放大器的构成与工作原理

信号
IB
C1
Vcc RC
1. 放大器的电路构成
图4
现在，以小信号电压放大器为例，来介绍放
输入的电压信号到达基极，将使基极电位在
大器的电路构成。
原来确定的直流偏压基础上发生变化，从而使基
电压放大器的核心是处于放大状态的三极 极电流随之发生变化。如果输入信号很小，那么
管，假定我们使用的是 NPN 型硅三极管，则可 基极电流的变化规律与输入电压的变化规律是基
图 6 所示的放大器可以实现对小电压信号的
放大，但它有一个严重的缺陷——静态工作点不
稳定。原因有多方面，主要原因在于 ：放大器工
作一段时间后，三极管因消耗功率使内部发热，
造成集电极静态电流变大，集电极静态电流变大
又使三极管消耗更大功率，结温升得更高。造成
恶性循环使工作点偏离最佳点，工作失真甚至于
完全不能工作。另外图 6 所示的基本放大电路不
所示。信号通过电容 C1 送到三极管的基极，使
基极电位VB 发生变化，即在原来 VBEQ 的基础上 叠加了输入信号 ui，波形如图 8（b）所示。基
极电流的大小自然随着 VBE 的变化而出现相应的
变化，其变化波形如图 6-8（c）所示。
根据三极管电流放大原理，集电极电流将随
基极电流的变化而变化，而且变化的幅度是基极
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作者 潘陈平仲勇
放大器的构成与工作原理
一、关于放大器的基本概念
1. 什么是放大器？ 通俗地说，放大器的作用就是将微弱的信号 放大。“微弱”是指其能量极小，为了让信号能够 被显示，或者能推动负载工作，就必须将其能量 “ 放 大 ”。 但 能 量 怎 么 能 够 被 放 大 呢 ？ 这 不 符 合 能 量守恒定律。所以我们要实现的“放大”，实质上 只是“控制”，是用小能量的信号去控制电源驱动 “ 大 能 量 ”， 使 它 按 小 信 号 相 同 的 变 化 规 律 ， 换 句 话说，是信息幅度放大。这一过程就像我们将一 张底片放大一样，放大后的照片并不是原来的底 片，不过它的图像信息与原来小照片上的图像信 息是相同的。能放大电流信号的电路叫电流放大 器，能放大电压信号的电路叫电压放大器，放大 器的目的是驱动负载（如喇叭，发射天线等）叫 功率放大器。
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大的变化，或者说放大后的输出信号从形状上看 不像原来的输入信号，发生畸变了。这是不应该 出现的现象，因为严重的失真让放大失去了本来 的意义。由于三极管的输入特性是非线性的，当 输入信号稍大时，失真就很难避免，这类失真通 常被称作“非线性失真”。
（4）放大器的频带要宽。频带也叫“通频带”， 这是一个很重要的概念。任何一个放大器，都不 可能对所有频率的信号实现同等的放大。当信号 频率太高或太低时，放大器的放大能力都会明显 下降，即增益变小。一个复杂的信号总是包含了 各种各样的频率，有甚高的，也有甚低的。如果 放大器不能对各种频率信号实现大体同等的放 大，输出信号必然出现严重失真。目前把增益下 降不超过 30% 作为可接受的标准，把这一频率范 围称作“通频带”，或简称频带。
如何将被放大后的电流信号再转化为电压信 号呢？只需在集电极回路中加入一个电阻 RC 即 可，如图 4。变化的集电极电流在电阻两端将产 生变化的电压，这个输出电压含有直流分量和交 流电压。
如何取出放大的交流电压给负载呢？也需要 通过一个隔直流电容，如图 5 中的 C2，它隔断 Vc 的直流部分，只将放大器的输出交流信号送到 负载 RL 上。
大器的增益应该大一些。 （2）增益必须有稳定。增益不但要大，还必
须有稳定性。放大器在长时间的连续工作中它的 增益和其它特性必须保持稳定。因为放大器的工 作环境是变化的，有时甚至是很恶劣的，我们希 望放大器在环境发生变化时它的各项性能不能有 太大的波动，否则就会严重影响工作效果。
（3）放大器的失真要小。所谓失真，是指输 出信号的波形与输入信号的波形相比较发生了较
VCE 的变化通过输出电容 C2 送给负载电阻 RL 。
因为电容有“隔直通交”的功能，直流成分
VCEQ 被隔离，负载 RL上得到的只是电压变化部分，
如图 8（ｆ）所示，这正是放大器的输出电压波形。
显然，输出电压信号比起输入电压信号已经得到
