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面向話筒說話的聲音之所以能夠通過揚(yáng)聲器變大傳出，是因?yàn)槠溟g存在將微弱的電信號(hào)放大的放大電路。這樣的放大電路，在以晶體三極管為核心構(gòu)成的各種電子電路中，是最基本的電路。

這里，首先對(duì)最基本的晶體三極管放大電路，通過考察各部分的波形，理解直流分量和交流分量如何疊加完成放大作用。其次。為了不失真地放大輸入信號(hào)，了解偏置的必要性，學(xué)習(xí)有關(guān)固定偏置電路，電流反饋偏置電路的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。

進(jìn)而學(xué)習(xí)如何根據(jù)特性曲線簡便地通過作圖的方法求得偏置和放大倍數(shù)，并學(xué)習(xí)特性曲線的斜率用數(shù)值表示的h參數(shù)的定義和利用h參數(shù)等效電路求解放大倍數(shù)的方法。

3.1 簡單的放大電路的工作原理

3.1.1 簡單的放大電路的構(gòu)成

圖3.1(a)是由晶體三極管、電阻、電容、電源構(gòu)成的最簡單的放大電路，圖(b)是圖(a)的電路原理圖。

對(duì)放大電路的輸入所施加的是從稱為信號(hào)源的麥克風(fēng)、錄放機(jī)等而來的極小的輸出電壓。放大電路的輸出，連接有稱為負(fù)載的揚(yáng)聲器、蜂鳴器等。電容C1在起著隔直作用的同時(shí)，僅讓從信號(hào)源來的像語音電流那樣的交流通過，是信號(hào)源和晶體三極管之間的連接元件。C2是使負(fù)載中僅有交流流通的元件，C1、C2都稱為耦合電容（參照?qǐng)D3.2）。

電阻RB是決定基極電流IB值的元件，也稱作為偏置電阻。

電阻RL稱為負(fù)載電阻，是為了獲取輸出電壓的元件。

3.1.2 由各部分的波形考察了解放大電路的狀況

在信號(hào)源的輸出中，混入有各種各樣的頻率、振幅的信號(hào)，另外負(fù)載也根據(jù)種類不同，具有各種各樣的電阻值或阻抗值。

這里，為了說明簡單，假設(shè)輸入為具有單一頻率恒定振幅的正弦波交流電壓（輸入信號(hào)電壓簡稱為輸入電壓）。

圖3.3為稱作示波器的波形觀察儀器，圖3.1的放大電路的輸入與輸出波形顯示在顯象管中。

下面，讓我們來觀察各部分的波形。

如圖3.4(a)所示的輸入電壓vi，通過耦合電容C1施加在基極-發(fā)射極間，根據(jù)從電源流過偏置電阻RB的直流IB，在基極-發(fā)射極間產(chǎn)生直流電壓VBE。因此，在基極-發(fā)射極間，施加的是VBE和vi疊加起來的如圖(b)所示的電壓VBE+vi。另外基極流過與VBE+vi成比例的如圖(c)所示的基極電流IB+ib。

集電極端與基極端一樣，直流集電極電流IC從電源流過負(fù)載電阻RL，根據(jù)基極電流IB+ib的控制，有如圖3.5(a)所示的集電極電流IC+ic流通。

根據(jù)這一集電極電流，集電極-發(fā)射極間產(chǎn)生的直流成分和交流成分的電壓變成如下所示（參照同圖（b））。但是，對(duì)交流成分的集電極壓vc，有vc=RLic。

①當(dāng)輸入電壓為0V時(shí)，因?yàn)榧姌O電流只有直流成分IC，所以集電極-發(fā)射極間電壓VCE只是比電源電壓VCC降低了由負(fù)載電阻RL產(chǎn)生的電壓降RLIC。

②當(dāng)輸入電壓正向增大時(shí)，因?yàn)榧姌O電流IC+ic也增加，則由RL引起的電壓降變大，所以集電極-發(fā)射極間電壓減小。反之，若vi反向增大，則集電極-發(fā)射極間電壓將增大。

