放大电路设计及分析

第2章
vb
放大电路的工作
ve
图2.4 基极电位 Vb与发射极电位Ve 的波形（200us/div，1V/div） ( Vb与 Ve的交流振幅几乎相同，而直流电位相差约0.6V，这是晶 体管电路的特点)
第2章
放大电路的工作
• 2.1.4 两种类型的晶体管 实际上晶体管有两种类型，分别称NPN晶体管和PNP晶体 管。它们都有如图2.5所示的两个PN结。 该PN结图2.6所示的二极管。可以这样认为，晶体管在 基极—发射极间和基极—集电极间连接着二极管（显然， 晶体管不是图2.5所示的那样将两个二极管连接在一起）。 在一般的放大电路中，使基极—发射极间的二极管ON （导通），基极—集电极间的二极管OFF（截止）来设置 晶体管各端子的电位（偏置电压）。
第2章
放大电路的工作
图2.5 晶体管的PN结
（在双极晶体管中有两种类型，可根据电源情况灵活使用。通 常使用正电源的NPN型晶体管）
第2章
PN结
放大电路的工作
I
P
N
O V
0.6~0.7V
阳极
阴极
(a) PN结
硅二极管的正向压 降约0.6~0.7V
（b） I-V特性 图2.6 二极管特性
第2章
放大电路的工作
第2章
放大电路的工作
因此，在图2.1的电路中，集电极电流ic也与ie 相同为1mA±0.25mA。换一个看法，如图2.9所示， 将输入信号Vi的电压变化ΔVi（此时为±0.5V）变 化成电流变化Δic（此时为±0.25mA），则可以将 图2.1的电路看出是由集电极进行输出的电源。 进而，利用集电极与电源间接入RC（称为集 电极负载电阻），Δ ic以电阻上的压降形式再次 变回到电压的变化Δ Vc，并由集电极取出。
放大电路的工作
2.2.2 求交流电压放大倍数
接着求图2.1所示电路的交流放大倍数（交流增益）。 由于晶体管的基极—发射极间存在的二极管是在导通情况下使用（交 流电最为0），所以基极端子的交流电位（=vi)直接的出现在发射极，因பைடு நூலகம்此，交流输入电压vi引起的ie的交流变化部分Δie为：
ie vi / RE
R2 VB VCC R1 R 2
发射极的直流电位VE（ve的直流成分），如图2.4所示， 仅比VB低的基极—发射极间的电位VBE，如设VBE=0.6V， 则VE为： VE VB 0.6
第2章
放大电路的工作
发射极上流动的直流电流IE（ie直流成分）为：
UE VB 0.6 IE RE RE
第2章 放大电路的工作
• 2.1 观察放大电路的波形 • 2.2 放大电路的设计 • 2.3 放大电路的性能
• 2.4 共发射极应用电路
第2章 放大电路的工作
• 2.1 观察放大电路的波形 • 2.1.1 5倍的放大 放大电路的作用是将小信号放大为大信号，例如，将0.1V 的信号提高为1V信号——即是放大。 首先，用晶体管组成一般的放大电路，并用示波器对各部 分的工作进行观察。 图2.1是进行实验电路。看一下晶体管就知道，晶体管有 三个端子，分别是集电极、基极、发射极。在图2.1的电路 中，基极为输入，集电极为输出，发射极为公用（地）端。 因此，称图2.1为共发射极放大电路（Common Emitter Amplifier）。作为信号放大用IC的有名的OP放大器，在其 内部起放大作用的部分电路当中，使用的就是共发射极放大 电路。
直流 电源
集电极 基极 输入 输出
u0
ui
uc
图 2.1
ub
ue
接地（信号共用）
第2章 放大电路的工作
在该电路中，当输入信号是由实验用的正弦波发 生器产生的1KHz、1Vp-p的正弦波信号时，其输入 输出波形如图2.2所示 输入信号Vi为1Vp-p,输出信号Vo的振幅（波形上 下之间的值）为5Vp-p，如果用对数来表示，则为 20Ig5=14dB. 仔细对波形进行观察可知，输出波形的相位相对 于输入波形有180度的改变（波形反转）
由于已经求得各部分电位和交流放大倍数，下面就具体进行设计，求出 图2.1电路的参数。 在进行设计时，要明确“制作什么样性能的电路”，或有这样的要求， 即“请制作这样性能的电路”。 在表中表示设计规格。这里除了电压放大倍数与最大输出电压，其他 没有特别的规定。 表2.1 共发射极放大电路的设计规格
电压增益 最大输出电压 频率特性 输入输出阻抗 5（14dB）倍 5Vp-p 任意 任意
ie vi / RE
Δ 表示信号的变化量 小写字母表示交流成分 Av是所求的交流电压增益
AV
vo RC vi RE
