共發(fā)射極電壓放大器

電壓放大器的任務(wù)是對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。要放大的信號(hào)通常是由傳感器送來的，模擬某個(gè)物理量隨時(shí)間變化的微弱電信號(hào)，利用放大器可以將這些微弱的電信號(hào)放大到足夠的強(qiáng)，并將放大后的信號(hào)輸送到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定的工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常是變化量，所以放大電路放大的對(duì)象通常也是變化量。變化量即為交流信號(hào)，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大是電壓放大器的主要任務(wù)。

5．2．1電路的組成

共發(fā)射極電壓放大器電路的組成如圖5-9所示。圖5-9中的V_CC是為放大器提供能量的直流電源；R_b是偏流電阻，該電阻的作用是為晶體管提供適當(dāng)?shù)钠秒妷海谷龢O管工作在放大區(qū)；R_C為集電極電阻，R_L為負(fù)載電阻；C₁和C₂為耦合電容，它們的作用是隔離放大器的直流電源對(duì)信號(hào)源與負(fù)載的影響，并將輸入的交流信號(hào)引入放大器，將輸出的交流信號(hào)輸送到負(fù)載上。

5、2、2、共發(fā)射極電路圖解分析法

對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行放大是電壓放大器的任務(wù)，交流電壓信號(hào)的特點(diǎn)是：大小和方向均是變化的。利用圖解法可以很直觀的分析電壓放大器的工作原理。

圖解法的分析步驟是：在三極管輸入特性曲線上，畫出輸入信號(hào)的波形，根據(jù)輸入信號(hào)波形的變化情況，在輸出特性曲線相應(yīng)的地方畫出輸出信號(hào)的波形，并分析輸出信號(hào)和輸入信號(hào)在形狀，幅度，相位等參量之間的關(guān)系，如圖5-10（a）、（b）所示。

圖5-10（a）給出了三極管的輸入特性曲線和輸入信號(hào)的波形，圖5-10（b）為三極管的輸出特性曲線和輸出信號(hào)的波形。

1、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

由圖5-10（a）的輸入特性曲線可見，為了使三極管在任何時(shí)刻都工作在放大區(qū)，在輸入信號(hào)等于0時(shí)，三極管的i_B和U_BE的值不能為零。否則當(dāng)輸入信號(hào)處在負(fù)半周時(shí)，三極管放大器的U_BE將小于零，三極管將進(jìn)入截止的狀態(tài)，不能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正常的放大。

輸入信號(hào)為零時(shí)，三極管所處的狀態(tài)稱為放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，即圖中的Q點(diǎn)，Q點(diǎn)有

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確定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法是：根據(jù)電容阻直流、通交流的特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)電位法可得放大器靜態(tài)時(shí)輸出端的電壓為：

????????? （5-8）

在輸出特性曲線上，式5-8為直線，在橫軸上，I_CQ=0，U_CEQ=Vcc；在縱軸上，U_CEQ=0， ，連接這兩點(diǎn)即可得式5-8所確定的直線，因該直線的斜率與 有關(guān)，所以，該直線稱為直流負(fù)載線。

因放大器輸出端電流和電壓的關(guān)系同時(shí)要滿足三極管的輸出特性曲線和電路的直流負(fù)載線，所以，放大器靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)在兩曲線的交點(diǎn)上，即在直流負(fù)載線上。為了使放大器保持較大的動(dòng)態(tài)范圍，通常將靜態(tài)工作點(diǎn)選在直流負(fù)載線的中點(diǎn)，根據(jù)直流負(fù)載線中點(diǎn)所確定的值I_CQ和U_CEQ就是輸出電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，再根據(jù)

