2-单级交流放大电路【电子技术】

晶体管的主要用途之一是利用其放大作用组成放大电路。放大电路的功能是把微弱的电信号放大成较强的电信号，放大电路的应用十分广泛，是电子设备中最普遍的一种基本单元。

1. 放大电路的组成和工作原理

晶体管构成的放大电路按照连接方式可分为共发射极放大电路、共集电极放大电路、共基极放大电路。共发射极放大电流运用的最为广泛。以此来进行分析

1. 共发射极基本放大电流的组成

电路中各元件的作用如下:

(1) 晶体管：是放大电路的核心，起电流放大作用。

(2）集电极电源:使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流和。一般在几伏到十几伏之间。

(3) 集电极负载电阻。主要是将集电极电流的变化转换为电压的变化，以实现电压放大。

(4）基极偏置电阻。提供适当的基极偏置电流，使发射结正向偏置，并具有合适的静态工作点。

(5）耦合电容、。它们起隔直流、通交流的作用。

用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，用来隔断放大电路与负载之间的直流通路，使三者之间无直流联系，互不影响。

由于、的值通常取得较大，所以交流信号在其上的压降很小，即对于交流信号而言，、可视作短路。这就保证交流信号在信号源、放大电路和负载三者之间能顺利地传递。、的值一般为几微法到几十微法，通常采用电解电容器，使用时要注意其极性。

2. 共发射极基本放大电路的工作原理

【工作原理】

如果放大电路输入端有一个微小的输入电压，

经电容传送到晶体管的基极，使基极与发射极之间的电压也将随之发生变化，产生变化量△。由晶体管的输入特性曲线可知，将引起基极电流产生相应的变化量△。

此时晶体管工作在放大区，根据晶体管的输出特性曲线，基极电流的变化将引起集电极电流发生更大的变化，即△。

这个集电极电流的变化量流过集电极负载电阻和负载电阻时，将引起集电极与发射极之间的电压也发生相应的变化。由图2.1可知，当增大时，上的电压降也增大，而上的电压与之和等于，且这个集电极直流电源是恒定不变的，所以的变化恰与相反，即将相应减小。

的变化量△经电容传送到输出端成为输出电压。如果电路的参数选择适当，的幅度将比大得多，从而达到放大的目的。

【设计放大电路的基本准则】

1. 外加直流电源的极性必须使晶体管的发射结正向偏置,集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大区，保证。

2. 输入回路的接法，应该使输入电压的变化量能够传送到晶体管的基极回路，并根据晶体管的输入特性曲线，输入电压的变化量能使基极电流产生相应的变化量。

3. 输出回路的接法，应该使集电极电流的变化量能够转化为集电极电压的变化量△，并传送到放大电路的输出端。

4. 为了保证放大电路能够正常工作，在电路没有外加信号时，不仅必须要使晶体管处于放大状态，而且要有一个合适的静态工作电压和静态工作电流，即要合理地设置放大电路的静态工作点。

2. 放大电路的静态分析

静态分析是指放大电路没有信号输入（）时的工作状态；动态分析是指放大电路有信号输入（）时的工作状态。

静态分析的目的是确定放大电路的静态值、、和，通常将上述数值称为静态工作点。动态分析的目的是确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻,和输出电阻等。

1. 放大电路静态分析-估算法

估算(硅管)可忽略不计——估算法的核心。

2. 放大电路静态分析-图解法

根据晶体管的输出特性曲线，用作图的方法求静态值称为图解法。设晶体管的输出特性曲线如图2.3所示。图解步骤如下:

(1）用估算法求出基极电流（如40uA)。

(2）根据在输出特性曲线中找到对应的曲线。

(3）作直流负载线。根据集电极电流与集、射间电压的关系式: 可以画出一条直线，只与集电极负载电阻Rc有关，称为直流负载线。

(4）找到两条曲线的交点，求静态工作点Q，并确定和的值。

【两个方程，两个未知数联立求解。估算法中是假设一直放大倍数，图解法中是根据找到两条曲线的交点】

3. 放大电路的动态分析

动态时放大电路在直流电源和交流输入信号共同作用下工作，电路中的电压、电流和 均包含两个分量，即: \ \

其中、和是在电源单独作用下产生的电流、电压，实际上就是放大电路的静态值，称为直流分量。而、和是在输入信号单独作用下产生的电流、电压，称为交流分量。

动态分析就是在静态值确定以后分析交流信号的传输情况，主要是确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻,和输出电阻等。

动态分析需要用放大电路的交流通路(单独作用下的电路)。放大电路的交流通路是用来表示交流分量传递路径的。以如图2.1所示的放大电路为例，画出其交流通路的原则是:耦合电容、足够大，容抗近似为零，可视作短路;直流电源的内阻很小，可以忽略不计，即对于交流信号来说，直流电源可视作短路。据此可以画出放大电路的交流通路，如图2.4所示。

1. 放大电路的动态分析-图解法

动态分析的方法有图解法和微变等效电路法。

图解法是利用晶体管的特性曲线通过作图的方法分析放大电路的动态工作情况。图解法可以形象直观地看出信号的传递过程、各个电压与电流在输入信号作用下的变化情况和放大电路的工作范围等。

【图解分析过程】

设输入信号，图解分析步骤如下:

(1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q(、和)，见图2.5的点。

(2）根据在输入特性上求和 。为正弦量时，为:

其波形如图2.5 (a)中的曲线①所示。

在的作用下，工作点Q在输入特性曲线的线性段和之间移动，由此可以作出基极电流的波形，它也是由直流分量和交流分量叠加而成的，即:

其波形如图2.5 (a)中的曲线②所示。

(3）作交流负载线。在作用下的交流通路中，负载电阻与并联（见图2.4)。由交流负载电阻决定的负载线称为交流负载线。仅考虑交流负载特性时，由于在时晶体管必定工作在静态工作点Q，又因为(负载电阻RL短路时取等号)因而交流负载线是一条通过静态工作点Q、斜率为且比直流负载线更陡一些的直线，如图2.5 (b）所示。

(4）由输出特性曲线和交流负载线求和 。在 的作用下，工作点Q在输出特性曲线的线性段和之间移动。由 的波形作出的波形，如图2.5 (b）中的曲线③所示。也是由直流分量和交流分量。叠加而成的，即:

可见、、与同相，、与反相，根本原因是：流向是从地流向三极管。

放大电路的电压放大倍数：

【静态工作点对输出波形的影响】

截止失真-静态工作点过低

饱和失真-静态工作点过高

2. 放大电路的动态分析-微变等效电路法

图解法分析简单直观，但是不够精确，定量分析需要采用微变等效电路法，微变等效电路是将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，然后用线性电路的分析方法来分析。

等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作，这样即可使用直线段近似代替晶体管的特征曲线。

【晶体管的微变等效电路】

根据三极管输入特性曲线，在静态工作点附近近似为一个直线段，则输入电阻可认为是一个常值电阻:

对于低功率三极管其输入电阻可用下式进行估算：

是基区体电阻，常取为300欧姆，是发射极电流的静态值。

三极管输出端等效为恒流源，且有

【放大电路的微变等效电路】

对于放大电路其主要的性能指标为:电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

1. 电压放大倍数又叫做电压增益，用表示，即:

由图2.10可得:

式中，称为放大电流的交流负载电阻，结合上式可知共发射极放大电路的放大倍数为：

负号代表输入电压与输出电压反相。

若放大电路的输出端开路（未接负载电阻RL)，则电压放大倍数为:

由于，所以接入RL后电压放大倍数下降了。可见放大电路的负载电阻RL越小，电压放大倍数就越低。

2. 输入电阻。输入电阻是从信号源两端向放大电路输入端看进去的等效电阻。对于内阻为Rs的信号源来说，放大电路就相当于一个负载，它的等效电阻就是放大电路的输入电阻，即：

