第3章 单级低频小信号放大器

第3章单级低频小信号放大器本章重点1．掌握共发射极放大电路、分压式偏置电路的工作原理和静态工作点估算；2．了解温度对静态工作点的影响；3．掌握共发射极放大电路的图解分析法和估算法。

本章难点1．共发射极电路的工作原理。

2．估算静态工作点，电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

3．分压式偏置电路的工作原理。

学时分配序号内容学时1 3.1 放大器的基本概念 12 3.2 单级低频小信号放大器 23 3.3 放大电路的分析方法 24 3.4 放大器的偏置电路 15 实验四单级低频小信号放大器 26 本章小结与习题7 本章总学时83.1 放大器的基本概念3.1.1 放大器概述放大器：把微弱的电信号放大为较强电信号的电路。

基本特征是功率放大。

扩音机是一种常见的放大器，如图3.1.1所示。

声音先经过话筒转换成随声音强弱变化的电信号；再送入电压放大器和功率放大器进行放大；最后通过扬声器把放大的电信号还原成比原来响亮得多的声音。

图3.1.1 扩音机框图图3.1.2 放大器的框图3.1.2 放大器的放大倍数放大器的框图如图3.1.2所示。

左边是输入端，外接信号源，v i 、i i 分别为输入电压和输入电流；右边是输出端，外接负载，v o 、i o 分别为输出电压和输出电流。

一、放大倍数的分类1．电压放大倍数io V V A v = (3.1.1) 2．电流放大倍数io I I A i =(3.1.2) 3．功率放大倍数i o P P A p =(3.1.3) 三者关系为v i P A A V I V I P P A ⋅===i i o o i o (3.1.4) 二、放大器的增益增益G ：用对数表示放大倍数。

单位为分贝(dB )。

1．功率增益G P = 10lg A P (dB ) (3.1.5)2．电压增益G v = 20lg A v (dB ) (3.1.6)3．电流增益G i = 20lg A i (dB ) (3.1.7)增益为正值时，电路是放大器，增益为负值时，电路是衰减器。

例如，放大器的电压增益为20 dB ，则表示信号电压放大了10倍。

又如，放大器的电压增益为-20 dB ，这表示信号电压衰减到1/10，即放大倍数为0.1。

3.2 单级低频小信号放大器单级低频小信号放大器：工作频率在20 Hz 到20 kHz 内、电压和电流都较小的单管放大电路。

3.2.1 电路的说明一、电路的组成和电路图的画法1．电路组成单管共发射极放大电路如图图3.2.1 单管共发射极放大电路3.2.1(a)所示。

2．元件作用G B——基极电源。

通过偏置电阻R b，保证发射结正偏。

G C——集电极电源。

通过集电极电阻R C，保证集电结反偏。

R b——偏置电阻。

保证由基极电源G B向基极提供一个合适的基极电流。

R C——集电极电阻。

将三极管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化。

C1、C2——耦合电容。

防止信号源以及负载对放大器直流状态的影响；同时保证交流信号顺利地传输。

即“隔直通交”。

实际电路通常采用单电源供电，如图3.2.1(b)所示。

3．电路图的画法如图3.2.3所示。

“⊥”表示接地点，实际使用时，通常与设备的机壳相连。

R L为负载，如扬声器等。

图3.2.2 单电源供电放大器的习惯画法图3.2.3 C1、C2非电解电容器的画法二、电路中电压和电流符号写法的规定1．直流分量：用大写字母和大写下标的符号，如I B表示基极的直流电流。

2．交流分量瞬时值：用小写字母和小写下标的符号，如i b表示基极的交流电流。

3．总量瞬时值：是直流分量和交流分量之和，用小写字母和大写下标的符号，如i B = I B + i b，即表示基极电流的总瞬时值。

3.2.2 放大器的静态工作点动画放大器的静态工作点静态：无信号输入(v i = 0)时电路的工作状态。

1．静态工作点Q如图3.2.4所示，静态时晶体管直流电压V BE、V CE和对应的I B、I C值。

分别记作V BEQ、I BQ、V CEQ和I CQ。

bBEQGBQ RVVI-=(3.2.1)BQCQIIβ=(3.2.2)cCQGCEQRIVV⋅-=(3.2.3)V BEQ：硅管一般为0.7 V，锗管为0.3 V。

图3.2.4 静态工作点[例 3.2.1]在图 3.2.4所示单级放大器中，设Ω=Ω==k220k2V12bcGRRV，，，β = 60。

求放大器的静态工作点。

解从电路可知，晶体管是NPN型，按照约定视为硅管，则V BEQ = 0.7 V，则V6k2mA3V12mA3A5060A51k220V7V12cCQGCEQBQCQbBEQGBQ=Ω⨯-=-==μ⨯==μ≈Ω⋅-=-=RIVVIIRVVIβ2．静态工作点对放大器工作状态的影响放大器的静态工作点是否合适，对放大器的工作状态影响非常大。

若把图3.2.4中的R b除掉，电路如图3.2.5所示，则I BQ = 0，当输入端加正弦信号电压v i时，在信号正半周，发射结正偏而导通，输入电流i b随v i变化。