因此，對(duì)集電極-發(fā)射極間電壓VCE+vc，由于其直流成分被耦合電容C2所阻隔，所以輸出電壓vo變得如圖3.5（c）所示的輸出電壓，就可明白：

①當(dāng)輸入電壓vi=10mv時(shí)，因?yàn)檩敵鲭妷簐o=1.7v，所以輸出被放大到輸入電壓的170倍。

②當(dāng)vi正向增加時(shí)，vo為反向增加。即vi和vo之間存在180○的相位差，這稱為輸入輸出的相位反轉(zhuǎn)。

3.2 偏置的必要性和偏置電路

3.2.1 偏置的必要性

在前述放大電路中，只著眼了放大的情況，晶體三極管以直流成分為中心交流成分疊加其上進(jìn)行工作，輸出波形可與輸入波形成比例地?zé)o失真地放大。這里，電極間的直流電壓、直流電流通常稱為偏置電壓、偏置電流，也簡稱為偏置（參照?qǐng)D3.9）。

圖3.6(a)是發(fā)射結(jié)沒有加上偏置電壓的情況。因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正如已經(jīng)學(xué)過的那樣由pn結(jié)組成，所以只有在vi的正半周期中成為正偏，如圖(b)②所示基極電流流通。因此，由于集電極電流ic僅在ib流通時(shí)流通，結(jié)果出現(xiàn)如圖(b)③所示的輸入波形的一半被放大的情況。

于是如圖3.7(a)所示，若對(duì)B、E間施加直流電壓VBE，即偏置電壓VBE一旦加上，則偏置電流IB就流通，令I(lǐng)B≥ibm（基極電流交流成分的最大值），則集電極電流IC+ic如圖(b)③所示，獲得與輸入波形成比例變化的波形。

還有，即使加上偏置電壓VBE，但假如此時(shí)流通的偏置電流Ib＜ibm，則基極電流IB+ib變得如圖3.8(a)所示，集電極電流IC+ic變得如同圖(b)所示，波形產(chǎn)生了失真。因此，放大電路設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)置適當(dāng)量的偏置。

3.2.2 偏置電路

前節(jié)的放大電路中，沒有在發(fā)射結(jié)之間專門使用稱為VBE的電源，那么，偏置是如何產(chǎn)生的呢，讓我們對(duì)下面的偏置電路進(jìn)行分析。

作為最通常被使用的偏置電路，有如圖3.11所示的電流反饋偏置電路。與固定偏置電路的不同的是將RA和RE接入了偏置回路。這種情況下，由于RA和RB是對(duì)電源電壓進(jìn)行分壓的元件，故稱為分壓電阻。另外，RE雖稱為發(fā)射極電阻，但由于它具有使偏置穩(wěn)定的作用，故又稱為穩(wěn)定電阻。

這個(gè)電路的工作原理如下（參照?qǐng)D形3.11、圖3.12）：

①流過分壓電阻ＲＡ的分壓電流ＩＡ為基極電流ＩＢ的１０倍以上，令ＲＡ端電壓ＶＢ即使當(dāng)基極電流變化時(shí)也基本保持不變。因此，偏置電壓ＶＢＥ為ＶＢ與ＶＥ的差，如下式所示：

　　ＶＢＥ＝ＶＢ－ＶＥ＝ＶＢ－ＩＥＲＥ（參照?qǐng)D書館3.11）

②現(xiàn)在，一旦溫度上升，ＩＣ增加，則因?yàn)榘l(fā)射極電流ＩＥ增大，ＩＥＲＥ也增大，所以ＶＢＥ減小。

③若ＶＢＥ減小，則由于ＩＢ減小，所以可抑制ＩＣ的增加。

因此，電路雖較復(fù)雜，但對(duì)于溫度變化的穩(wěn)定性好。

3.3.1集電極電流和負(fù)載電阻的確定方法

放大電路設(shè)計(jì)時(shí)的電源電壓，考慮到放大電路的用途、晶體三極管及負(fù)載的種類等，采用從電池或穩(wěn)壓電源電路獲取電壓等，選擇適合于相應(yīng)狀態(tài)的電壓就可以。

