低频放大器的基本原理.docx
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低频放大器的基本原理
第一节低频放大器的基本原理
一.共发射极放大器
图2—2是一个基本的共发射极单级放大电路.图中BG是PNP型晶体管,它是电路中的放大元件,能使较大的集电极电流Ic受到输入交流电压Ui的控制.
Ec是极电集电源,也就是整个放大器的能源,这使晶体三极管集电极上加上反向工作电压.Rc是集电极电阻,它的作用是把三极管放大了的集电极电流Ic的变化转变为集电极上的电压的变化,也就是说,把三极管的电流放大特性用电压放大的形式表示出来,从而能使放大器具有电压放大的能力.基极电源Eb是放大器在正常工作时加在发射结上的正向电压（即正向偏置）。
基极偏流电阻Rb在Eb大小已经确定的情况下，改变Rb就可以改变晶体三极管基极的直流偏置电流（简称偏流）Ib,因而使晶体管的直流Ic和Uec都相应改变。
在没有交流输入信号时（Ui=0），晶体管的直流工作状态（即Ib、Ic、Vec等）就叫作放大器的静态工作点。
可见，对于确定放大器的静态工作点来说，Rb是一个关键性的元件。
耦合电容C1和C2分别是放大器输入端和输出端的隔直流电容。
它使交流信号可以顺利地通过放大器得到放大，而使输入端、输出端与放大器的直流电流、电压相隔离。
当输入端加入一个交流电压Ui，则在放大器的输出端就可以得到一个放大了的交流电压Uo。
二．放大器的静态工作点
在图2—2电路中，当集电极电源电压Ec和集电极电阻Rc确定后，放大器的静态工作点则由基极电流Ib来决定，这个电流就叫偏流，而获得偏流的电路叫偏置电路。
在图2—2中，偏置电路是由电源Eb和电阻Rb所组成，电阻Rb叫偏置电阻，可见偏流Ib=（Ec=-Ueb）/Rb.式中Ueb很小，一般硅管为0.5~0.7V,锗管为0.15~0.3V左右.所以当忽略Ueb后,则IB≈Ec/RB.（2-1）.当Ib确定后,IC和UEC就可得出:
IC=βIB+ICEO,Uo=EC-ICRC,（2-3）.由公式（2—1）—（2—3）就可以确定放大器的静态工作点.那么不设静态工作点行不行呢?
在图2—3中我们假设除去EB和RB，即没有直流偏置时，IB、IC都几乎为零，这时RC两端没有电压降,因此管压降UEC=EC.如果我们让输入交流信号Ui直接加在晶体管的B—E极之间,将会出现怎样的输出波形呢?
由于晶体管的发射结可以看作一个单向导电的二极管,所以当Ui处于正半周时,加在B-E间的电压是正的,发射结反向偏置不导通,因此没有基极电流产生,也没有集电极电流IC,输出端交流电压USC也等于零.所以,当输入信号在正半周时放大器就没有放大能力.即使在信号的负半周,也有只有当Ui的瞬时值足够大时,才能产生相应的基极变化电流IB,通常放大器的输入信号是不可能这么大的,由此可见,放大器若不设静态工作点,就不能正常工作.
三.放大器的放大作用和反相作用
当设置了静态工作点以后,我们再来看基极电流的变化情况.在图2—2中,当交流输入信号Ui通过电容C1加到晶体管电流的B-E极之间时,基极电流就发生了变化.这时的基极电流IB实际上是两个电流的合成,一个是直流工作电流IB,一个是由输入信号引起的交流电流IB.交流的IB驮载在直流的IB上,如图2—4所示.这就使得基极的总电流IB+ib始终是单方向的,即只有大小的变化,没有正负极性的变化,这样就不会再产生发射极电流截止的情况,解决了交流信号在放大器输入回路中发生的波形失真问题.
由于IC=βIB,所以IC跟随IB变化,实际上集电极的总电流也可以看成是两个电流的合成,一个是直流IC,另一个是交流IC,如图2—5所示.