???????? （5-9）

即可確定輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)I_BQ。

2、輸出信號(hào)波形分析

靜態(tài)工作點(diǎn)確定之后，根據(jù)疊加定理可得放大器輸入端的信號(hào)為：

??????? （5-10）

即在靜態(tài)工作點(diǎn)電壓上疊加輸入的交流信號(hào)。在放大器不帶負(fù)載R_L的前提下，放大器放大信號(hào)的過程如下：

當(dāng)輸入是u_i>0的正半周信號(hào)時(shí)，放大器輸入端的工作點(diǎn)沿輸入特性曲線從Q點(diǎn)往a點(diǎn)移，放大器輸出端的工作點(diǎn)沿直流負(fù)載線從Q點(diǎn)往c點(diǎn)移，在輸出端形成u_o<0的負(fù)半周信號(hào)；當(dāng)輸入是u_i<0的負(fù)半周信號(hào)時(shí)，放大器輸入端的工作點(diǎn)沿輸入特性曲線從Q點(diǎn)往b點(diǎn)移，放大器輸出端的工作點(diǎn)沿直流負(fù)載線從Q點(diǎn)往d點(diǎn)移，在輸出端形成u_o>0的正半周信號(hào)。完成對(duì)正、負(fù)半周輸入信號(hào)的放大，如圖5-10所示。

由圖5-10可見，經(jīng)放大器放大后的輸出信號(hào)在幅度上比輸入信號(hào)增大了，即實(shí)現(xiàn)了放大的任務(wù)。但相位卻相反了，即輸入信號(hào)是正半周時(shí)，輸出信號(hào)是負(fù)半周；輸入信號(hào)是負(fù)半周時(shí)，輸出信號(hào)是正半周，說明共發(fā)射極電壓放大器的輸出和輸入信號(hào)的相位差是180°。
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由圖5-10還可見，電壓放大器電路中集電極電阻R_C的作用是：用集電極電流的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源Vcc能量轉(zhuǎn)化的控制，達(dá)到用輸入電壓u_i的變化來控制輸出電壓u_o變化的目的，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)輸入，大信號(hào)輸出的電壓放大作用。并由此可得，放大器放大的是變化量，放大電路放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換，三極管在電路中就是起這種控制的作用。

當(dāng)放大器接有負(fù)載R_L時(shí)，對(duì)交流信號(hào)而言，R_L和R_C是并聯(lián)的關(guān)系，并聯(lián)后的總電阻為

???????? （5-11）

根據(jù)該電阻，在輸出特性曲線上也可做一條斜率為 的直線，該直線稱為交流負(fù)載線，如圖5-11所示。

由圖5-11可見，在輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，放大器輸出端的工作點(diǎn)將沿交流負(fù)載線移動(dòng)，形成交流輸出電壓。但輸出信號(hào)的幅度比不帶負(fù)載時(shí)小，利用戴維南定理可解釋此結(jié)論。

3、波形失真的類型

當(dāng)放大器的工作點(diǎn)選的太低，或太高時(shí)，放大器將不能對(duì)輸入信號(hào)實(shí)施正常的放大。

（1）截止失真

圖5-12所示為工作點(diǎn)太低的情況，由圖5-12可見，當(dāng)工作點(diǎn)太低時(shí)，放大器能對(duì)輸入的正半周信號(hào)實(shí)施正常的放大，而當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，因 將小于三極管的開啟電壓，三極管將進(jìn)入截止區(qū)，i_B=0，i_C=0，輸出電壓u₀=u_CE=Vcc將不隨輸入信號(hào)而變化，產(chǎn)生輸出波形的失真。

這種失真是因工作點(diǎn)取的太低，輸入負(fù)半周信號(hào)時(shí)，三極管進(jìn)入截止區(qū)而產(chǎn)生的失真，所以稱為截止失真。

（2）飽和失真

圖5-13所示為工作點(diǎn)太高的情況，由圖5-13可見，當(dāng)工作點(diǎn)太高時(shí)，放大器能對(duì)輸入的負(fù)半周信號(hào)實(shí)施正常的放大，而當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí)，因 太大了，使三極管進(jìn)入飽和區(qū)，i_C=βi_b的關(guān)系將不成立，輸出電流將不隨輸入電流而變化，輸出電壓也不隨輸入信號(hào)而變化，產(chǎn)生輸出波形的失真。

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電壓放大器工作時(shí)應(yīng)防止飽和失真和截止失真的現(xiàn)象，當(dāng)飽和失真或截止失真出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)消除它，改變工作點(diǎn)的設(shè)置就可以消除失真。