了放大，只是相位相反。这一变化过程就是放大
器的电压放大过程。
3. 工作点稳定的电压放大器
作原理，就要先了解静态，再了解动态。下面以
图 6 电路为例来简要解释放大器是如何实现电压
放大的。
静态 ：
如图 6，假设三极管是硅材料管，而且电流
放大系数已经确定（ = 50），使用 6V 直流电源
供电。
VCC
Rb
ICQ
RC
6V
270K
2K C2
IBQ C
B
C1
E
RL 6K
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VB
=
Rb 2 Rb1 + Rb2
VCC
只要 Rb1和 Rb2 是确定的，基极 B 点的直流电 位就是确定不变的，它不会因为基极静态电流变
化而出现变化。
再看图 6-10（b），因为基极的静态电流 I BQ 已经确定，所以有静态集电极电流 I CQ 和发射极 电流 I EQ ，而且 I EQ = I CQ + I BQ 。又因为
以如图 3(a) 向它提供放大条件。
本相同的。（即不出现非线性
Rc Rb V
BB
（a）
V
CC
Rc Rb
V
CC
（b） 图3
Rc V
CC
Rb
（c）
失真） 基极电流的变化将引起集电极 电流的相应变化，而集电极电 流的变化量是基极电流变化量 的 倍，这就实现了信号电流 的放大。
电子制作 63
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输入 小电压
小电流
大电流
三极管
电阻
（放大状态）
电阻
偏置电流
直流电源
输出 大电压
图2
3. 对放大器性能有什么要求？ （1）必须有放大能力。我们把放大能力称作 放大器的“增益”。对电压的放大能力叫“电压增
益”，用符号 AV 来表示；对电流的放大能力叫“电 流增益”，用符号 Ai 来表示 ；对功率的放大能力 叫“功率增益”，用符号 Ap来表示。我们希望放
先看看放大器的偏置电路是如何工作的。请
看 图 1 0 （ a ）， 在 直 流 电 源 VCC 的作用下，有 电流 I1流过电阻 Rb1 ，到达 B 点后电流 I1分为两路：
一路是流过 Rb2的电流 I 2，另一路是就是基极的静 态电流 I BQ 。基极静态电流 I BQ值是很小的，一般 只有几十微安。如果我们选择合适的 Rb1和 Rb2，使 电流 大于基极静态电流 I BQ 十倍乃至几十倍，那 么 I BQ相比于 I1就可以忽略不计。也就是说，在这 一前提下，可以认为 I1和 I 2是相等的，因此基极 B 点的直流电位是由 Rb1和 Rb2 的分压来决定的，即
动态 ：
加入信号后，放大器各关键点的电压、电流
值会发生相应变化，这种变化就是“动态”，它是
叠加在静态之上的。
ui
Ic
0
t IcQ
（a）
0
t
（d）
VCE
VBE 0.7V
VCEQ
0
t
（b）
0
t
（e）
IB
uO
IBQ
0
（c） t 0
t
输出信号 （f）
图8
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设输入信号是一微弱的正弦电压，如图 8（a）
图6
VCEQ = VCC − I CQ RC = 6 − 1× 2 = 4(V )
若画出三极管基极、集电极的静态电流和集 -
射间静态电压波形，它们都是确定的直流量，波
形都是一条水平线，如图 7 所示。
VBE 0.7V
IC
ICQ 1mA
0
t
0
t
IB
IBQ 0.02mA
VCE
VCEQ 4V
0
t 0
t
图7
它等于流过偏置电阻 Rb 的电流，即
I BQ
= VCC
− VBEQ Rb
=
6 − 0.7 270K
= 0.02(mA)
基极电流一旦确定，集电极电流也就被确定
了，它总是等于基极电流的 倍。
ICQ = I BQ = 50 × 0.02 = 1(mA)
同时，集 - 射之间的直流电压 VCEQ 也就可
以由计算而得出 ：
是实用的电路，每更换一只晶体管因
不同，都
要调整工作点，不适用于工业生产。
图 9 是典型的晶体管放大电路，它能自动调
节静态工作点，保证静态工作电流 ICQ 的稳定。
Rb1 20K
C1
Vcc
Rc
6V
2K
C2 C
B
Rb2 10K
E Re 1K
RL
C3
6K