其次，考慮如何確定集電極電流和負(fù)載電阻的值。下節(jié)將詳細(xì)敘述，在圖3.13的電路中，因?yàn)榧姌O－發(fā)射極間的電壓ＶＣＥ取值為電源電壓ＶＣＣ的１／２，所以可從負(fù)載電阻ＲＬ上獲取最大的輸出。因此，同圖電路中負(fù)載電阻ＲＬ上的電壓降變成電源電壓剩下的一半，集電極電流ＩＣ表示為下式：

即選擇集電極電流ＩＣ，以使ＶＣＥ成為１／２的ＶＣＣ即可。

如上所述，首先確定電源電壓ＶＣＣ，然后若確定了ＩＣ，則ＲＬ確定。如果，根據(jù)負(fù)載的種類ＲＬ先確定下來的話，則ＩＣ在其后確定。通常，ＩＣ先被確定的時(shí)候居多，特別是對(duì)信號(hào)放大時(shí)的初級(jí)晶體三極管，由于輸入電壓很小，偏置電流盡可能取得小一些以防止雜音的產(chǎn)生，所以集電極電流取得小一些。

還有，人們一般認(rèn)為若對(duì)圖3.13中的負(fù)載電阻RL取較大值，則RL的輸出電壓將變大，但如圖3.16所示，輸出或產(chǎn)生失真，或輸出電壓降低。其原因是由偏置的不恰當(dāng)引起失真和一旦IC降低到某種程度就會(huì)導(dǎo)致hFE降低，從而使輸出電壓降低。

3.3.2 偏置電路電阻值的確定方法

設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)，如前面已學(xué)過的那樣，對(duì)電源電壓、集電極電流、負(fù)載電阻的值等有事先確定的必要。這些稱為偏置電路的設(shè)計(jì)條件。

(a) 固定偏置電路的電阻值

試求圖3.14中的偏置電阻RB。首先，作為設(shè)計(jì)條件選定如下的值：

電源電壓VCC=9V

偏置電壓VBE=0.67V

集電極電流IC=2.5mA

直流電流放大倍數(shù)hFE=140

對(duì)基極電流IB，根據(jù)hFE=IC/IB，有

另外，根據(jù)前節(jié)圖3.10，RB滿足下式：

因此，雖RB的標(biāo)稱值取為470K，但因?yàn)殡娮杵饕泊嬖谡`差，所以IC選用的值接近2.5mA。

（b） 電流反饋偏置電路的電阻值

試求圖3.15中的RA、RB、RE的電阻值。設(shè)計(jì)條件與固定偏置電路部分相同，如下所示

電源電壓VCC=9V

偏置電壓VBE=0.67V

發(fā)射極電流IE=集電極電流IC

發(fā)射極電壓VE為電源電壓VCC的20％

集電極電流IC=2.5mA

直流電流放大倍數(shù)hＦＥ＝１４０

ＩＡ是ＩＢ的１０倍

①ＲＥ的確定　因?yàn)?#xff36;Ｅ是ＶＣＣ的２０％，所以ＶＥ=1.8V，另IE=IC=2.5mA，則

②RA的確定 基極電流IB為

因?yàn)镮Ａ是IB的10倍，所以

IA=10IB=10×18×10-6=180μA

又，RA的端電壓VB（參照?qǐng)D3.15）為

VB=VBE+VE=0.67+1.8=2.47V

因此，對(duì)RA有

③RB的確定 流過RB的電流IA+IB為

IA+IB=180μA+18μA=198μA

RB的端電壓VA為

VA=VCC-VB=9-2.47=6.53V

因此，RB由下式確定為

3.4 根據(jù)特性曲線求解偏置和放大倍數(shù)的方法

3.4.1 利用特性曲線圖求解偏置電壓和偏置電流②

晶體三極管的電壓和電流的關(guān)系可以用靜態(tài)特性曲線表示，利用這一特性曲線，試對(duì)圖3.17所示的放大電路中的偏置電壓、偏置電流進(jìn)行求解。