晶体管集电极与发射极之间的电压也是由直流Uo和交流Uo两部分组成,其中变化的部分Uo经过隔直流电容C2成为放大了的输出电压Uo.如果把放大器在放大过程中各处的电压、电流波形在一起，就如图2—6所示。
值得注意的是，当集电极电流IC的瞬时值增加时，集电极电阻RC两端的电压降也随之增加，所以这时晶体管的管压降Uo+UEC的瞬时值反而减小，反之，哪IC减小时UEC将增加。
可见，从相位上来看IC和UEC之间正好相差180度。
由于Ui与IC同相位，所以Ui与Uo也正好相差180度。
综上所述，放大器一方面能把微弱的输入电压Ui加以放大，加一方面还使Uo和Ui在相位上相差180度。
在放大电路中一般都同时存在着直流量和交流量两部分，直流电流和电压（如IB、IC、UEC等）决定了晶体管的直流工作状态，交流电流和电压（如IB、IC、Ui、Uo等）则代表信号的变化情况，两者不能混为一谈。
四放大器的放大倍数
图2—6画出了放大器在放大过程中输入和输出的电压、电流波形。
从图2—6中我们可以看出：
在放大器的输入端加入一个交流信号Ui，在放大器输出端就可以得到一个放大后的输出信号Uo。
我们称输出信号电压与输入信号电压之比为放大器的电压放大倍数（又称电压增益）：
KU=Uo/U,（2—4）.对于输出信号电流与输入信号电流之比，我们称为放大器的电流放大倍数（又称电流增益）：
KI=Io/I,（2—5），这里的Io和Ii就是集电极电流和基极电流的交流部分IC和IB,所以,这里KI=IC/IB=β,而电压放大倍数与电流放大倍数的乘积叫做放大器的工率放大倍数（又称功率增益）:
KP=KUK,（2—6）.
第二节放大电路的分析方法
一.图解法
图解法是利用晶体管的输入特性与输出特性曲线,通过作图方法分析放大器性能.
1.直流负载线与工作点
我们先看在没有交流信号输入时,即通常所说的静止状态下放大器输入端与输出端的情况,为了便于说明问题,我们暂时将图2-7（a）的放大器输出回路以AB为界分成两分,左边是晶体管的输出端,晶体管输出电压Uec和电流Ic的关系是由它的输出特性曲线所表示的,如图2-7（b）所示右边是集电极电阻Rc和电源Ec的串联电路，其电流、电压关系可以由欧姆定律得出：
U/ec=Ec-I/cRc（2-7）根据这个议程可以在Ic和Uec的直角坐标中相应地画出它的图形来。
例如图2-7（a）电路中，如Ec=12V，Rc=3K，
代入上式中得：
Uec=12V-Ic×3KΩ
令Ic分别为0、1、2、3mA，就可以相应标出电压Uec的数值如下表：
IC（MA）
0
1
2
3
UEC（V）
12
9
6
3
根据列表的数字，在坐标上画出相应的点，联接这四个点到一条直线，这条直线就称为放大器的直流负载线，见图2—7（C）。
即然方程（2—7）是代表一条直线，我们知道只要两个点就可以决定一直线，因此作图时只要选择最容易确定的两个点来画直流负载的，一般取：
UEC=0时，IC=EC/RC=4mA，称短电流点N。
IC=0时，UEC=Ec=12V，称开路电压点M
通过M、N两点联一条线，就是我们要作的直流负载线，实际上，RC是接在晶体管输出端组成的回路中。
I/C就是IC，U/EC就是UEC，也就是说，直流负载线可以直接画在晶体管的输出特性曲线的坐标内，如图2—7（d）所示。
因为基极偏流IB的大小还不知道，所以只有直流负载线还不能确定直流工作点，还要知道基极电流的大小才能确定直流工作点。
为了定出基极电流的大小，在晶体管的输入端回路中，根据欧姆定律有：
UEB=EB-IBRB
根据这个方程式，我们可以用上述同样的方法，在晶体管输入特性曲线上，作出输入端的直流负载线AB，如图2—8所示。
从直流负载线与输入特性曲线的交点Q/就可以得出IBO的数值。
IBO也可以由公式（2—1）直接求出，即：
IBO≈EB/RB如EB=3V，RB=50KΩ，则IB=60uA。
这里求得的IB就是IBO，它与图2—8所得出的结果是一致的。
这样，就不必再在输入特性曲线上去求Q/点了。