为什么它能自动调节静态工作点，保证静态 工作电流 的稳定呢？我们作一个简要的解释。
需要放大的小电压信号是如何输入而不影响 放大器的直流偏置呢？可以在基极串入一个电容 C1，如图 4 所示，C1 称作“输入耦合电容”。电 容的一个重要特性就是“隔直通交”，它能隔断直 流，但允许交流通过。普通信号都是由一系列交 流信号组合而成的，所以小电压信号可以通过耦 合电容到达三极管的基极。L
图5
2. 电压放大的基本工作原理
当信号尚未接入时，三极管三个电极的电流、
电压状态称作静态，也叫“静态工作点”。一般只
需求出集电极电流和集 - 射之间的电压值即可。
需要放大的信号输入后，是叠加在静态工作
点之上的，使静态电流和电压出现“变化”或“波
动 ”， 我 们 就 称 它 为 “ 动 态 ”。 要 了 解 放 大 器 的 工
电流变化的 倍，如图 8（d）。
变化的集电极电流流过电阻RC ，在 RC 两端
将出现幅度较大的变化电压。因为直流电源的电
压是稳定不变的，所以当 RC 两端电压变大时，VCE 值将变小，当 RC 两端电压变小时，VCE 值反而变 大，因此 VCE 的波形变化如图 8（e）所示，它 与 IC 波形比较，正好是倒相的关系。
二、基本放大电路的构成与工作原理
图 3（a）VBB 给 发 射 结 提 供 正 偏 ；VCC 给 集 电结提供反偏。
如果流经 Rb 的电流 Ib 适当，使经过放大的 Ic 在 Rc 压降使集电极电压 Vc>Vb，三极管就工 作在放大区域了。但这一电路有明显的缺陷，就 是需要用 VBB 和 VCC 两组电池，这是很不方便的， 也是不现实的。因此我们设法将两个电源合并使 用，放弃电源 VBB，利用电源 VCC 经过电阻 Rb 产 生 Ib，给发射结提供正偏，形成如图 3（b）所示 的电路。电阻 Rb 称作“偏置电阻”。这样，放大 器的核心部分就形成了。如果 Rb 接在 c-b 之间， 形成电压负反馈，稳定工作点，如图 3（c）所示。 通常在画电路图时，因为直流电源 VCC 许多地方 公用，一般可以不画，标 VCC 即可，如（c）所示。
并给它提供放大的外部条件，就可以实现电流放 大。所以电流放大器可以如图 1 来组成。直流电 源既提供三极管的放大条件，又是受控的能源。
输入小电流
IB 三极管 IC
（放大状态）
输出大电流
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直流电源 图1
电压放大器就是能够实现小电压输入、大电 压输出的电路。怎样才能实现电压的放大呢？我 们 的 思 路 是 这 样 的 ：先 将 小 的 电 压 变 化（ 信 号 ） 转换成小电流变化，利用三极管的电流放大功能 将小电流放大，让放大后的电流通过电阻，在电 阻两端就可以取得较大的输出电压。所以，电压 放大器的核心也是一个处于放大状态的三极管。 电压放大器的结构可以用图 2 来表示。很明显， 这一电路既有电流放大，又有电压放大，实际上 已经实现了对信号能量的“放大”。因此，我们通 常把小信号电压放大器称作“基本放大电路”。
2. 放大器是怎么组成的？ 电流放大器就是能够实现小电流输入、大电 流输出的电路。我们自然会想到了三极管。因为 处于放大状态的三极管，三个电极的电流之间存
在某种稳定的比例关系，即 ： IC = IB , I E = (1 + )I B 。如果我们能够想办法将小电
流转化为基极电流 IB，那么，就可以得到被放大 的集电极电流 I C 或发射极电流 I E，只要有三极管，
这样，一个完整的放大电路就出现了，它的 具体电路就如图 5 所示。
Vcc
Rb
Rc
从图中可以看出，发射极电位是参考电位，
所以 U E = 0 伏。此时基 - 射之间的电压，即发 射结的正向偏压是 VBEQ ，在介绍 PN 结特性时已
经讲过，对于硅材料三极管来说，这个偏压值大
约在 0.7 伏左右。所以基极电流 I BQ 就被确定了，
（5）放大器的输入、输出电阻要合适。放大 器输入端总是跟信号源连接的，而放大器的输出 端总是与负载相连的。（也可能与后一级放大器相 接，在这里，后一级放大器就是前级的负载）为 了保证信号的有效传递，必须讲究它们之间的配 合，必须对输入、输出电阻提出特定的要求。对 于普通的电压放大器，我们希望输入电阻大一些 以免信号损失，输出电阻小一些足以驱动下一级 电路。