(a) 直流負(fù)載線的畫法

如圖3.17所示，對(duì)晶體三極管接入負(fù)載，取出其上輸出時(shí)的特性稱為動(dòng)態(tài)特性。對(duì)這個(gè)電路若只考慮直流成分，則變?yōu)閳D3.20，集電極是電壓VCE如下所示：

VCC=VL+VCE+ICRL+VCE

VCE=VCC-ICRL

根據(jù)上式，為了將VCE和IC的關(guān)系用VCE-IC特性曲線來表示，按以下步驟進(jìn)行（參照?qǐng)D3.19）。

①求VCE=0時(shí)的IC=ICA。

ICA=VCC/RL

現(xiàn)在，因?yàn)閂CC=9V，RL=1.8K，所以VCE為0V時(shí)，有ICA=5mA，將其取作A點(diǎn)。

②求IC=0時(shí)的VCE。

VCE=VCC

故IC=０時(shí)，有VCE=9V，將其取作B點(diǎn)。

③連接A點(diǎn)和B點(diǎn)畫直線段 因?yàn)檫@一直線段AB的斜率由負(fù)載電阻RL決定，所以稱為負(fù)載線。

（b）偏置電壓和偏置電流的求解方法

VCE和IC的關(guān)系總是反映在負(fù)載線上，負(fù)載線上任意的點(diǎn)被稱為工作點(diǎn)。因而根據(jù)工作點(diǎn)可以求出偏置。例如若在圖3.19中將工作點(diǎn)置于P，則有VCE=4.5V，IC=2.5mA，IB=18μA。另外，對(duì)于這一IB的值，可以應(yīng)用圖3.18的VBE-IB特性曲線，根據(jù)工作點(diǎn)P可得VBE=0.67V。

(c) 由工作點(diǎn)的偏移引起的輸出電壓的失真

為了使輸出電壓vo無失真地放大，由于將VCE置于中點(diǎn)，vo可以有較大的動(dòng)態(tài)范圍，所以必須注意VCE和vo的關(guān)系。例如，如圖3.21所示，將VCE置于左右錯(cuò)開2V、8V之處，若以此為中心疊加上振幅為2.5V的vo，則vo如同圖所示，將產(chǎn)生失真。

因此，由上述分析可見對(duì)如圖3.19所示的VCE值，由于其取值為電源電壓的1/2，即處于負(fù)載線的兩等分點(diǎn)處，故可獲得最大的無失真輸出電壓vo。

3.4.2 交流成分的工作原理

當(dāng)輸入電壓vi施加到如圖3.17所示的電路上時(shí)，放大的情況如下所述（參照?qǐng)D3.18、圖3.19）：

①可以表示出在VBE-IB特性曲線上，以VBE=0.67V為中心，輸入電壓有vi=10mV的變化。即vi以P為中心，在P1和P2之間變化。

②可以表示出在VCE-IC特性的直流負(fù)載線上，ib的變化、ic的變化、輸出vo的變化，均分別以工作點(diǎn)P為中心，在P1和P2之間進(jìn)行。

③因此，輸出電壓vo以 VCE=4.5V為中心，以1.7V的振幅進(jìn)行變化。

3.4.3 電壓放大表示和增益

輸出電壓vo和輸入電壓vi之比稱為電壓放大倍數(shù)Av，由下式表示：

Av=vo/vi

另外，電壓放大倍數(shù)也有用對(duì)數(shù)表示的，這稱為電壓增益Gv,如下表示，以[dB]作為單位。

Gv=20log10Av[dB]

