放大电路

放大电路的基本原理   内容提要： 单管放大电路是组成各种复杂放大电路的基本单元。本章首先以单管共发射极放大电路为例，阐明放大电路的组成以及实现放大作用的基本原理。然后介绍电子电路最常用的两种分析方法――图解法和微变等效电路法，并利用上述方法分析单管共发射极放大电路的静态工作点、电压放大倍数和输入、输出电阻。
由于温度变化将对半导体器件的参数产生影响，进而引起放大电路静态工作点的变动，为此，介绍了一种常用的分压式静态工作点稳定电路。
除了单管共发射极放大电路以外，也介绍了放大电路的另外两种组态――共集电术组态和共基极组态放大电路，并对三种不同组态的特点进行了列表比较。
在双极型三极管放大电路的基础上，介绍了场效应管放大电路的特点和分析方法。
在本章的最后，介绍了组成多级放大电路最常用的三种耦合方式，分析了多级放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。
 
学习要求： 
①对于放大电路的两种基本分析方法，要求熟练掌握用简化的h参数等效电路分析放大电路的Au、Ri和Ro的方法，掌握rbe的近似估算公式。正确理解如何利用图解分析放大电路的静态和动态工作情况。
②掌握放大电路的三种基本组态（共射、共集和共基组态）的工作原理和特点。
③正确理解温度变化对三极管参数的影响，掌握分压式工作点稳定电路的工作原理和计算方法。
④掌握由场效应管组成和共源和共漏放大电路和工作原理以及微变等效电路法分析Au、Ri和Ro的方法。了解场效应管与双极型三极管相比有所特点。
⑤掌握直接耦合多级放大电路的工作原理，电压放大倍数的计算方法。正确理解零点漂移现象。一般了解其他两种耦合方式（阻容耦合、变压器耦合）的特点。 
2.1 放大的概念  
  放大电路的应用十分广泛，无论日常使用的收音机、扩音器，或者精密的量测仪器和复杂的自动控制系统等，其中通常都有各种各样的放大电路。在这些电子设备中，放大电路的作用是将微弱的信号放大，以便于人们量测和利用。例如，从收音机天线接收到的信号，或者人传感器得到的信号，有时只有微伏升毫伏数量级，必须经过放大才能驱动喇叭发出声音，或者驱动批示设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。由于放大电路是电子设备中使用最普遍的一种基本单元，因而是模拟电子技术课程中最基本的内容之一。 所谓放大，表面看来是将信号的幅度由小增大，但是在电子技术中，放大的本质首先是实现能量的控制。由于输入信号（例如从天线或传感器得到的信号）的能量过于微弱，不足以推动负载（例如喇叭或批示仪表、执行机构），因此需要在放大电路中加另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出圈套的能量，然后推动负载。这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。
另外，放大作用涉及到变化量的概念。也就是说，当输入信号有一个比较小的变化量时，要求在负载上得到一个较大变化量的输出信号。而放大电路的放大倍数也是指输出信号与输入信号的变化量之比。由此可见，所谓放大作用，其放大的对象是变化量。
已经知道，双极型三极管的基极电流对集电极电流有控制作用，同样，场效应管的栅源之间的电压对漏极电流也有控制作用，因此，这两种器件都可以实现放大作用，它们是组成放大电路的核心元件。
下面以单管共发射极放大电路为例，介绍放大电路的组成和放大的基本原理。
 
2．2．1 单管共发射极放大电路的组成 
下图是一个单管共发射极（以下简称单管共射）放大电路的原理电路图。电路中有一个双极型三极管作为放大器件，因此是单管放大电路。由图可见，输入回路与输出回路的公共端是三极管的发射极，所以称为单管共射放大电路。
在电路中，NPN型三极管TV担负着放大作用，是放大电路的核心。VCC是集电极直流电源，为输入信号提供能量。RC是集电极负载电阻，集是极电流iC通过Rc，从而将电流的变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。基极直流电源VBB和基极电阻Rb的作用是，一方面为三极管的发射结提供正抽偏置电压；同时，二者共同决定了当不加输入电压时三极管基极回路的电流，这个电流称为静态基流。在以后的分析中将会看到，静态基流的大小对放大作用的优劣，以及放大电路的其他性能有着密切的关系。 
在单管共射放大电路中，仅仅具备上述各个组成部分还不足以保证电路很好地起放大作用。为了使三极管工作在放大区，还必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置，为此，VCC，RC、VBB和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适当的配合关系。