IBO知道后，对应于IB=IBO的一条输出特性曲线与直流负载线的交点Q，就是放大器的静态工作点，如图2—7（a）所示。
由Q点分别引出垂直线到横轴与纵轴，就可以定出放大器的直流工作状态。
如图2—7（a）中所示，得到：
UEC=5.7V、IC=2.1mAIb=60UA
2.估算放大器的放大倍数
现在我们再来看输入端加入交流信号的情况，设输入信号为下弦波，如图2—9
（1），它的最大值为0.02伏,从输入特性曲线上可以看到UEB已不是固定的0.16伏了,而是在0.14伏到0.18伏之间变动.由曲线
（1）对应输入特性曲线得到输入信号加入后引起的IB的变化曲线,如图2—9中曲线
（2）所示.可见IB是在IB=60+25uA之间变化.由于IB随时间在35uA--85uA之间变化,则工作点位置就不是固定在Q点不动,而是在35uA对应的Q//点和85uA对应的Q/间点变动.由图2—9输出特性曲线中可得到集电极电压UEC变化曲线（3）和集电极电流变化曲线（4）.由图中可见,UEC是在3伏到8.4伏间变化,IC在1.2毫安到3毫安之间变化.从图3—9中也可以看到UEC与Ui在相位上相差180度.
UEC经过电容C2成为输出电压Uo,因此,从图2—9可求得放大器的电流倍数与电压放大倍数.
KI=Io/Ii=ICM/IBM=（3ma-1.2ma）/（85ua-35ua）=1.8ma/50ua=36
KU=Uo/Ui=（8.4V-3V）/（0.18Mv-0.14MV）=-5.4V/0.04MV=-135
式中的负号表示输出电压与输入电相位相反.
3.几种情况的讨论
上面我们分析了参数给定的电路,当电路参数改变时,负载与工作点会有变动,下面就几种情况进行讨论:
（1）如果其他条件不变,增大RB时,则IB=EB/RB,将减小（例如RB增大为75千欧,则IB=40ua）.这时直流负载线没有改变,新的工作点将沿负载线向下移至Q/点,如图2—10（a）所示.所以当EC、RC已确定的情况下，可以调整RB的数值，来改变IB的大小，使放大器处于一个合适的工作点。
在调整晶体管电路时，首先要调整偏流电阻RB就是这个原因。
（2）如果其他条件不变，改变集电极电阻RC（例如RC减小为R/C=1千欧）。
我们作R/C的负载线，如图2—10（b）。
我们可以看到当RC减小时，负载线变得更陡，即负载线与横轴的夹角﹠增大，或者说负载线的斜率*增大，工作点也相应变更到Q/点。
这在考虑放大器输出端带上负载时就会发生这种情况。
（3）如果其他条件不变，改变电源电压EC（例如EC增加为EC=16V），则负载线将向右平移。
但负载线与横轴的夹角﹠并示改变，如图2—10（c）所示。
工作点Q也相应移到Q/点。
4．产生波形失真的原因
如果工作区域选择得不适当，输出波形就会失真。
图2—11中表示出了失真的情况。
如工作点Q/系选择得太高，管子接近饱和区，在输入信号的上半周时，晶体管“饱和”，成输出信号电压下半周失真。
解决的办法：
可以减小IB使Q/点移到Q点，或者减小RC使负载线陡一些，则Q/点可以远离饱和区。
对于工作点Q//选择得太低，管子接近截止区，使信号下半周得不到放大（晶体管截止），造成输出信号电压上半周失真。
这应当增加IB的数值，使工作点Q//移到Q点。
5.交流负载线
放磊器的输出端，一般都接有负载Rl，如图2-12（a）所示。
在接有负载的情况下，晶体管C、E之间的交流成分UCO将同时作用在两个并联的回路上，一个是经过Rc和EC形成回路；另一个是经过电容C2与负载电阻Rl形成回路。
对交流来说，由于电容C2的容抗1/ωC，很小，可以看成短路；而电源内阻很小可以忽略，于是我们可以画出2—12（a）的交流等效电路如图2—12（b）所示。
放大器输出端接上负载Rl后，UEC同进作用于RC与Rl这一对并联电阻上，它们的并联等效电阻为：
R/l=RCRl/（RC+Rl）
R/Fl称为总负载电阻（RC相应也可称为直流负载电阻）。
对于交流信号，应根据R/l来作负载线。
根据R/l作的负载线，就称为“交流负载线”。
国为R/l＜RC，所以，交流负载线总是比原来的直流负载线要陡。
