基本放大電路的研究

宋立范

摘 要： 自然界中的物理量大部分是模擬量，如溫度、壓力、長度、圖像及聲音等，都需要用傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而轉(zhuǎn)換后電信號(hào)一般都很小，不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作（或進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換和傳輸）。于是，人們?cè)诘玫竭@個(gè)很小的電信號(hào)時(shí)，首先要對(duì)它們進(jìn)行放大。這里所說的放大不是將原物的形狀按一定比例放大，放大電路中的放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換。因此電子電路中放大電路得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 基本放大電路 工作原理 性能指標(biāo)

一、基本放大電路的放大概念

基本放大電路又稱放大器，其功能是把微弱的電信號(hào)不失真地放大到所需要的數(shù)值。這里微弱的電信號(hào)是可以由傳感器轉(zhuǎn)化的模擬電信號(hào)，也可以是來自前級(jí)放大器的輸出信號(hào)或是來自于廣播電臺(tái)發(fā)射的無線電信號(hào)等?；痉糯箅娐?，是指由一只放大管構(gòu)成的簡(jiǎn)單放大電路。放大電路中的放大，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)能量的控制和轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入電信號(hào)較小，不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，需要另外提供一個(gè)直流電源。在輸入信號(hào)的控制下，放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為較大的輸出能量，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種用小能量控制大能量的能量轉(zhuǎn)換作用，即為放大電路中的放大。因此，基本放大電路實(shí)際上是一個(gè)受輸入信號(hào)控制的能量轉(zhuǎn)換器。

二、基本放大電路的分類及工作原理

在放大電路中，應(yīng)用最廣泛的是共發(fā)射極放大電路（簡(jiǎn)稱共射電路），常見的共發(fā)射極放大電路有兩種，一種是基本共發(fā)射極放大電路，另一種是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共發(fā)射極放大電路，也稱分壓式共發(fā)射極放大電路。

1.電路的組成及各元器件的作用

為了實(shí)現(xiàn)不失真地放大輸入的交流信號(hào)，放大電路的組成必須遵循以下規(guī)則：

（1）加入直流電源的極性必須使晶體管處于放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

（2）為了保證放大電路不失真的放大輸入的交流信號(hào)，在沒加入輸入信號(hào)時(shí)，還必須給晶體管加一個(gè)合適的直流電壓、電流，稱之為合理地設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。

（3）如下圖所示按照上述原則組成的基本共發(fā)射極放大電路。

電路中各元件的作用：

VT為NPN型晶體管，是放大電路中的核心器件，在電路中起放大作用。Vcc為直流電源，是放大電路的能源，其作用有兩個(gè)，一是保證晶體管工作在放大狀態(tài)，通過Rb、Rc（Rb>Rc）給晶體管的發(fā)射結(jié)提供正偏電壓，給集電結(jié)提供反偏電壓；二是提供能量，在輸入信號(hào)的控制下，通過晶體管將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的較大的交流能量。

Rb為基極偏置電阻，作用有兩個(gè)：一是給發(fā)射結(jié)提供正偏電壓通路；二是決定靜態(tài)基極電流Ib的大小。當(dāng)Vcc、Rb的值固定時(shí)，Ib也固定了，所以這種電路也被稱為固定偏置放大電路。

Rc為集電極負(fù)載電阻，作用有兩個(gè)：一是給集電結(jié)提供反偏電壓通路；二是通過Rc將晶體管集電極電流的變化轉(zhuǎn)換成集成電極電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。

C■、C■為耦合電容，作用是“隔直通交”，即把輸入信號(hào)中交流成分傳遞給晶體管的基極，再把晶體管集電極輸出電壓中的交流成分傳遞給負(fù)載。因此要求C■、C■在輸入信號(hào)頻率下的容抗很?。梢暈槎搪罚?。在低頻率放大電路中，C■、C■容量均取的很大，常采用幾十微法的電解電容。

2.放大電路的工作原理

從放大電路的組成可知，放大電路正常放大信號(hào)時(shí)，電路中既有直流電源Vcc，又有輸入的交流信號(hào)Ui，因此電路中晶體管各級(jí)的電壓電流中有直流成分，也有交流成分，總電壓、總電流是交直流的疊加。為了便于分析，通常把放大電路中的直流分量和交流分量分開討論。當(dāng)沒加輸入信號(hào)時(shí)電路中只有直流流過，稱這種情況為放大電路的直流工作狀態(tài)，簡(jiǎn)稱靜態(tài)。加入輸入信號(hào)后，電路中交直流并存，當(dāng)只考慮交流不考慮直流時(shí)，這種情況下稱放大電路處于交流工作狀態(tài)，簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)。