2.2.2 单管共发射极放大电路和工作原理 
本节将定性地分析如上图所示的单管共射放大电路如何实现放大作用。
假设电路中的参数及三极管的特性能够保证三极管工作在放大区。此时，如果在放大电路的输入端加上一个微小的输入电压变化量△uI，则三极管基极与发射极之间的电压也将随之发生变化，产生△uBE。因三极管的发射结处于正向偏置状态，故当发射结电压发生变化时，将引起基极电流产生相应的变化，得到△uB。由于三极管工作在放大区，具有电流放大作用，因此，基极电流的变化将引起集电极电流发生更大的变化，即△iC等于△iB的β倍。这个集电极电流的变化量流过集电极负载电阻RC，使集电极电压也发生相应的变化。由上图可见，当iC增大时，RC上的电压降也增大，于是UCE将降低，因为RC上的电压与UCE之和等于VCC，而这个集电极直流电源是恒定不变的，所以UCE的变化量△uCE与△iC在RC上产生的电压变化量数值相等而极性相反，即△uCE＝－△iCRC。在本电路中，集电极电压UCE即等于输出电压uO，故△uO＝△uCE。
综上可知，当输入电压有一个变化量△uI时，在电路中将依次产生以下各个电压或电流的变化量：△uBE，△iB，△iC，△uCE和△uO。当电路参数满足一定条件时，可能使输出电压的变化量△uO比输入电压的变化量△uI大得多，也就是说，当在放大电路的输入端加上一个微小的变化量△uI时，在输出端将得到一个放大了的变化量△uO，从而实现了放大作用。
从以上的分析可知，组成放大电路时必须遵循以下几个原则：
首先，外加直流电源的极性必须使三极管的发射结正向篇置，而集电结反抽偏置，以保证三极管工作在放大区。此时，若基极电流有一个微小的变化量△iB，将控制集电极电流产生一个较大的变化量△iC，二者之间的关系为△iC＝β△iB。
其次，输入回路的接法应该使输入电压的变化量△uI能够传送到三极管的基极回路，并使基极电流产生相应的变化量△iB。
第三，输出回路的接法应使集电极电流的变化量△iC能够转化为集民极电压的变化量△uCE，并传送到放大电路的输出端。
只要符合上述几项原则，即使电路的形式有所变化，仍然能够实现放大作用。
现在来观察上图所示的单管共射放大电路。这是一个原理性电路，若付诸实用主要存在两个缺点，其一，在这个只有一个放大元件的简单电路中需要两路直流电源VCC和VBB，既不方便也很不经济；其二，放大电路的输入电压uO不共地，在实际应用时也不可取。为此，可以根据上述组成放大电路的几项原则，对原来的电路加以改进。见下图。


首先，省去基极直流电源VBB，将基极电阻Tb改接到VCC的正端。由上图（a）可见，VCC的极性能够保证发射结正向偏置。其次，将输入电压uO的一端接至公共端，以便与uI共地，另一端通过电容C1接到三极管的基极，如上图（a）所示。在一定的信号频率时，输入电压中的交流成分能够基本上没有衰减速地通过电容到达基极，但其中的直流成分则不能通过。这样的电容称为隔直电容或耦合电容。与输入回路的接法类似，三极管的集电极也通过一个隔直电容C2接到输出端，图中的RL是放大电路的负载电阻。上图所示的电路通常称为阻容耦合单管共射放大电路。 
上图（a）中的电路克服了原来的缺点，比较实用，而且电路符合组成放大电路的三项原则，能够实现放大作用。
今后，为了简化画图过程，通常不将直流电源VCC画出，而只标出其正端，如上图（b）所示。
一、放大倍数 
放大倍数是描述一个放大电路放大能力的指标，其中电压放大倍数军定义为输出电压与输入电压的变化量之比。当输入一个正弦测试电压时，也可用输出电压与输入电压的正弦相量之比来表示，即