对于图2—12的电路。
如果EC=12V，RC=3KΩ，Rl=4KΩ,IB=60uA
则作交流负载时，第一步：
先画出直流负载线MN与IB=60uA的交点Q即为静态工作点；第二步：
作辅助线ML，见图2—13，在纵坐标（IC轴）上定出短路电流点L（UCE=0，IC=EC/R/l=12V/1.71KΩ=7.1mA,其中，R/l=3×4/3+4=1.71KΩ）联接M与L点得到斜率为tg-11/R/FZ的辅助线，然后经过Q点作直线JK平行于辅助线ML，直线JK就是我们所要求作的交流负载线。
应当指出,当放大器输出端不接负载或者所接负载RFz＞＞RC的情况下,直流负载线与交流负载线是重合在一起的。
从图2—13所画的直流负载与交流负载线的对比中不难看出：
（1）因为R/l＜RC，所以交流负载线总比直流负载线要陡。
对于直流负载线来炕头，最大输出幅度可达10V左右，而对交流负载来说，最大输出幅度要小得多，即动态小范围较小。
因此工作点Q的确定，要结合交流负载线来考虑。
一般来说，静态工作点Q应选在交流负载线的中点，这样能获得最大输出幅度，且失直也最小。
（2）放大器带上负载后，等效负载电阻减小，因此在相同的输入信号作用下，输出电压USC减小。
即电压放大倍数将下降，RFZ的阻值愈小，放大倍数下降也愈多。
二计算法
图2-7的放大电路需要EB、EC两个电源，使用起来很不方便。
如果我们选定EB=EC，那么就可以将放大器的两个电源合并成一个，达到简化电路的目的，见图2—14。
从公式（2—1）知道，由于EB，偏流电阻RB的阻值也要相应的增大。
1.计算放大器的静态工作点
IB≈EC/EB=12V/200KΩ=60uA
若已知晶体管的电流放大系数β=35忽略穿透电流ICEO,由公式（2—2）算得:
IC≈βIb=35×60uA=2.1mA
由公式（2—3）得:
UEC=EC-ICRC=12V-2.1mA×3KΩ=5.7V
2.计算放大器的电压放大倍数
计算步骤:
首先由输入信号电压Ui求出相应的基极变化电流IB（为此,就要确定晶体管的输入电阻）,由IB决定IC（IC=βIB）,然后由IC求出输出电压Uo（Uo=ICRC）,最后可求得电压放大倍数KU=Uo/Ui.
（1）确定晶体管的输入电阻
当我们在晶体管的输入端加一个交流信号电压Ui时,在其输入端将产生相应的基极变化电流IB,因此,我们可以将晶体管的输入端B、E之间看作是一个等效阻抗，在频率较低时，可以忽略其电抗部分，只
考虑其电阻部分，这就是晶体管的输入电阻rbe,如图2—15所示，即：
Rbe=Ui/Ib,（2—8）可以在晶体管的输入特性曲线上求得。
具体求法参照图2—15（b）.在工作点Q处作切线,求得RBE=△UEB/△Ib（2—9），应当指出，由于输放入特性的非线性，在工作点不同的情况下所求得的RBE是不同的。
根据晶体管内部的结构与半导体特理的理论，对于一般小功率晶体管，在常温状态工作时，可以得到计算晶体管输入电阻的公式：
Rbe≈RB+（1+β）.26（Mv）/IE（MA）（2—10）
其中RB是晶体管的基区电阻，一般RB=300Ω（对于大功率管RB约5--50Ω）即
RBE≈300+（1+β）.26（Mv）/IE（MA）
于是，我们可以应用公式（2-10）来计算晶体管的输入电阻RBE，将β=35，IE≈IC=2.1MA,代入式中得到:
RBE≈300+（1+35）.26（Mv）/2.1（MA）=750Ω
（2）求基极电流IB和集电极电流IC
设输入正弦交流信号电压幅值USR=20MV,则可算得基极电流为:
IB=USR/RBE=20MV/750Ω=26.7uA
集电极电流为:
IC=βib=35×26.7ua=0.935MA
（3）计算输出电压USC
对于交流信号,可画出图3—14的交流等效电路如图2—16所示.如暂不考虑负载的情况,则输出电压为:
USC=-ICRC=-0.935MA×3KΩ=-2.8V
式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反.