图2.12 求电压增益
（假设集电极电流与发射极电流相等，令发射极上出现的交流成分等 于输入信号，则RE与RC之比就为放大倍数）
第2章
• 2.2.3 电路的设计
放大电路的工作
第2章
放大电路的工作
• 2.2.4 确定电源电压 首先确定电源电压。最大输出电压是重点。为了输出 5Vp-p的输出电压，显然必须要5V以上的电源电压。 其次，为了使集电极电流流动，由于发射极电阻RE上最 低加1～2V的电压，所以电源电压最低必须为6～7V。 在这里，决定采用与OP放大器的电源电压（±15V）一 样的15V。
第2章 放大电路的工作 vb
vi
图2.3
输入电压Vi与基极电位Vb的波形（200us/div， 1V/div）（Vo以0V为中心作正负振动，即是交流。Vb等于 在直流偏置上叠加Vi）
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• 2.1.3 基极—发射极间电压为0.6V 图2.4为基极电位vb 与发射极电位ve 的波形。在交流上vb 与ve 振幅与相位是完全相同的波形。如图2.3所示，与 vi vb 在 交流上是相同的波形，所以发射极电位ve 成为与输入信号完 全相同的波形。 因此，当在晶体管的基极上加信号时，即使从发射极将信 号取出，也完全没有电压放大作用（电压放大倍数为1） vb 是在+2.6V的直流上叠加 再来注意图2.4中的直流电位。 1KHz的交流信号，但是， vi 是在约比它低0.6V（在图中为 0.62V）即+2V上叠加同样的交流信号。
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vo vi
图2.2
输入电压Vi与输出电压Vo的波形（200us/div，1V/div） （Vi为1Vp-p,Vo为5Vp-p，即是5倍的放大。因为周期为1ms，信号 的频率为1KHz,Vi与Vo的相位相反）
第2章 放大电路的工作
• 2.1.2 基极偏置电压 图2.3是输入信号Vi与晶体管基极电位Vb的波形 Vb的振幅和相位完全与Vi相同，Vb的波形是在交流成 分上叠加约2.6V的直流电压的波形。 该直流电压称为基极偏置电压，产生偏置电压的电路 （在该电路中，为R1与R2）称为偏置电路。 所谓偏置（bias）是“偏离”的意思，在图2.1中，将 基极电位偏离了直流2.6V，故有这样的称呼。 位于输入端的电容C1是切去基极偏置电压（直流）仅 让加在输入端的交流成分过的电容。由于它使输入信号与 电路或者电路与电路相耦合，所以称为耦合电容。
另为，令集电极电流的交流变化部分为Δic，则vc的交流变化部分 Δvc为：
vc vc Rc
vi vc ie Rc RC RE
进而认为，集电极电流=发射极电流，则Δic=Δie
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放大电路的工作
另一方面，因用C2将vc的直流成分截去，故交流输出信号 vo即为Δ vc的本身：
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vc
15v
ve
图2.7 发射极电位Ve与集电极电位Vc的波形（200us/div，2V/div） (Vc与Ve是相反，在Vc出现将Ve放大了的电位)
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基极 电流
放大电路的工作
集电极电流
ic
ic i
b
i
b
ie
发射极电流
ie
ie=ic＋ib（ib«ic）
图2.8 晶体管各端子的电流（表示交流成分时， 用小写的符号，NPN型与PNP型晶体管的电流方向完 全相反）
在图2.1的电路中，也使基极—发射极间的二极管ON， 基极—发射极间电压VBE(在图2.4中Vb与Vc之电压差)与 普通硅二极管的正向压降是相同的值，即0.6～0.7V。 双极晶体管（普通的晶体管）与在数据表上写着的小 信号、功率、低频和高频等用途没有关系，在进行放大 工作时，肯定为VBE≈0.6～0.7V。 在晶体管电路中，这样极其重要的事情。不夸张地说， 只要知道VBE≈0.6V与欧姆定理，无论怎样复杂的晶体 管电路都能进行解析和设计
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放大电路的工作
ic ic RE
认为是由输入电压 控制的可变电流源 Δic