在消除失真之前必須從輸出信號(hào)來判斷放大器產(chǎn)生了什么類型的失真，判斷的方法是：

對(duì)由NPN管子組成的電壓放大器，當(dāng)輸出信號(hào)的負(fù)半周產(chǎn)生失真時(shí)，因共發(fā)射極電壓放大器的輸出和輸入倒相，說明是輸入信號(hào)為正半周時(shí)電路產(chǎn)生了失真。輸入的正半周信號(hào)與靜態(tài)工作點(diǎn)電壓相加，將使放大器的工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，所以，這種情況的失真為飽和失真，消除的辦法是降低靜態(tài)工作點(diǎn)的數(shù)值。

當(dāng)輸出信號(hào)的正半周產(chǎn)生失真時(shí)，說明輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)電路產(chǎn)生了失真，輸入負(fù)半周信號(hào)與靜態(tài)工作點(diǎn)電壓相減，將使放大器的工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)，所以，這種情況的失真為截止失真，消除的辦法是提高電路靜態(tài)工作點(diǎn)的數(shù)值。

注意：上述判斷的方法僅適用于由NPN型三極管組成的放大器，對(duì)于由PNP型三極管組成的放大器，因電源的極性相反，所以結(jié)論剛好與NPN型的相反。

圖解法能直觀的分析出放大電路的工作過程，清晰地觀察到波形失真的情況，且能夠估算出波形不失真時(shí)輸出電壓的最大幅度，從而計(jì)算出放大器的動(dòng)態(tài)范圍V_P-P=2U_om，但作圖的過程比較麻煩，也不利于精確計(jì)算。該方法通常用于對(duì)大信號(hào)下工作的放大電路進(jìn)行分析，對(duì)于在小信號(hào)下工作的放大器，通常采用微變等效電路法來分析。

5-2-3 微變等效電路分析法

因放大電路中含有非線性元件三極管，前面介紹的各種分析法對(duì)非線性電路不適用，為了利用線性電路的分析法來分析電壓放大器的問題，必須對(duì)三極管進(jìn)行線性化處理。

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對(duì)三極管的線性化處理就是將三極管的輸入、輸出特性線性化。工作在小信號(hào)場(chǎng)合的放大器，在工作點(diǎn)附近因輸入信號(hào)的幅度很小，可用直線對(duì)輸入特性曲線線性化，經(jīng)線性化后的三極管輸入端等效于一個(gè)電阻r_be，輸出端等效于一個(gè)強(qiáng)度為βi_b的受控電流源，三極管線性化后的微變等效電路如圖5-14所示。圖5-14（a）是NPN三極管的符號(hào)，圖5-14（b）是NPN三極管的微變等效電路圖。等效的理論依據(jù)請(qǐng)參閱附錄B的內(nèi)容。

將三極管線性化處理后，放大電路從非線性電路轉(zhuǎn)化成線性電路，線性電路所有的分析方法在這里都適用。必須注意的是，因微變等效電路是在微變量的基礎(chǔ)上推得的，所以微變等效電路分析法僅適用于對(duì)放大器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，不適用于放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算。放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算可利用直流電路分析法進(jìn)行。

1、放大器的靜態(tài)分析

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放大器靜態(tài)分析的任務(wù)就是確定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，即確定I_BQ，I_CQ和U_CEQ的值。

對(duì)放大器進(jìn)行靜態(tài)分析必須使用放大器的直流通路。因放大器靜態(tài)工作點(diǎn)指的是，在輸入信號(hào)為零時(shí)放大器所處的狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器各部分的電參數(shù)都保持不變，電容器兩端的電路互不影響，相當(dāng)于電容器斷路，由此可得共發(fā)射極電壓放大器的直流通路如圖5-15所示。

由圖5-15可見畫放大器直流通路的方法很簡單，只要將電容器從原電路中斷開即可。

放大器直流通路是計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)的電路，電流I_B，I_C的參考方向如圖5-15所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)電位法可得

工作在放大區(qū)的硅管U_be=U_on=0.7V，將U_be的值代入可得I_BQ為：

????????? （5-12）

由5-12式可見I_BQ與R_b有關(guān)，在電源電壓Vcc固定的情況下，改變R_b的值，I_BQ也跟著變，所以R_b稱為偏流電阻或偏置電阻。當(dāng)R_b固定后，I_BQ也固定了，因圖5-15所示的電路R_b是固定的，所以該電路又稱為固定偏流的電壓放大器。

