”的作用，避免放大电路的输入端和信号源之间、输出端与负载之间直流分量的互相影响。为了减小传递信号的电压损失，C1和C2应足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。用PNP型三极管组成放大电路时，电源的极性和电解电容极性，正好与NPN型电路相反。

2．共发射极放大电路的工作原理

如图2-11所示为共发射极放大电路各电压、电流波形，当输入端没有交流信号输入时，电路各处都是固定不变的直流，此时放大电路的工作状态称为静态。在直流电源的作用下，产生发射极电压UCE、基极电流IB、集电极电流IC，它们的波形如图2-11所示。

由图2-11中波形可知，当输入端加入交流信号时，各点处的电压和电流信号在直流的基础上再叠加一个交流信号，电路中的电压和电流将随着输入的交流信号变化而变化，此时放大电路的工作状态称为动态。交流信号 ui通过C1输入到基极，使基射极电压 UBE随着 ui的加入按其规律变化。这时在集射极间的电压有直流（UBE）和交流（ube）两个分量。若忽略电容C1的电压降，则ube=ui，此时uBE=UBE+ube，uBE的改变引起基极电流iB的变化，iC也随着iB变化。因为集射极间的电压uCE=UCC-iCRC，故iC增加时，uCE就会减小，它们的变化正好相反。当uCE的直流分量被C2隔离，从C2上通过的交流分量，就是输出端上的交流输出电压uO。若忽略C2的电压降，则uO=uCE=-iCRC，uO与ui的相位差为180 °，如果电路的参数选择适当，uO的幅度将比ui大得多，从而达到放大的目的。

通过以上分析，放大电路中既有直流分量，又有交流分量。为了区分将各电压、电流符号规定如下。

（1）直流量：如UBE，UCE，IB，IC，IE；

（2）交流瞬时值：如ui，ube，uce，uO，ib，ic；

（3）交流有效值：如Ube，Uce，Ib，Ic，Ie；

（4）交直流叠加量：如uCE=UCC+uce，uBE=UBE+ube，iB=IB+ib等。

2.2.2 共发射极放大电路的分析

1．静态分析

（1）直流通路估算法

所谓静态是指输入端没有交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的工作状态。静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（IBQ，ICQ和UCEQ）。电源UCC通过RB给三极管VT的发射结加上正向偏置，用UBE表示，产生的基极电流用IBQ表示，集电极电流用ICQ表示，此时的集-射电压用UCEQ表示。放大电路的静态分析一般通过画直流通路来进行（所谓直流通路就是在静态时，电容视为开路，放大电路直流通过的路径），而静态分析主要是为了确定放大电路中的静态工作点。由图2-10所示共发射极放大电路的直流通路如图2-12所示，根据直流通路估算Q点。

由图2-12可知，

UCC=IBQRB+UBE

所以基极电流为

一般地，三极管工作在放大状态下，发射结正向导通压降变化不大，这时通常硅管取UBE=0.7V，锗管UBE=0.2V。

因为UCC≫UBE，所以

集电极电流为

集-射极间电压为

典型例题分析

【例题2-1】在图2-13所示直流通路中，已知 UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，β=37.5，试求放大电路的静态工作点。

解：根据图2-13所示的直流通路，可以得到

ICQ=βIBQ=37.5×0.04=1.5mA

UCEQ=UCC-ICQRC=12-1.5×4=6V

所以，得出该放大电路的静态工作点Q（0.04mA，1.5mA和6V）。

（2）图解法

所谓图解法是在三极管的特性曲线上，用作图的方法来分析放大电路的静态工作点。图解法能直接反映出三极管的工作状态和静态工作点的位置。具体步骤如下：

① 用估算法求出基极电流IBQ（如IBQ=40μA）。

② 根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。

③ 作直流负载线。根据 UCEQ=UCC-ICQRC可以画出一条直线，该直线在Y轴上的截距为，在X轴上的截距为UCC，只跟集电极电阻RC有关，所以称为直流负载线。

