2.2 基本放大电路

放大电路是电子设备中最常用、最重要、最基本的一种单元电路。放大电路的任务是放大电信号，即把微弱的电信号，通过电子器件的控制作用，将较弱的电信号转换成一定强度的输出信号，以推动负载（如扬声器、继电器等）正常工作。而在放大电路中，共射放大电路是最常用的放大器，它具有电压和电流放大能力，是放大电路中唯一能够同时放大电流和电压的放大器。本节就三极管构成的共射放大电路来进行讨论。

1.共射放大电路结构

如图2-16所示是基本的共发射极单管电压放大电路，ui是放大电路的输入电压，uo是输出电压。为分析方便，规定电压的正方向是以公共端为参考点，其他各点为正端。

所谓共射极，就是输入回路和输出回路都应用了发射极支路。在共射极放大电路中，外加信号ui从基极和发射极间输入，输出信号从集电极和发射极间输出。

2.各元件的作用

VT是NPN型晶体三极管，是放大电路的核心元件，具有电流放大作用，可以将微小的基极电流转换成较大的集电极电流。

UCC是放大电路的直流电源，一是为放大电路提供电源，与RB、RC相配合，使晶体管的发射结正偏、集电结反偏，以满足晶体管放大的外部条件；二是为放大电路提供小电流转换成大电流所需的能量。UCC的数值一般为几伏至几十伏。

RB是基极偏置电阻，为电路提供静态偏置电流IBQ，电源UCC通过RB为晶体管发射结提供正向偏压，改变RB的阻值，即可改变基极电流IB的大小，从而改变晶体管的工作状态。RB的阻值一般为几十千欧至几百千欧。

RC是集电极负载电阻，它的作用是将三极管的电流放大作用变成电压放大作用，电源UCC通过RC为晶体管提供集电结反向偏压，并将晶体管放大后的电流IC的变化转变为RC上电压的变化，反映到输出端，从而实现电压放大。RC的阻值一般为几千欧至十几千欧。

C1、C2是耦合电容，一方面起“隔直通交”作用，使本级放大电路中的直流电流不影响输入端之前的信号源，也不影响输出端之后的下级电路，即隔离放大电路与信号源和负载之间的直流通路；另一方面使交流信号畅通，当C1、C2足够大时，C1、C2 对交流信号呈现的容抗很小，可近似看成短路，这样可以使交流信号顺利地通过。C1、C2 的电容值一般为几微法至几十微法。

RL是外接负载，可以是扬声器、耳机或其他负载，也可以是后级放大电路的输入电阻。

3.静态工作点的设置

为便于分析，对电路工作过程中各量的符号规定如下：直流量用大写字母、大写下角标表示，如IBQ，ICQ，UCEQ等；交流量用小写字母、小写下角标表示，如ib，ic，uce等；总变化量是交直流叠加量，用小写字母、大写下角标表示，如iB，iC，uCE等。

1）静态工作点的概念

所谓静态，是指放大器在没有交流信号输入（即ui=0）时的工作状态。在放大电路处在静态时，为了保证放大器能够在有输入信号时正常地进行对输入信号的放大，需要对三极管的IB、IC、UCE这三个量值设定能保证放大电路正常工作的静态值，这三个静态值在输入、输出特性曲线图上所交叉构成的交点Q就称为静态工作点。在三极管的输入、输出特性曲线上表示方法如图2-17和图2-18所示。

2）静态工作点的作用

静态工作点的作用是使三极管在输入电压的整个周期内始终处于导通状态，即随输入电压ui的变化均有基极电流，这样，放大器能不失真地使输入信号得到放大。

若不接基极电阻RB，即三极管发射结无偏置电压时，偏置电流IBQ=0，ICQ=0，静态工作点在坐标原点。若放大电路不接RB，当ui为正半周时，三极管发射结正向偏置，由于三极管的输入特性曲线存在死区电压，所以只有当输入信号电压超过死区电压时三极管才能导通，产生基极电流iB；而当ui为负半周时，三极管发射结反向偏置，三极管截止，iB=0。

接上基极电阻RB，设置合适的静态工作点，如图2-18所示中的Q点，这时ui与静态时基极与发射极间的电压UBEQ叠加在一起加在发射结两端，发射结两端电压始终大于三极管的死区电压，在输入电压的整个周期内三极管始终处于导通状态，即随输入电压ui的变化均有基极电流，这样，放大器能不失真地使输入信号得到放大。