因而，在圖3.17的電路中，有Av=170倍，Gv=44.6dB。還有，除電壓之外，電流、功率也有放大倍數(shù)和增益，它們各自的關(guān)系如表3.1和表3.2所示。

3.5 用晶體三極管的四個(gè)參數(shù)畫出等效電路

3.5.1 晶體三極管的四個(gè)參數(shù)是什么

為設(shè)計(jì)晶體三極管電路，可以利用晶體三極管的靜態(tài)特性來求出偏置、放大倍數(shù)等。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)這一靜態(tài)特性的利用范圍幾乎是線性部分。為代替靜態(tài)特性，可以用線性范圍內(nèi)的某一部分的斜率以數(shù)值的形式來表示特性曲線，稱其為h參數(shù)。在2.4節(jié)，只演示了實(shí)際使用的三條特性曲線，如圖3.22所示，根據(jù)四條特性曲線，有如下所示四個(gè)h參數(shù)。

Hfe(電流放大倍數(shù))：是IB-IC特性曲線的斜率，hfe=△IC/△IB

Hie（輸入阻抗）：是VBE-IB特性曲線的斜率，hie=△VBE/△IB[]

Hoe（輸出導(dǎo)納）：是VCE-IC特性曲線的斜率，hoe=△IC/△VCE[S]

Hre（電壓反饋系數(shù)）：是VCE-VBE特性曲線的斜率，hre=△VBE/△VCE

以上h參數(shù)的值，不僅根據(jù)晶體三極管種類的不同而有差異，而且，即使是同一個(gè)晶體三極管，也會(huì)根據(jù)集電極電流IC、集電極-發(fā)射極間電壓VCE、周圍溫度Ta等測定條件的不同，發(fā)生如圖3.24所示的變化。

3.5.2 利用h參數(shù)可以表示晶體三極管的等效電路

晶體三極管電路的放大倍數(shù)雖可以利用靜態(tài)特性通過作圖的方法進(jìn)行求解，但若直接計(jì)算則更為方便。因此，有必要學(xué)習(xí)利用h參數(shù)來表示晶體三極管對(duì)交流的作用的晶體三極管等效電路。圖3.25所表示的是在晶體三極管輸入、輸出端的電壓和電流。

(a) 輸入端的等效電路

在圖3.26中的VBE-IB特性曲線上，因?yàn)椤鱒BE與交流量的vbe=vi相當(dāng)，△IB與交流量的ib=ii相當(dāng)，所以，各自的關(guān)系如下式所示：

因此，基極-發(fā)射極間相對(duì)于交流的輸入阻抗與hie相等，輸入端的等效電路可以用圖3.27表示。

(b) 輸出端的等效電路

在圖3.28中的VCE-IC特性曲線上，△VCE與交流量的vce=vo、△IC與交流量的ic=io、△IB與交流量的ib=ii相當(dāng)，分別求解各關(guān)系，有下列各式成立：

因此，集電極-發(fā)射極間，與負(fù)載電阻RL上流過hfeii的電流的電路等效，輸出端的等效電路可以表示為如圖3.29所示。

（c） 晶體三極管完整的等效電路

若將圖3.27、圖3.29合二為一，則構(gòu)成晶體三極管完整的等效電路，可用圖3.23表示。這樣的等效電路稱為簡易等效電路，完全勝任于實(shí)際應(yīng)用。這里，如果RL》1/hoe，就使用圖3.30的等效電路。

3.6 利用等效電路求取放大倍數(shù)的方法

3.6.1 利用h參數(shù)等效電路求取放大倍數(shù)的方法

圖3.17所示放大電路的電壓放大倍數(shù)，已利用特性曲線由圖解法獲得，這里試根據(jù)h參數(shù)等效電路，通過計(jì)算的方法來求取。

放大電路的h參數(shù)，通常采用表示在產(chǎn)品目錄、規(guī)格手冊(cè)等上的數(shù)值。如前所述，這些值隨測試條件的不同而變化，這里選用與3.4節(jié)的情況相同的條件，則h參數(shù)如表3.3所示。