              (2.3.1) 
与此类似，电流放大倍数定义为输出电流与输入电流的变化量之比，同样也可用二者的正弦相量之比来表示，即
              (2.3.2)
必须注意，以上两个表达式只有在输出电压和输出电流基本上也是正弦波，即输出信号没有明显失真的情况下才有意义。这一点也适用于以下各项有关指标。
二、最大输出幅度
表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压（或最大输出电流），一般指电压的有效值，以Uom表示。也可用峰－峰值表示，正弦信号的峰－峰值等于其有效值的2 倍。
三、非线性失真系数
由于放大器件输入、输出特性的非线性，因此放大电路的输出波形不可避免地将产生或多或少的非线性失真。当输入单一频率的正弦波信号时，输出波形中除基波万分外，还将含有一定数量的谐波。所有的谐波总量与基波成分之比，定义为非线性失真系数，符号为D，式中U1、U2、U3等分别表示输出信号中基波、二次谐波、三次谐波等的幅值。
四、输入电阻
从放大电路的输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻。此处只考虑中频段的情况，故从放大电路输入端看，等效为一个纯电阻Ri。输入电阻Ri的大小等于外加正加正弦输入电压与相应的输入电流之比，即
              (2.3.4)
输入电阻这项技术指标描述放大电路对信号源索取电流的大小。通常希望放大电路的输入电阻愈大愈好，Ri愈大，说明放大电路对信号源索取的电流愈小。
五、输出电阻
输出电阻是从放大电路的输出端看进去的等效电阻。在中频段，从放大电路的输出端看，同样等效为一个纯电阻Ro。输出电阻Ro的定交是当输入端信号短路（即US＝0，但保留RS），输出端负载开路（即RL＝∞）时，外加一个正弦输出电压U。，得到相应的输出电流I。，二者之比即是输出电阻R。，即

               (2.3.5) 

实际工作中测试输出电阻时，通常在输入端加上一个固定的正弦交流电压Ui，首先使负载开路，测得输出电压为U。，然后接上阻值为RL的负载电阻，测得此时的输出电压为U。，的输出回路可得到

            (2.3.6) 
输出电阻是描述放大电路带负载能力的一项技术指标。通常希望放大电路的输出电阻愈大愈好。R。愈小，说明放大电路的带负载能力愈强。
六、通频带
由于放大器件本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着信号频率的变化而变化。一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略，故放大倍数基本不变。通常将放大倍数在高频和低频段分别下降至中频段放大倍数的  时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带，用符号BW表示。
显然，通频带愈宽，表明放大电路对信号频率的变化具有更强的适应能力。
七、最大输出功率与效率
放大电路的输出功率，是指在输出信号不产生明显失真的前提下，能够向负载提供的最大输出功率，通常用符号Pom表示。
前已述及，放大的本质是能量的控制，负载上得到的输出功率，实际上是利用放大器件的控制作用将直流电源的功率转换成交流功率得到的，因此就存在一个功率转换的效率问题。放大电路的效率η定义为最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV之比
以上介绍了放大电路的几个主要技术指标，此外，针对不同的使用场合，还可能提出其他一些指标，例如电源的容量、抗干扰能力、信号噪声比、重量、体积以及工作温度的要求等，因限于篇幅，在此不作具体介绍。 