由此可见，一个放大器必须设置静态工作点，这是放大器能不失真放大交流信号的条件。

4.共射放大电路的工作原理

1）静态工作情况

放大电路输入端未加输入信号，即ui=0时的工作状态称为静态。静态时，由于直流电源UCC的存在，电路中没有变化量，电路中的电压、电流都是直流量。晶体管的IB、IC、UCE称为该放大电路的静态工作点，简称Q点。按直流信号在电路中流通的路径可画出直流通路。由于电容具有隔断直流的作用，所以画直流通路时电容相当于开路。

图2-19所示是图2-16所示放大电路的直流通路。静态工作点的IB、IC、UCE可以用直流电流表测得，也可用估算法确定。所谓估算法，是指突出电路工作的主要因素，而忽略一些次要因素。按照直流通路的结构，可得出以下估算公式：

通常UCC≫UBE，则

IC=βIB

UCE=UCC-RCIC

【例2-1】 在图2-16中，已知UCC=12V，RB=300kΩ，RC=5kΩ，β=40，试求放大电路的静态工作点的IB、IC、UCE。

解：

IC=βIB=（40 ×0.04）mA=1.6mA

UCE=UCC-RCIC=（12-5 ×1.6）=4V

2）动态工作情况

放大电路输入端加输入信号的工作状态称为动态。这时电路中各电量将在静态直流分量的基础上叠加一个交流分量。

输入信号ui经过耦合电容C1加在晶体管基极和发射极之间，只要输入信号频率不是很低，C1对交流信号可视为短路。这时输入信号ui叠加在直流的UBE上，即

uBE=UBEQ+ui

注意：uBE是在一个较大的直流电压UBE（约0.7V）上叠加一个较小的交流信号ui，以使uBE不产生负值，避免产生失真。uBE电压的变化引起基极电流的变化，即

iB=IBQ+ib

式中，ib是ui引起的电流，只要晶体管处于放大状态，则

iC=ICQ+iC

uCE=UCC-RCiC=UCC-RC（IC+iC）=UCC-RCIC-RCiC=UCE-RCiC

可见，uCE也是由直流分量UCE和交流分量-RCiC叠加而成的，经过C2 的隔直通交作用，输出电压只有交流分量，即

uo=uce=-RCiC

上式表明，只要RC取值恰当，就可使uo的幅值远大于ui的幅值，从而实现电压放大，这就是通常所说的放大电路的放大作用。另外可知，uo与RCiC在数值上相等，而在相位上相反，由于ui、ib、iC相位相同，故uo和ui的相位相反，这在共射放大电路中称为“反相”。共射放大电路中各电流、电压的波形如图2-20所示。

由图2-20所示工作波形可以看出：

（1）输出电压uo的幅值比输入电压ui的幅值大，说明放大器实现了电压放大。uo和ui相位相反，这叫做共射极放大器的“反相”作用。

（2）图2-20中的工作波形图，uBE、iB、iC、uCE都是直流分量和交流分量的叠加，波形也是两种分量的合成。

5.静态工作点的选择与波形失真

波形失真是指输出波形相对于输入波形产生了畸变。对放大电路来说，输出波形的失真应尽可能小。静态工作点的选择对放大电路有很大的影响，选择不当，容易引起失真。

1）饱和失真

当静态工作点设置太高时，在交流信号的正半周，随着输入信号增大，集电极电流iC因受最大值ICM的限制而不能相应地增大，这时尽管iB的波形完好，但iC正半周和uCE负半周的顶部被削去，这种由于动态工作点进入饱和区所引起的失真，称为“饱和”失真，如图2-21所示。调节RB阻值使之增大，可消除饱和失真。

2）截止失真

当静态工作点设置太低时，在交流信号的负半周，晶体管因发射结反偏而进入截止状态，使iC负半周和uCE正半周的顶部被削去。这种由于动态工作点进入截止区所引起的失真，称为“截止”失真，如图2-22所示。调节RB阻值使之减小，可消除截止失真。

饱和失真和截止失真都是由于晶体管工作在特性曲线的非线性区域所引起的，因而称为非线性失真。

放大电路的最佳静态工作点是指输入信号变化时，输出信号正、负半周都能达到最大值而不出现失真的工作点。在任何状态下，不失真的最大输出称为放大电路的动态范围。显然，在最佳工作点下，电路的动态范围最大。还需要指出，在保证输出信号不失真的前提下，降低电路的静态工作点，有利于减少放大电路的损耗。