④ 求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。静态工作点Q既要在IBQ=40μA的输出特性曲线上，又要满足直流负载线，因而三极管必然工作在它们的交点处，该点就是静态工作点Q。由静态工作点Q在坐标上查得静态值UCEQ和ICQ。静态工作点的图解法如图2-14所示。

2．动态分析

动态是指输入端有交流信号时，电路中的电流、电压随输入信号作相应变化的工作状态。由于动态时放大电路是在直流电源 UCC和交流输入信号 ui共同作用下工作，电路中的电压uCE、电流iB和iC都是由交流分量和直流分量叠加在一起。动态分析主要是确定放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro等。动态分析的方法有微变等效电路法和图解法。微变等效电路法主要是确定放大电路的动态性能指标，图解法则是对放大电路的工作状态与失真情况的分析。

1）微变等效电路法

（1）三极管的微变等效电路

在讨论放大电路的简化微变等效电路之前，需要介绍三极管的简化微变等效电路。对于交流分量来说，三极管可以看成是一个线性元件。所谓放大电路的微变等效电路就是在小信号的条件下，把三极管组成的放大电路等效为一个线性电路。如图2-15所示是三极管的简化微变等效电路。

由图2-15可以看出，三极管的输入回路可以等效为输入电阻rbe。在小信号工作条件下，rbe是一个常数，低频小功率三极管的输入电阻rbe可用下式估算：

式中，IE是三极管发射极电流的静态值，一般可取IE≈ICQ。

三极管的输出回路等效成一个受控恒流源 ic=βib。三极管的输出电阻数值比较大，故在三极管的简化微变等效电路中将它忽略，图2-15中也就没有画出。

（2）放大电路的简化微变等效电路

所谓交流通路是指输入交流信号时，放大电路交流信号流通的路径。由于电路中的电容C1和C2足够大，容抗近似为零（相当于短路），而直流电源UCC去掉，所以交流通路也就是交流电压ui单独作用下的电路。如图2-16（a）所示为放大电路的交流通路。放大电路交流通路中的三极管如用其简化微变等效电路来代替，便可得到如图2-16（b）所示的放大电路的微变等效电路图。

（3）放大电路动态性能指标

① 电压放大倍数Au。

设放大电路的交流输入信号为正弦波，图2-16所示等效电路中的电压和电流用相量表示可得

式（2-13）中，R′L=RC//RL，所以放大电路的电压放大倍数为

式（2-14）中，负号表示输出电压与输入电压相位相反。如果电路的输出端开路，即RL=∞时，则有

由此分析可见，RL越大，电压放大倍数越大；RL越小，电压放大倍数越小。

典型例题分析

【例题2-2】在图2-10所示放大电路中，已知 UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，RL=4kΩ，β=37.5，试求放大电路的电压放大倍数Au。

解：在例2-1中已求出ICQ=βI BQ=1.5mA

由公式（2-11）可求出

则

② 输入电阻Ri。

放大电路的输入电阻Ri是从放大器的输入端看进去的等效电阻，如图2-17所示，即

通常RBrbe，因此Ri≈rbe，rbe一般为几百欧到几千欧，因此共发射极基本放大电路≫的输入电阻Ri也不大。

③ 输出电阻Ro

对于负载而言，放大电路相当于一个电压源，其中Ro表示放大电路的输出电阻，如图2-18所示。将输入信号源us短路和输出负载开路，从输出端外加测试电压uT，产生相应的测试电流iT，则输出电阻为

而

故

一般来说，希望放大电路的输入电阻高一些，这样可以避免输入信号过多地衰减；对于放大电路的输出电阻来说，则希望越小越好，以提高电路的带负载能力。通常电阻RC为几千欧，因此共发射极基本放大电路的输出电阻较高。

2）图解法

放大电路动态图解分析法是在输入信号作用时，利用三极管的特性曲线，来分析各电压和电流交流分量间的变化情况及相互关系。

（1）交流负载线

交流负载线是反映输出回路中的电流iC和电压 uCE的关系曲线，对交流输入信号来说，耦合电容C2可视为短路，而此时RL与RC并联（即R′L=RC//RL），集电极的交流输出电压uCE=uO=-iCR′L，因此，交流负载线可由一条斜率为的直线来描述iC和uCE间的线性关系。