（1）放大電路的靜態(tài)，為了不失真地放大輸入信號(hào)，必須保證晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，始終處于放大狀態(tài)。例如：當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，如果不設(shè)置直流工作狀態(tài)，則幅值為0.5V以下的輸入信號(hào)都會(huì)使晶體管處在截止?fàn)顟B(tài)（硅管），而不能通過放大電路，輸出信號(hào)將出現(xiàn)失真。因此，在沒加輸入信號(hào)前，需要給放大電路設(shè)置一個(gè)合適的工作狀態(tài)。當(dāng)電路參數(shù)（Vcc、Rb、Rc）確定之后，對(duì)應(yīng)的直流電流、電壓Ib、Ic、Uce也就確定了，根據(jù)這三個(gè)直流分量，可以在晶體管輸出特性曲線上確定一個(gè)點(diǎn)，稱這個(gè)點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。通常直流工作點(diǎn)上的電流、電壓用Ibq、Icq、Uceq表示。

（2）放大電路的動(dòng)態(tài)，在放大電路的輸入端加上正弦信號(hào)Ui，經(jīng)過C■送到電路的輸入端產(chǎn)生電壓為Ubc，由Ubc產(chǎn)生一個(gè)按正弦變化的基極電流Ib，次電流疊加在靜態(tài)電流Ibq上，使得基極的總電流為IB=Ib+IBQ。晶體管放大，集電極產(chǎn)生一個(gè)和Ib變化規(guī)律一樣，且放大β倍的正弦電流Ic（Ic與Ui相位相同），這個(gè)電流疊加在靜態(tài)電流ICQ上，使集電極的總電流為Ic=ICQ+Ic。當(dāng)Ic流過Rc時(shí)，Rc上也產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓URC=RcIc（與Ic的變化相同）由于Uce=Uce-IcRc，所以Rc上的電壓變化，必將引起壓管壓降Uce反方向的變化（與Ic的變化相反）。

由上述可知，基本共發(fā)射極放大電路是利用晶體管的電流放大作用，并依靠Rc將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，使輸出電壓的數(shù)值上比輸入電壓大很多，相位上與輸入電壓相反，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。

3.基本放大電路的分類

（1）靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共發(fā)射極放大電路。放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)位置不僅決定電路是否會(huì)產(chǎn)生失真，還影響著電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)。如果靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，放大電路的這些參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使放大電路不能正常工作。因此如何保持靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定是十分重要的。

（2）共集電極放大電路。共集電極放大電路具有輸入電阻大、輸出電阻小及較強(qiáng)的電流放大能力，但它不具備電壓放大作用。因此，它從信號(hào)源索取的電流小，帶負(fù)載的能力強(qiáng)，還可以通過輸入輸出電阻的變換，使多極放大電路前后級(jí)阻抗達(dá)到匹配。所以在多極放大電路中，共集電極放大電路常用作輸入級(jí)、輸出級(jí)緩沖級(jí)。

（3）共基極放大電路。共基極放大電路具有輸入電阻小（只有幾十歐）、輸出電阻較大（與基本共發(fā)射極放大電路相同）的特點(diǎn)，雖然具有較強(qiáng)的同相電壓放大能力，但不具備電流放大作用。它的同頻率較好，適于做寬頻帶放大電路。

（4）共源極放大電路。常用的共源極放大電路有兩種：一種是自給偏壓式共源極放大電路，另一種是分壓式共源極放大電路。

（5）共漏極放大電路。共漏極放大電路又稱為源極跟隨器、源極輸出器，它與晶體管射極跟隨器有類似的特點(diǎn)，如輸入阻抗高、輸出阻抗低、放大倍數(shù)小于且接近1等，應(yīng)用比較廣泛。

三、基本放大電路的主要性能指標(biāo)

任何一個(gè)放大電路，均可將其視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示。

在放大電路的輸入端A、B處接信號(hào)源，稱此閉合回路為輸入回路。信號(hào)源是所需放大的輸入電信號(hào)，輸入電信號(hào)可以等效電壓源或電流源。圖中Rs是信號(hào)源的內(nèi)電阻；Us為理想電壓源。

在放大電路的輸出端C、D處接負(fù)載，稱此閉合回路為輸出回路。負(fù)載是接受放大電路輸出信號(hào)的換能器。為了分析問題方便，一般負(fù)載用純電阻RL來等效。

信號(hào)源和負(fù)載對(duì)放大電路的工作將產(chǎn)生一定影響。直流電源是用以提供放大電路工作時(shí)所需要能量的，同時(shí)也為放大電路中的放大管處于正常放大狀態(tài)提供合適的直流電壓。

四、結(jié)語

模擬電子技術(shù)在現(xiàn)代國防建設(shè)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、通信及文化生活等各個(gè)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，并起著巨大的作用。特別是在各個(gè)領(lǐng)域中的自動(dòng)化控制中，模擬電子技術(shù)無處不在。所以在研究基本放大電路時(shí)我們應(yīng)該持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，認(rèn)真對(duì)每一項(xiàng)工作負(fù)責(zé)，通過自己的努力能夠更好地、更詳細(xì)地運(yùn)用基本放大電路。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜俐俠.模擬電子技術(shù)項(xiàng)目式教程.