I_BQ確定后，根據(jù)三極管的電流放大作用可求得I_CQ，即

????? （5-13）

由放大器的輸出電路可得

則

??? （5-14）

式5-12，5-13，5-14就是計(jì)算圖5-9所示電路靜態(tài)工作點(diǎn)的公式。

靜態(tài)工作點(diǎn)是保證放大器正常工作的條件，實(shí)踐中常用萬用表測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)來判斷該放大器的工作狀態(tài)是否正常。

2、放大器的動(dòng)態(tài)分析

放大器動(dòng)態(tài)分析的主要任務(wù)是：計(jì)算放大器的動(dòng)態(tài)參數(shù)：電壓放大倍數(shù) ，輸入電阻r_i，輸出電阻r_o，通頻帶寬度f_bw等。本節(jié)先介紹前面的三個(gè)，通頻帶寬度在放大器的頻響特性中介紹。

因動(dòng)態(tài)分析是計(jì)算放大器在輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)，所以計(jì)算動(dòng)態(tài)分析的電路是放大器的微變等效電路，由原電路畫微變等效電路的方法是：

（1）先將電路中的三極管畫成圖5-14（b）所示的微變等效電路。

（2）因電容對(duì)交流信號(hào)而言相當(dāng)于短路，用導(dǎo)線將電容器短路。

（3）因直流電源對(duì)交流信號(hào)而言可等效成一個(gè)電容，所以直流電源對(duì)交流信號(hào)也是短路的，用導(dǎo)線將圖中的+Vcc點(diǎn)與接地點(diǎn)相連。

利用上面介紹的方法對(duì)原電路進(jìn)行處理后，再利用第一章介紹的整理電路的方法可將微變等效電路整理成便于計(jì)算的電路圖，如圖5-16所示。

根據(jù)微變等效電路可得計(jì)算電壓放大倍數(shù) ，輸入電阻r_i和輸出電阻r_o的公式。

根據(jù) 的定義可得：

?????????? （5-15）

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式中的R_L^，由5-11式確定，因U_O的參考方向與R_L^，上電流的參考方向非關(guān)聯(lián)，所以用歐姆定律寫U_O的表達(dá)式時(shí)有負(fù)號(hào)，該負(fù)號(hào)也說明輸出電壓和輸入電壓倒相，該結(jié)論在圖解分析法中已得出。

由式5-15可見，要計(jì)算電壓放大倍數(shù)的大小，還必須知道電阻r_be。r_be是三極管微變等效電路的輸入電阻，計(jì)算r_be的電路如圖5-17所示，計(jì)算r_be的公式是：

???? （5-16）

式中的r_bb‘為三極管基極的體電阻，在題目沒有給出r_bb‘的具體數(shù)值時(shí)，可取r_bb‘的值為300Ω，I_EQ是發(fā)射極的靜態(tài)電流，該值為

???????????????? （5-17）

放大器的輸入電阻r_i就是從放大器輸入端往放大器內(nèi)部看（圖中輸入端虛線箭頭所指的方向），除源后的等效電阻，除源的方法與前面介紹的一樣，即電壓源短路，電流源開路。由圖5-16可見，放大器的輸入電阻是R_b和r_be相并聯(lián)。即

??????????? （5-18）

式5-18約等的理由是，R_b是偏流電阻，它的值是幾十kΩ以上，而r_be的值通常為1kΩ左右，兩者在數(shù)值上相差懸殊，可以使用近似的條件。

放大器的輸出電阻r_o就是從放大器輸出端往放大器內(nèi)部看（圖中輸出端虛線箭頭所指的方向），除源后的等效電阻，受控電流源開路以后，該電阻就是R_C。即

????????? （5-19）

式5-15、5-18、5-19就是計(jì)算圖5-9所示電路電壓放大倍數(shù) ，輸入電阻r_i，輸出電阻r_o的公式。

當(dāng)考慮信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)放大器電壓放大倍數(shù)的影響作用時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)稱為源電壓放大倍數(shù)，用符號(hào) 來表示，計(jì)算源電壓放大倍數(shù) 的公式為