当输入端有交流信号进入时，此时交、直流共存在同一电路之中，所以动态分析是在静态分析的基础上进行的，交流负载线必定通过静态工作点Q。交流负载线可以通过求出集电极输出电压uCE=UCEQ+ICQR′L，再与静态工作点Q相连作直线即可得到。

放大电路的动态图解如图2-19所示，当基极电流ib随输入的正弦交流电压变化时，使得ib相对应的ic与uce的波形也随之作正弦变化。静态工作点Q也沿着交流负载线在Q'到 Q"间移动。当负载开路时（即 RL→∞），交流负载线与直流负载线重合。输出电压uO=uCE-UCEQ，因为输出电压 uO的幅度比输入电压 ui要大很多，说明输入的电压 ui被线性放大了，且uO与ui的相位相反。

（2）非线性失真

在放大电路中，当三极管的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系，输出信号波形的形状不能重现输入信号波形形状，这样产生的失真称为非线性失真。对一个放大电路来说，希望输出波形的失真尽可能小。如果静态工作点设置不合适，会对放大电路的性能造成影响，使输出波形产生非线性失真。

① 饱和失真。

当静态工作点Q设置偏高，接近饱和区时，如图2-20所示特性曲线中的Q1点，ic的正半周和uce的负半周都出现了平顶畸变。这种由于三极管饱和引起的失真，称为“饱和失真”。为了消除饱和失真，需要减小基极电流IB，使静态工作点下移。

② 截止失真。

当静态工作点Q设置偏低，接近截止区时，如图2-20所示特性曲线中的Q2点，使得ic的负半周和uce的正半周出现平顶畸变，这种由于三极管截止引起的失真称为“截止失真”。若要消除截止失真，必须增大基极电流IB，使静态工作点上移。

为了防止失真，必须选择一个合适的静态工作点 Q。—般情况下选在交流负载线的中间位置，可以获得最大的不失真输出，使放大电路得到最大的动态工作范围。因此，输入信号的幅值不能太大，才能确保放大电路工作在线性区。

2.2.3 分压式偏置放大电路

放大电路的静态工作点是放大电路放大性能体现的关键，为了确保放大电路正常工作，所以要选择合适的静态工作点。而引起放大电路静态工作点不稳定有两个原因：一是环境温度的影响；二是三极管参数的变化。其中，温度的变化是引起静态工作点不稳定的主要因素。在固定偏置放大电路中（如图2-10所示共发射极基本放大电路），当温度升高时，三极管的ICEO和β增大、UBE减小，而这三个参数的变化都会导致集电极电流IC增大，若 RC和UCC一定时，UCE随着温度升高而减小，故放大电路容易产生饱和失真。当温度降低时，则易产生截止失真。

1．分压式偏置电路的组成

由于固定偏置电路中，当温度变化时，静态工作点不稳定。为了保证集电极电流IC稳定不变，通常采用分压式偏置放大电路，如图2-21所示。从电路的组成来看，三极管的基极连接有两个偏置电阻：上偏电阻 RB1和下偏电阻 RB2，发射极支路串接了电阻 RE（称为射极电阻）和旁路电容CE（称为射极旁路电容）。

2．分压式偏置电路的静态分析

分压式偏置放大电路的直流通路如图2-22所示，一般情况下，此电路满足以下两个条件。

① I1≈I2≫IBQ，则

由式（2-18）可知，UB与三极管的参数无关，不受温度影响。

②UB≫UBE（一般情况下，UB=(5～10)UBE），则

UE=IEQRE

UBE=UB-UE=UB-IEQRE

所以

由式（2-19）可知，ICQ也不受温度影响。

通过以上分析，分压式偏置电路静态工作点稳定的变化过程为：

温度上升→ICQ↑→IEQ↑ U→ E(UE=IER)E↑→UBE(UBE=UB-UE)↓→IBQ↓→ICQ(ICQ=βIBQ)↓

因此，只要满足I2≫IBQ和UB≫UBE两个条件，UB和IEQ或ICQ就与三极管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，从而静态工作点能得以基本稳定。