圖3.31所示的放大電路，對(duì)交流而言是將RB接入基極-發(fā)射極之間，而將RL接入集電極-發(fā)射極之間。但是，由于RB和hie成為并聯(lián)且RB》hie，所以RB可以忽略不計(jì)。另外，因RL和1/hoe成為并聯(lián)且1/hoe》RL，所以1/hoe可以忽略不計(jì)（參照?qǐng)D3.32）。

因此，圖3.31的放大電路，可以用圖3.33所示的簡易等效電路來表示。

因?yàn)殡妷悍糯蟊稊?shù)Av是輸出電壓vo和輸入電壓vi之比，所以由等效電路得下式：

將表3.3中的數(shù)值代入，得

這樣，電壓放大倍數(shù)與在3.4節(jié)由圖解法求得的值基本一致。

(b)　電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)

電流放大倍數(shù)Ai和功率放大倍數(shù)Ap，也可以根據(jù)等效電路按如下方式求得。

(c) 輸入阻抗和輸出阻抗

如圖3.34所示，從輸入端的基極-發(fā)射極間，以及從輸出端的集電極-發(fā)射極間分別向三極管內(nèi)部看去時(shí)的阻抗稱為輸入阻抗Zi和輸出阻抗Zo雖在簡易等效電路中，1/hoe省略了，但實(shí)際上它存在于集電極-發(fā)射極之間。因此，根據(jù)同圖(b)和表3.3，Zi、Zo如下所示：

Zi=hfe ∴Zi=1.5kΩ

Zo=1/hoe ∴Zo=100kΩ

3.6.2 放大電路的分類

對(duì)放大電路，有根據(jù)晶體三極管的三個(gè)電極中哪個(gè)接地而決定的分類法和根據(jù)晶體三極管工作時(shí)工作點(diǎn)的設(shè)定而決定的分類法，在表3.4中表示了各種分類。

本章小結(jié)

偏置的必要性

為了不失真地放大輸入波形，必須預(yù)先設(shè)定一定的直流電流流過基極-發(fā)射極間。這就是偏置，施加在各電極間的直流電壓稱為偏置電壓，流過的直流電流稱為偏置電流。

偏置電路

有電路簡單、功耗小的固定偏置電路，通常被使用得最多的是能夠抑制由溫度變化引起集電極電流變化的電流反饋偏置電路。

負(fù)載線和工作點(diǎn)

在VCE-IC特性曲線上，根據(jù)VCE=VCC-RLIC，求解當(dāng)VCE=0時(shí)的IC，和IC=0時(shí)的VCE，連接各自點(diǎn)的直線段就是負(fù)載線。另外，負(fù)載線上的每一個(gè)點(diǎn)稱為工作點(diǎn)，由工作點(diǎn)可以知道晶體三極管工作時(shí)的偏置情況。

電壓放大倍數(shù)和增益

若令輸入電壓為vi，輸出電壓為vo，則電壓放大倍數(shù)Av及電壓增益Gv由下式表示：

Av=vo/vi Gv=20log10Av[dB]

H參數(shù)

求解靜態(tài)特性的線性范圍的部分斜率，有能夠反映這些特性的如下所示的參數(shù):

hfe（電流放大倍數(shù)）：△IC/△IB

hoe（輸出導(dǎo)納）：△IC/△VCE[S]

hie（輸入阻抗）：△VBE/△IB[Ω]

hre（電壓反饋系數(shù)）△VBE/△VCE

晶體三極管的等效電路

對(duì)在靜態(tài)特性上利用圖解法求得放大倍數(shù)而言，利用h參數(shù)表示的晶體三極管交流信號(hào)等效電路，根據(jù)計(jì)算得出結(jié)果的方法更為方便有效。