???? ???（5-20）

式中的P為放大器的輸入電阻與信號(hào)源內(nèi)阻R_S所組成的串聯(lián)分壓電路的分壓比。即

????????? （5-21）

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〖例5-1〗在圖5-9電路中，已知Vcc=6V，R_b=150K，β=50，R_C=R_L=2kΩ，R_S=200Ω，求：

（1）放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q；

（2）計(jì)算電壓放大倍數(shù)，輸入電阻、輸出電阻和源電壓放大倍數(shù)的值；

（3）若R_b改成50kΩ，再計(jì)算（1）、（2）的值。

〖解〗：（1）根據(jù)式5-12、5-13、5-14可得放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)??? Q的數(shù)值

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（2）根據(jù)式5-11，5-16，5-15，5-18，5-19和5-20可得

（3）將R_b=50k的值代入解（1）的各式中可得

??? （5-22）

式5-22的結(jié)果出現(xiàn)了負(fù)值，在圖5-9所示的電路中，靜態(tài)工作點(diǎn)U_CEQ的值不可能為負(fù)值（最小值約為0.2V）。出現(xiàn)負(fù)值的原因是管子工作在飽和區(qū)，當(dāng)管子進(jìn)入飽和區(qū)后，I_CQ=βI_BQ的關(guān)系不成立，把根據(jù)I_CQ=βI_BQ所確定的I_CQ代入式5-14來計(jì)算U_CEQ就會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

由此可得結(jié)論，進(jìn)行放大器靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算時(shí)，若U_CEQ的結(jié)果為負(fù)數(shù)，說明三極管工作在飽和區(qū)。放大器工作在飽和區(qū)時(shí)不必進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的數(shù)值計(jì)算。

上面的計(jì)算過程也可以用EWB軟件來仿真，仿真的過程和結(jié)果請(qǐng)參閱附錄C的內(nèi)容。由上面的計(jì)算過程還可見，放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)決定了放大電路的工作狀態(tài)，實(shí)踐中經(jīng)常利用萬用表來測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量所得的數(shù)值來判斷放大器的工作是否正常，并可確定三極管的三個(gè)管腳在電路中所處的位置和管子的類型。

〖例5-2〗用萬用表測(cè)得放大電路中三只三極管的直流電位如圖5-18所示，請(qǐng)?jiān)趫A圈中畫出管子的類型。

〖解〗圖5-18（a）最低電位點(diǎn)是0V，最高電位點(diǎn)是6V，中間電位點(diǎn)是0.7V，說明該三極管的電流是從6V點(diǎn)往0.7V點(diǎn)流，再流向0電位點(diǎn)，所以0.7V點(diǎn)所在的管腳內(nèi)部是P型半導(dǎo)體，另外兩個(gè)引腳是N型半導(dǎo)體，說明該三極管是NPN硅管；在電路中NPN硅管發(fā)射極的電位最低，所以0電位點(diǎn)是發(fā)射極e，6V點(diǎn)是集電極c，0.7V點(diǎn)是基極b。

圖5-18（b）最低電位點(diǎn)是-6V，最高電位點(diǎn)是0V，中間電位點(diǎn)是-0.2V，說明該三極管的電流是從0電位點(diǎn)往-0.2V點(diǎn)流，再流向-6V點(diǎn)，所以-0.2V點(diǎn)的管腳內(nèi)部是N型半導(dǎo)體，另外兩個(gè)就是P型半導(dǎo)體，說明該三極管是PNP鍺管；在電路中，PNP管發(fā)射極的電位最高，所以0電位點(diǎn)是發(fā)射極e，-6V點(diǎn)是集電極c，-0.2V點(diǎn)是基極b。

圖5-18（c）最低電位點(diǎn)是-5V，最高電位點(diǎn)是0V，中間電位點(diǎn)是-4.3V，說明該三極管的電流是從0電位點(diǎn)往-4.3V點(diǎn)流，再流向-5V點(diǎn)，與（1）一樣，它是NPN硅管，在電路中NPN硅管發(fā)射極的電位最低，所以-5V點(diǎn)是發(fā)射極c，-4.3V點(diǎn)是基極b。0電位點(diǎn)是集電極c。

三個(gè)管子的類型和引腳排列如圖5-19所示。

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