典型例题分析

【例题2-3】在如图2-21所示的分压式偏置放大电路中，已知 UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=2kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50，UBE=0.6V。试求：

（1）静态值IBQ、ICQ和UCEQ。

（2）放大电路的电压放大倍数Au，输入电阻Ri和输出电阻RO。

解：（1）根据图2-22所示的直流电路，用估算法计算静态工作点。

基极电位为

集电极电流为

基极电流为

集-射极电压为

UCEQ=UCC-ICQ(RC+RE)=12-1.7×(2+2)=5.2V

（2）图2-21所示放大电路的微变等效电路图如图2-23所示。

三极管的输入电阻为

电压放大倍数为

输入电阻为

Ri=RB1//RB2//rbe=20//10//1.08=0.93kΩ

输出电阻为

RO=RC=3kΩ

2.2.4 实训项目：分压式偏置放大电路安装与调试

1．技能目标

① 掌握晶体三极管放大电路静态工作点的测试方法。

② 掌握低频信号发生器的使用方法。

③ 能用示波器测量放大电路的输入、输出波形。

2．工具、元件和仪器

① 万用表、低频信号发生器、示波器。

② 三极管、电阻、电容等。

③ 电烙铁等常用电子装配工具。

3．相关知识

EE1641B型函数信号发生器/计数器是一种精密的测试仪器，具有可提供连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号等多种输出信号和外部测频功能，在模拟电路及数字电路中提供输入信号。EE1641B型函数信号发生器/计数器面板如图2-24所示。

部分功能及使用方法如下。

①—电源开关：此按键按下时，机内电源接通，整机工作。此键释放为关机。

②—函数输出波形选择旋钮：可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。

③—函数信号输出端：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度分别为20Vp-p （1MΩ负载）和10Vp-p（50Ω负载）。

④—TTL信号输出端：输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600Ω。

⑤—外部输入插座：当“扫描/计数键”功能选择在外扫描计数状态时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。

⑥—频率显示窗口：显示输出信号的频率或外测频信号的频率。

⑦—幅度显示窗口：显示函数输出信号的幅度。

⑧—频率范围粗选择旋钮：调节此旋钮可粗调输出频率的范围。

⑨—频率范围细选择旋钮：调节此旋钮可精细调节输出频率。

⑩—输出波形，对称性调节旋钮：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在“OFF”位置时，则输出对称信号。

⑪—函数信号输出直流电平预置调节旋钮：调节范围为-5～+5V（50Ω负载），当电位器处在“OFF”位置时，则为0电平。

⑫—函数信号输出幅度调节旋钮：信号输出幅度调节范围20dB。

⑬—函数信号输出幅度衰减开关：“20dB”和“40dB”键均不按下，输出信号不经衰减，直接输出到插座口。“20dB”和“40dB”键分别按下，则可选择20dB或40dB衰减。

⑭—“扫描/计数”按钮：可选择多种扫描方式和外测频方式。

⑮—扫描宽度调节旋钮：调节此旋钮可以改变内扫描的时间长短。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰低通开关进入测量系统。

⑯—速率调节旋钮：调节此旋钮可调节扫频输出的频率宽度。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。

4．技能训练

1）电路原理图

分压式偏置放大电路原理图如图2-25所示。

2）装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元器件预加工→万能电路板装配、焊接→总装加工→自检。

具体操作过程详见1.2.3实训项目，图2-26为分压式偏置放大电路装配草图。

3）调试、测量

（1）静态工作点测量

调节RP1（100kΩ电位器），使静态工作点选在交流负载线的中点，测量所得数据填入表2-5中。

（2）动态指标测量

从信号发生器输入f=1kHz的正弦信号，使Ui=1V有效值，用示波器的通道1观察Ui，通道2观察UO的波形。在表2-6中画出Ui和UO的波形，比较它们的相位关系和幅值大小。

4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表2-7所列考核评价表。