于是,可求得电压放大倍数为:
KU=USC/USR=-2.8V/20MV=-140
（4）输出端带上负载时的放大倍数
如果放大器输出端带上一个RFZ=3KΩ的负载,则交流总负载为:
R/FZ=RCRFZ/RC+RFZ=1.5KΩ
这时,放大器的输出电压为:
USC=ICR/FZ=-0.935MA×1.5KΩ=-1.4V
而放大倍数可求得为:
KU=USC/USR=-1.4V/0.02V=-70
从计算结果可以看出,放大器输出端接上负载后,放大倍数从原来的140倍降低为70倍.
我们将上述计算过程归纳整理后,可得到计算工共发射极放大器放大倍数的一般公式.
不带负载时的放大倍数:
KU=USC/USR=-ICRC/IBRBE=-βibrc/IBRBE=-βrc/RBE（2—11）
输出端带上负载时的放大倍数:
KU=-βr/FZ/RBE（2—12）其中R/FZ=RCRFZ/RC+RFZ
如果我们考虑输入信号源的内阻RZ的话,即如图2—17所示.这是基极信号电流为:
IB=USR/RX+RBE它将比不考虑RX时要小,于是,电压放大倍数为:
KU=USC/USR=-βibR/FZ/IB（RBE+RX）=-βR/FZ/RX+RBE
上式说明电压放大倍数还与信号源内阻有关,因为信号尖内阻RX愈大,在RX上的电压降愈大,造成输入放大器的实信号就愈小,所以一般要求信号源内阻要小.
三单级放大器计算举例
在工作中,有时会遇到需要我们自己装置一个简单的放大器,下现我们根据对大器的要求,应用我们已学到的知识,来计算放大器各元件的参数.
试计算一个单管放大器,已知输入交流电压USR=20mV,放大器的负载电阻RFZ=2KΩ,要求在负载上获得输出电压为USC=1V,晶体管选3AX31,β=40、RBE取0.8KΩ,电源EC=12V.
（1）先确定电路形式如图2—18,计算应有的电压放大倍数
KU＞USC/USR=1V/20mV=50
（2）IB的选择,应考虑到不使输入信号进入截止区而产生失真现象.所以应满足:
IB＞IBM（交流IB的峰值）
由于IBM=USRM/RBE=
×20MV/0.8KΩ=35μA
则IC=βIB=40×50μA=2mA
（3）RC的选择应该保证输出回路不致饱和,从晶体管输出特性曲线上看到,最小管压降UEC不应小于0.5V,以免进入管子饱和区.
即UEC=EC-（IC+ICM）RC＞0.5V
我们取EC-（IC+ICM）RC=1V
式中:
ICM是集电极交流电流的峰值,其值为
ICM=βIBM=40×35uA=1.4mA
由上解得:
RC=EC-1V/IC+ICM=12V-1V/2MA+1.4MA=11V/3.4MA=3.24KΩ
取系列化的数值3.3KΩ
（4）估计放大器的电压放大倍数
R/FZ=RCRFZ/RC+RFZ=3.3×2/3.3+2=6.6/5.3=1.25KΩ
KU=-βR/FZ/RBC=-40×1.25KΩ/0.8KΩ=-62
计算结果可以满足要求,电容C1、C2可选用5UF/15V。
这里，我们再用图解法检验放大器的工作状态，如图2—19所示，看静态工作点选得是否合适，最大交流信号输出时是否会造成信号失真。
（5）放大器静态工作点的调整
事实上，每一个是路必须经过实际调整后，才能达到预定的要求。
调整电路时，首先要调整晶体管的静态工作点。
可用万用表检查放大器的静态工作点如EC、UEC是否合适，如果UEC＜0.5V,说明晶体管已经或接近于饱和;如果UEC=EC,说明晶体管已经或接近于截止,这些都是工作点设置得不合理的结果.这时,就需要对静态工作点进行调整.调整工作点一般都是通过改变基极偏流电阻RB来实现,如图2—20.在使用电位器来调整偏流时,为了防止电位器拧得阻值过小,造成电流过大烧坏管子,常在电位器上串联一个固定电阻进行保护,而在集电极回路中串接一个电流表（可用万用表的直流毫安档）,调节电位器使IC达到要求的数值,然后测出电位器和串联电阻的阻值,换成固定电阻接入电路.输入交流信号时的调试在以后再作介绍.