可见输入电阻是一个动态电阻（因为虽在微变电路中假设是恒定的，但是在不同工作场景中，受到温度、直流电压的影响是不相同的），它的大小对于放大电路有如下影响：

• 越小，放大电路从信号源取用的电流就越大，信号源的负担越重；

• 越小，经过信号源内阻Rs和输入电阻的分压，实际加到放大电路的输入电压Ui越小，从而使得输出电压Uo越小；

• 一般使用多级放大电路，后一级放大电路的输入电阻是前一级放大电路的负载电阻RL，因此越小，前一级的放大电路的电压放大倍数越小。

因此，通常希望放大电路的输入电阻高一些。

3. 输出电阻。输出电阻是从负载两端向放大电路的输出端看进去的等效电阻。对于负载来说，放大电路相当于一个有内阻的信号源，该信号源的内阻定义为放大电路的输出电阻。

输出电阻的计算方法是:首先把信号源短路，负载电阻RL开路，然后在输出端外加一交流电压，计算它所产生的电流，如图2.11所示，

、、则输出电阻为:

输出电阻也是一个动态电阻，它对电路的影响是：越小，带负载后输出电压的下降越小，即放大电路的带负载能力越强。

4. 静态工作点的稳定

1. 温度对静态工作点的影响

前文所介绍的共发射极基本放大电路的在直流电压源和电阻固定之后，回路电流基本不会在发生变动，因此被称为固定偏置放大电路。通过调整则可获取一个合适的静态工作点Q。

固定偏置放大电路虽然简单且容易调整，但静态工作点Q极易受温度等因素的影响而上下移动，造成输出动态范围减小或出现非线性失真。

三极管是一种对温度比较敏感的元件，几乎所有参数都与温度有关。例如，温度每升高1℃，发射结正向压降约减小2mV~2.5mV，电流放大系数β约增大0.5%~2%;温度每升高10℃，反向饱和电流约增加一倍等。所有这些影响都使集电极静态电流随温度升高而增大。但基极静态电流受温度影响较小，可认为基本保持不变。从而导致整个输出特性曲线向上平移，静态工作点相应上移，如图2.12中的虚线所示。

如基极静态电流为，则温度升高时，静态工作点将会从Q点上移到Q'点，使工作范围从Q1Q2移动到Q1'Q2'，进入饱和区，对放大电路的工作显然会有影响。相反，温度下降静态工作点会下移。可见，这种放大电路的静态工作点是不稳定的，温度的变化会导致静态工作点进入饱和区或截止区。

综上所述，在实用的放大电路中必须稳定工作点，以保证尽可能大的输出动态范围和避免非线性失真。

2. 静态工作点稳定的放大电路

如图2.13 (a）所示就是能稳定静态工作点的共发射极放大电路，这是由和组成的分压式偏置电路，故称为分压式偏置放大电路。这种电路可以根据温度的变化自动调节基极电流，以削弱温度对集电极电流的影响，使静态工作点基本稳定。

如图2.13(b)所示为图2.13(a)所示电路的直流通路。由图2.13(b)可得:

适当选择电阻和 的值，使之满足则 ，即基极电流与或相比可以忽略不计，电阻和相当于串联，根据分压公式，得三极管基极电位的静态值为：

这样可以使得不受温度影响，又有关系：

如果在设计电路时满足则有：

这样就可以认为不受温度影响，基本稳定。

因此只要电路满足：，则能使不受温度影响而变化，能使得静态工作点基本稳定。

实际设计电路时，不能取得太大，否则和就要取得较小。这不但要增加功率损耗，而且会使放大电路的输入电阻减小，从信号源取用较大的电流，使信号源的内阻压降增加，加在放大电路输入端的电压减小。