在信号负半周，发射结反偏而截止，输入电流i b等于零。

即波形产生了失真。

图3.2.5 除去R b时放大器工作不正常图3.2.6 基极电流的合成如果bR阻值适当，则I BQ不为零且有合适的数值。

当输入端有交流信号v i通过C1加到晶体管的发射结时，基极电流在直流电流I BQ的基础上随v i变化，即交流bi叠加在直流BQI上，如图3.2.6所示。

如果BQI的值大于b i的幅值，那么基极的总电流I BQ + i b始终是单方向的电流，即它只有大小的变化，没有正负极性的变化，这样就不会使发射结反偏而截止，从而避免了输入电流i b的波形失真。

综上可见，一个放大器的静态工作点是否合适，是放大器能否正常工作的重要条件。

由电源CG和偏置电阻R b组成的电路，就是为了提供合适的偏流而设置的，称为偏置电路。

3.2.3 共发射极电路的放大和反相作用1．信号放大与反相电路如图3.2.2所示。

交流信号电压v i[如图3.2.7(a)所示]经过电容C1作用在晶体管的发射结，引起基极电流的变化，这时基极总电图3.2.7 放大器各处电压、电流波形流为i B = I BQ + i b ，波形如图3.2.7(b )所示。

由于基极电流对集电极电流的控制作用，集电极电流在静态值I CQ 的基础上跟着i b 变化，波形如图3.2.7(c )所示。

即i C = I CQ + i c 。

同样，集电极与发射极电压也是静态电压V CEQ 和交流电压v ce 两部分合成，即 v CE = V CEQ + v ce (3.2.4)由于集电极电流i C 流过电阻R c 时，在R c 上产生电压降i C R c ，则集电极与发射极间总的电压应为cc CEQ c c c CQ G cc CQ G c C G CE )(R i V R i R I V R i I V R i V v -=--=+-=-= (3.2.5)比较式(3.2.5)与式(3.2.4)可得c c ce R i v -= (3.2.6) 式中负号表示c i 增加时ce υ将减小，即ce υ与c i 反相。

故CE υ的波形如图3.2.7(d)所示。

经耦合电容C 2的“隔直通交”，放大器输出端获得放大后的输出电压，即c c ce o R i v v -== (3.2.7) 波形如图3.2.7(e )所示。

由图可见，v o 与v i 反相。

从信号放大过程来看，在共射放大电路中，输入电压与输出电压频率相同，相位相反。

2．直流通路和交流通路画法(1) 直流通路：电容视为开路，电感视为短路，其它不变。

(2) 交流通路：电容和电源视为短路。

例：图3.2.8(a )放大电路的直流通路和交流通路如图3.2.8(b )、(c )所示。

单级放大器的工作特点：(1) 为了不失真地放大信号，放大器必须设置合适的静态工作点。

(2) 共射极放大器对输入的信号电压具有放大和倒相作用。

(3) 在交流放大器中同时存在着直流分量和交流分量两种成分。

直流分量反映的是直流通路的情况；交流分量反映的是交流通路的情况。

图3.2.8 直流、交流通路画法3.3 放大电路的分析方法通常采用图解法和估算法对放大电路的基本性能进行分析。

3.3.1 图解法图解法：利用晶体管特性曲线，通过作图分析放大器性能。

一、用图解法分析静态工作点1．直流负载线电路如图3.3.1(a )所示，直流通路如图3.3.1(b )所示。

由直流通路得CE V 和C I 关系的方程为c C G CE R I V V -= (3.3.1)根据式3.3.1在图3.3.2晶体管输出特性曲线族上作直线MN ，斜率是c1R 。

由于c R 是直流负载电阻，所以直线MN 称为直流负载线。

2．静态工作点的图解分析如图3.3.2所示，若给定B3BQ I I =，则曲线B3BQ I I =与直线MN 的交点Q ，即为静态工作点。

过Q 点分别作横轴和纵轴的垂线得对应的CEQ V 、CQ I 。

由于晶体管输出特性是一组曲线，所以，对应不同的BQ I ，静态工作点Q 的位置也不同，所对应的CEQ V 、CQ I 也不同。

图3.3.1 放大器的输出回路 图3.3.2 静态工作点的图解分析 二、用图解法分析输出端带负载时的放大倍数1．交流负载线电路如图3.3.3(a )，交流通路如图3.3.3(b )所示。

可见，交流负载电阻为Lc L c L R R R R R +=' (3.3.2) 在图3.3.4上过Q 点，作斜率为L /1R '的直线，得交流负载线N M ''。

图3.3.3 放大器交流负载电阻示意图 图3.3.4 放大倍数的图解分析2．图解分析如图3.3.4所示，根据B i 的变化范围Bmax i 和Bmin i ，得到工作点的变化范围1Q 、2Q ，可得输出电压的动态范围m in CE m ax CE V V -，所以输出电压的幅值CEQ max CE om V V V -=；若输入信号的幅值为im V ，则放大器的电压放大倍数imom V V A v = (3.3.3) 三、静态工作点与波形失真的图解如图3.3.5所示。

1．饱和失真如果静态工作点接近于A Q ，在输入信号的正半周，管子将进入饱和区，输出电压v ce 波形负半周被部分削除，产生“饱和失真”。

2．截止失真如果静态工作点接近于B Q ，在输入信号的负半周，管子将进入截止区，输出电压v ce 波形正半周被部分削除，产生“截止失真”。

3．非线性失真非线性失真是由于管子工作状态进入非线性的饱和区和截止区而产生的。

从图3.3.5可见，为了获得幅度大而不失真的交流输出信号，放大器的静态工作点应设置在负载线的中点Q 处。