第三节直流偏置稳定电路
从上节的讨论可知,为了使晶体管正常工作,必须选择适当的工作点.由于晶体管的特性受温度的影响很大,环境温度的变化,将会引起晶体管的特性曲线移动,从而使原来的静态工作点发生偏移.图2—21（a）\（b）分别画出了3AX3在25度和45度时的特性曲线,从图中可以看到,ICEO随温度升高迅速增大,因此在高温时整个特性曲线向上移动很多.例如在45度时,IB=40UA的特性曲线与直流负载线的交点Q已向左偏移到接近饱和区,放大器也就不能正常工作了.此外,对同一个电路,当接到路中去的晶体管的β变大后,相当于特性曲线上升和间隔变宽,如图2—21（C）所示.
这时工作点也会产生较大的变化.所以,在建立工作点的时候,还必需考虑到如何稳定的问题.
下面我们介绍几种常见的基极偏流电路（偏置电路）,并且分析它们在温度变化时,是怎样使工作点稳定的,同时给出电路的稳定系数,以便进行比较.
一固定偏流法
固定偏流法的电路如图2—22所示,基极偏流IB是由集电极电源EC通过偏流电阻RB产生,方向如图中虚线所示.从IB流经的回路可求出它的大小:
IB=EB-UEB/RB
由于UEB很小,可以忽略,所以近似有:
IB=EC/RB
这种电路,当RB决定后,IB也就固定了,因此叫做固定偏流法.固定偏流法的优点是线路简单,只需一组电源和一只偏置电阻,电能损耗很小,但是温度变化所引起的工作点漂移没有补偿作用,稳定性很差.所以只有在环境温度变化不大,要求不高的情况下被采用.
为了衡量偏置电路的稳定性,一般用稳定系数S来表示.所谓稳定系数S就是当ICBO受到某种影响变化一微小的增量△ICBO以后,引起集电极电流变化△IC的倍数,即:
S=△IC/△ICBO（2—14）
S愈小,稳定性愈好.固定偏流法的稳定系数为:
S=（1+β）（2—15）
可以看出,β愈大,这种电路的稳定性愈差.
二电压反馈法
为了减小由于温度变化,或更换晶体管和晶体管本身参数变化引起工作点的偏移,最常用的是”负反馈”是指反送的信号与原来的输入信号相信相反,对输入信号起减弱作用.
如图2—23所示,将偏流电阻RB接到晶体管的集电极上,就构成了电压负馈偏置电路.从图2—23可列出发射极与集电极之间电压UEC的方程式:
UEC=EC–ICRCUEC=IBRB+UEB
UEB一般很小可以忽略,所以近似有:
IB=UEC/RB=EC–ICRC/RB（2—16）
电路的电压负反馈作用过程是这样的:
当环境温度升高使IC增加时,在RC上的电压降ICRC也增大,而UEC=EC–ICRC就降低,UEC的降低反过来作用于输入端,使基极偏流IB=UCE/RB减小,从而使IC的增加受到制约,
温度上升→IC↑→ICRC↑→UEC↓→UEB↓→IB↓→IC↓
实现了工作点的稳定作用.
因为是通过电压UEC的反馈作用来达到稳定工作点的,故称为电压反馈法.
电路的稳定系数为:
S=1+β/（1+βRc/RB+RC）（2—17）
电压反馈法的优点是线路简单,有一定的稳定作用,缺点是放大倍数因存在交流负反馈而有降低,并且当RC较小时,IC变化对UEC的影响不大,尤其是当负载为变压器时,反馈作用小,起不到稳定作用,故只适用于负载的
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