2．4 放大电路的基本分析方法  双极型三极管或场效应管是组成放大电路的主要器件，而它们的特性曲线都是非线性的，因此，对放大电路进行定量分析时，主要矛盾在于如何处理放大器件的非线性问题。对此问题，常用的解决办法有两个：第一是图解法，这是在承认放大器件特性曲线为非线性的前提下，在放大管的特性曲线上用作图的方法求解。第二是微变等效电路法，其实质是在一个比较小的变化范围内，近似认为双极型三极管和场效应管的特性曲线是线性的，由此导出放大器件的等效电路以及相应的微变等效参数，从而将非线性的总是转化为线性问题，于是就可以利用电路原理中介绍的适用于线性电路的各种定律、定理等来对放大电路进行求解。因此，放大电路最常用的基本分析方法，就是图解法和微变等效电路法。 对一个放大电路进行定量分析时，首先要进行静态分析，即分析未加输入信号时的工作状态，估算电路中各处的直流电压和直流电流。然后进行动态分析，即分析加上交流输入信号时的工作状态，估算放大电路的各项动态技术指标，如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、最大输出功率等等。分析的过程一般是先静态后动态。
静态分析讨论的对象是直流成分，动态分析讨论的对象则是交流成分。由于放大电路中存在着电抗性元件，所以直流成分的通路和交流成分的通路是不一样的。为了分别进行静态分析和动态分析，首先来分析放大电路的直流通路和交流通路有何不同。 
 
2.4.1 直流通路和交流通路
放大电路中的电抗性元件对直流信号和交流信号呈现的阻抗是不同的。例如，电容对直流信号的阻抗是无穷大，故不允许直流信号通过；但以交流信号而言，电容容抗的大小为  ，当电容值足够大，交流信号在电容上的压降可以忽略时，可视为短路。电感对直流信号的阻抗为零，相当于短路；而对交流信号而言，感抗的大小为ωL。此外，对于理想电压源，如VCC等，由于其电压恒定不变，即电压的变化量等于零，故在交流通路中相当于短路。而理想电流源，由于其电流恒定不变，即电流的变化量等于零，故在交流通路中相当于开路，等等。
在直流通路中，隔直电容C1、C2相当于开路。在交流通路中，C1、C2相当于短路，此外，集电极直流电源VCC也被短路。于是可得单管共射放大电路的直流通路和交流通路分别如下图（a）和（b）所示。


根据放大电路的直流通路和交流通路，即可分别进行静态分析和动态分析。分析时，除了图解法和微变等效电路法以外，有时也采用一些简单实用的近似估算法。例如，常常根据直流通路，对放大电路的静态工作情况进行近似估算。 
   2．4．2 静态工作点的近似估算
当外加输入信号为零，在直流电源VCC的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在直流电流和直流电压，这些直流电流和电压在三极管的输入、输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用符号IBQ、UBEQ表示，集电极电流、集电极与发射极之间的电压则用ICQ、UCEQ表示。
可求得单管共射放大电路的静态基极电流为

(2.4.1) 由三极管的输入特性可知，UBEQ的变化范围很小，可近似认为
硅管  UBEQ=（0.6～0.8）V
锗管  UBEQ=（0.1～0.3）V
根据以上近似值，若给定VCC和Rb，即可由式（2．4．1）估算IBQ。
已知三极管的集电极电流与基极电流之间存在关系IC≈βIB,且β≈ ，故可得静态集电极电流为

 (2.4.3)
然后由图2.4.1(a)的直流通路可得
CEQ=VCC-ICQRC (2.4.4)
至此，静态工作点的有关电流、电压均已估算得到。
 
2．4．3 图解法
图解分析动态
以下根据放大电路的交流通路，来分析它的动态工作情况。现将上图（b）中交流通路的输出回路重画于下图中。因为讨论的是动态，故图中的集电极电流和集电极电压分别用变化量△iC和△uCE表示。

交流通路外电路的伏安特性称为交流负载线。由图可见，交流通路的外电路包括两个电阻RC和RL的并联。现用R‘L表示RC与RL并联后得到的阻值，即
R‘L＝RC‖RL。因此，交流负载线的斜率将与直流负载线不同，不是－1/Rc，而是－1/RL’。由于R‘L小于RC，因此，通常交流负载线比直流负载线更陡。
通过分析还可以知道，交流负载线一定通过静态工作点Q。因为当外加输入电压UI的瞬时值等于零时，如果不考虑电容C1和C2的作用，可认为放大电路相当于静态的情况，则此时放大电路的工作点既在交流负载线上，又在静态工作点Q上，即交流负载必定经过Q点。因此，只要通过Q点作一条斜率为－1/RL’  的直线，即可得到交流负载线， 
 