ΔVi ΔVi
图2.9
将电压变化成电流的变化
（对共发射极放大电路如果改变一下看法，也可以说是由输 入电压控制的可变电流源）
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因为RC是接在电源与集电极之间，所以RC的压降是相 对于电源产生的。因此，RC的压降增加（Vi增加，ic就增 加），则相对GND的集电极电位Vc就减少。RC的压降减少 （Vi减少，则ic就减少），则Vc就增加。因此，相对于Vi， Vc的相位是反相位（相位差为180°）。 由图2.4和图2.5可知，发射极接地时，在晶体管的各 端子出现的信号相位是：基极—发射极间为同相位，基 极—集电极间和发射极—集电极间为反相位。 图2.10是集电极电位Vc与输出信号Vo的波形。 由此可知，电容C2将Vc的直流成分（此时为5V）截去， 仅将交流成分作为输出信号取出（C2是起着与C1一样作用 的耦合电容）。
vi vo vc RC RE
因此，该电路的交流电压放大系数A :
V
AV
V
vo RC vi RE
放大系数A 与晶体管的直流放大系数hFE无关，而是由RC 与RE之比来决定的（因为认为基极电流为0，所以与hFE无关， 然而，严格来说是有关的。）
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另外，RE的值增大，则放大电倍数AV减小，所以可以认 为该电路由RE加反馈。因此，称RE为发射极反馈电阻。由 于负反馈，RE有抑制因hFE的分散性和VBE的温度变化而产
生的发射极电流变化的作用。
这样一来，晶体管的信号放大电路也不是那样的难理
解，这是因为几乎只由两个电阻RE与RC之比就能决定放大
倍数的缘故。将图2.1电路的交流放大倍数的求法总结在 图2.12。
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放大电路的工作
Vcc
vc ie Rc
vi RC RE
v
输入 i
输出 Δvc
v
c
vo=Δvc
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vc
放大电路的工作
vo
图2.10 集电极电位Vc与输出电压Vo的波形 （200us/div，2V/div） (用电容将Vc的直流截去，则输出Vo，Vo是以0V为中心振动的交流 信号)
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• 2.2 放大电路的设计 • 2.2.1 求各部分的直流电位 首先，在图2.1的电路中，基极的直流电位VB（为vb的直流 部分，或者没有输入信号时的基极电位）是用R1和R2对电源 电压Vcc进行分压后的电位，所以，流进晶体管的基极电流 的直流成分IB是很小的，可以忽略，则
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Vcc Ic=I E IB=0 Ic.Rc 输出
VC VCC IC RC
输入
VE VE 0.6
Vce=0.6V
IE VB 0.6 RE
图2.11 共发射极放大电路中各部分的直流电位
（基极的输入阻抗非常高，如果认为集电极电流与发射极 电流相等就简单了）
第2章
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• 2.1.5 输出集电极电压的变化部分
图2.7是发射极电位Ve与集电极电位Vc的波形。至今所见到的波形Vb
与Ve是输入信号Vi相同的波形，不进行电压放大。但是，如图2.7所示， 在集电极呈现出Vi被放大的波形（相位与Vi相反） 相对于发射极电阻RE，如图2.4所示，Ve振幅为2V±0.5V,所以晶 体管的发射极电流ie（=在RE上流动的电流）是以1mA为中心，在 ±0.5mA的变化[(2V±0.5V)/2kΩ =1mA±0.25mA]。 在晶体管的各端子流动的电流有图2.8所示的关系。但是与集电极ic 相比，则ib是非常小的值，可以忽略不计，则ic=ib。
集电极的直流电压Vc（vc的直流成分）为电源电压减去RC 的压降而算得的值，所以VC为：
Vc Vcc IC RC
在式中，基极电流为很小的值，所以可以忽略，则Ic=IE。
Vc Vcc IE RC
以上求得的各部分的直流电位表示图2.11中
第2章
VB R2 VCC R1 R 2