分压式偏置电路稳定静态工作点的过程如下：

调节过程显然与有关，越大，调节效果越显著。但的存在，同样会对变化的交流信号产生影响，使电压放大倍数下降。若用电容与并联，对直流（静态值)无影响，但对交流信号而言，只要的容量足够大(一般几十微法到几百微法)，容抗就很小，被短路，发射极相当于接地，便可消除对交流信号的影响。称为发射极交流旁路电容。

对于分压式偏置放大电路进行电路分析：

静态分析：

动态分析：

5. 射极输出器

射极输出器又叫射极跟随器，电路如图2.17(a）所示。在电路结构上射极输出器与共发射极放大电路不同，负载接在发射极上，输出电压从发射极取出，而集电极直接接电源Ucc。对交流信号而言，集电极相当于接地，成为输入、输出电路的公共端，因此这是一种共集电极放大电路。前面已讨论过，在发射极回路中接入电阻可以稳定集电极静态电流，因此，射极输出器的静态工作点是稳定的。

1. 静态分析

射极跟随器的直流通路如图2.17(b)所示，由图可得:

所以，基极电流的静态值为:

集电极电流的静态值为:

集电极与发射极之间电压的静态值为:

2. 动态分析

放大倍数：

如图2.18所示是图2.17( a)所示射极输出器的交流通路和微变等效电路。由图2.18 (b）所示的微变等效电路可得:

式中。电压放大倍数为:

由上式可知:

(1）一般，故射极输出器的电压放大倍数接近于1，但略小于1。值得注意的是，尽管射极输出器没有电压放大作用，但是因为，所以仍具有一定的电流放大作用和功率放大作用。

(2）输出电压与输入电压同相，输出信号跟随输入信号变化，因而它又称为射极跟随器或电压跟随器。

输入电阻：

对于回路存在电压电流关系：

则该回路的等效电阻为

所以输入电阻为：

输出电阻：

将图2.18(b）电路中的信号源U,短接，断开负载电阻R，在输出端外加一交流电压U。，产生电流i。，如图2.19所示，由图可得:

所以输出电阻为:

式中,通常有所以

由于β值一般都较大，因此，射极输出器的输出电阻很低，远远小于共发射极放大电路的输出电阻（Rc)，所以它具有恒压输出特性。

综上所述，射极输出器的主要特点是电压放大倍数接近于1，输入电阻高，输出电阻低。

射极输出器的应用十分广泛。由于它的输入电阻高，常被用作多级放大电路的输入级，可以提高放大电路的输入电阻，减少信号源的负担;利用它的输出电阻低的特点，常用它作为输出级，可以提高放大电路带负载的能力;利用它的输入电阻高、输出电阻低的特点，把它作为中间级，起阻抗变换作用，使前后级共发射极放大电路阻抗匹配，实现信号的最大功率传输。

6. 场效应晶体管放大电路

由于场效应管具有很高的输入电阻，适用于对高内阻信号源的放大，通常用在多级放大电路的输入级。

与双极型晶体管相比，场效应管的源极、漏极和栅极分别相当于双极型晶体管的发射极、集电极和基极。两者的放大电路也相似。双极型晶体管放大电路是用ib控制ic，当Ucc和Rc确定后，其静态工作点由IB决定。场效应管放大电路用控制，当和 、确定后，其静态工作点由决定。

1. 静态分析

场效应管放大电路有共源极放大电路、共漏极放大电路等。如图2.20所示为分压式偏置共源极放大电路，与分压式偏置的共发射极放大电路十分相似，图中各元件的作用如下:

V:场效应管，电压控制元件，用栅、源电压控制漏极电流。

:漏极负载电阻，获得随变化的电压。

:源极电阻，稳定工作点。

、:分压电阻，与配合获得合适的偏压

Cs:旁路电容，消除对交流信号的影响。

：电源，提供能量。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-498830.html

2. 动态分析