2．4．4 微变等效电路法
单管共射放大电路的微变等效电路图

等效电路法的步骤
根据以上介绍，可以归纳出利用等效电路法分析放大电路的步骤如下：
1．首先利用图解法或近似估算确定放大电路的静态工作点Q。
2．求出静态工作点处的微变等效电路参数β和rbe。
3．画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大其余,部分的交流通路。 
4、列出电路方程并求解。
 
 
工作点的稳定问题   放大电路的多项重要技术指标均与静态工作点的位置密切相关。如果静态工作点不稳定，则放大电路的某些性能也将发生变动。因此，如何使静态工作点保持稳定，是一个十分重要的问题。  
2.5.1 温度对静态工作点的影响
有时，一些电子设备在常温下能够正常工作，但当温度升高时，性能就可能不稳定，甚至不能正常工作。产生这种现象的主要原因，是电子器件的参数受湿度影响而发生变化。
三极管是一种对湿度十分敏感的元件。湿度变化对三极管参数的影响主要表现在以下三方面：
首先，从输入特性看，当温度升高时，为得到同样的IB所需的UBE值将减小。在单管共射放大电路中,当UBEQ减小时IBQ将增大。但因一般情况下总是VCC》UBEQ，所以，UBEQ减小而引起IBQ的增大并不明显。三极管UBE的温度系数约为－2mV／。C，即温度每升高1。C，UBE约下降2mV。
其次，湿度升高时三极管的β值也将增加，使输出特性之间的间距增大。温度每升高1。C，β值约增加0.5％～1％，但对不同的三极管，β的温度系数分散系数分散性比较大。
最后，当温度升高时，三极管的反向饱和电流ICBO将急剧增加。这是因为反向电流是由少数载流子形成的，因此受温度影响比较严重。温度每升电流是由少数载流子形成的，说明ICBO将随温度按指数规律上升。 
 
2．5．2 静态工作点稳定电路
一、电路组成


上图给出了最常用的静态工作点稳定电路。不难发现，此电路与前面介绍的单管共射放大电路的差别，在于发射极接有电阻Re和电容Ce，另外，直流电源VCC经电阻Rb1、Rb2分压后接到三极管的基极，所以通常称为分压式工作点稳定电路。 在上图所示的电路中，三极管的静态基极电位UBQ由VCC经电阻分压后得到，故可认为其不受温度变化的影响，基本上是稳定的。当集电极电流ICQ随温度的升高而增大时，发射极电流IEQ也将相应地增大，此IEQ流过Re使发射极电位UEQ升高，则三极管的发射结电压UBEQ＝UBQ－UEQ将降低，从而使静态基流IBQ减小，于是ICQ也随之减小，结果使静态工作点基本保持稳定。
可见，本电路是通过发射极电流的负反馈作用牵制集电极电流的变化，使Q点保持稳定，所以上图所示的电路也称为电流负反馈式工作点稳定电路。
显然，Re愈大，同样的IEQ变化量所产生的UEQ的变化量也愈大，则电路的温度稳定性愈好。但是，Re增大以后，UEQ值也随之增大，此时，为了得到同样的输出电压幅度，必须增大VCC值。
前已分析，如果仅接入发射极电阻Re，则电压放大倍数将大大降低。在本电路中，在Re两端并联一个大电容Ce，若Ce足够大，则Re两端的交流压降可以忽略，此时，Re和Ce的接入对电压放大倍数基本没有影响。Ce称为旁路电容。
为了保证UBQ基本稳定，要求流过分压电阻的电流IR比IBQ大得多，为此希望电阻Rb1、Rb2小一些，但Rb1、Rb2减小时，电阻上消耗的功率将增大，而且放大电路的输入电阻将降低。在实际工作中，通常选用适中的Rb1、Rb2值，IR=IBQ，且UBQ＝（5～10）UBEQ。
二、静态与动态分析
当旁路电容Ce足够大时，在分压式工作点稳定电路的交流通路中可视为短路。此时这种工作点稳定电路实际上也是一个共射放大电路，故可利用图解法或微变等效电路法来分析其动态工作情况。经过分析可知，分压式工作点稳定电路的电压放大倍数与单管共射放大电路相同