《大型养路机械电子电路技术基础》培训教材第05章

（3）集电极电源和集电极电阻Rc的作用
电压为UCC的集电极电源通过Rc给集电结加反向偏置电压，UCC一定时，Rc可以在无输入信号时，使三极管的集电极直流电压UCE达到合适的数值。此外，Rc还将集电极电流的变化量转换为集电极电压的变化量，也就是通过Rc把三极管的电流放大特性转化为电压放大特性。Rc数量级为102～103。
放大器的种类很多，按照信号的频率划分，可分为低频放大器、中频放大器、高频放大器和直流放大器等。
本章通过对低频电压放大器（信号频率从20Hz～200kHz）的介绍，来了解放大电路的一些基础知识。首先介绍简单的三极管放大电路的组成和工作原理，然后讨论三极管放大电路静态工作点变动的原因及其影响，并介绍静态工作点稳定的电路。
这是一个只有大小变化而没有正、负变化的单向脉动直流，如图5.9（b）所示。
随uBE的增大和减小，基极电流iB也相应增大和减小，故iB也是单向脉动直流，如图5.9（c）所示。这时的基极电流iB是由两个电流成分叠加而成，一个是由UCC和Rb所决定的静态直流IBQ（直流分量），另一个是由ui引起的交流电流[交流分量，ib＝Ibmsin ]，即
放大电路往往是由多个单级放大电路组成的，本章还将介绍多级放大电路常用的三种耦合方式，以及放大器频率特性的概念和负反馈放大器。
第一节共发射极基本放大电路
一、电路组成
图5.1单管放大电路
图5.1所示是简单的单管共发射极放大电路。电路左边aa两点间为输入端，要放大的输入交流信号ui加于输入端；右边bb'两点间为输出端，输出放大后的交流信号uo到外接负载RL。电路以发射极作为输入和输出的公共电极，所以属于共发射极电路。
瞬时值
iBiCuBEuCE
交流分量
ibicubeuce
大写
直流分量
IBIcUBEUCE
交流有效值（或最大值）
Ib(Ibm)Ic(Icm)
Ube(Ubem)Uce(Ucem)
三、单管放大电路的工作原理
下面分两种情况讨论电路的工作原理：一是无输入信号，电路处于静止状态（ui＝0，静态）时的情况；二是加入ui，放大电路进入交流工作状态（动态）时的情况。
2.交流工作状态
从以上分析知道，输入信号电压ui＝0时，放大电路处于静止状态，在这个基础上加入输入信号ui后，则放大电路进入交流工作状态，简称动态。此时，电路中的电压、电流随输入信号作相应变化。
（1）动态时三极管各极电压和电流的波形
在图5.8所示电路中，设输入信号为一幅度很小的正弦波，即：
ui＝Uimsin
解IBQ≈ ＝ ＝0.044（mA）＝44（A）
ICQ≈IBQ＝50×0.044＝2.2（mA）
UCEQ＝UCC－ICQRc＝6－2.2×1＝3.8（V）
例5.2在图5.3所示放大电路中，UCC＝24V，三极管＝50，已选定静态工作点为ICQ＝1mA，UCEQ＝8V，试计算Rb和Rc之值。
解IBQ≈ ＝ ＝0.02（mA）＝20（A）
UCEQ＝UCC－ICQRc（5.4）
根据以上各式，就可以估算出放大电路的静态工作点。由于集电极电压UCEQ是直流电压，不能通过隔直流电容器.3中，已知Rb＝135k，UCC＝6V，Rc＝1k。三极管V是NPN型硅管，＝50。求该放大电路的静态工作点。
为了避免放大电路产生严重的失真，就必须正确地安排静态工作点，即在无信号时就应预先给发射结加一个正向偏压UBEQ，使晶体管有一静态基极电流IBQ，如图5.7所示。这样，随ui变化的iB始终处于放大区内，在ui的整个周期内，三极管均不会截止，从而避免了放大电路产生失真。
由此可见，1个放大电路，为了不失真地放大交流信号，必须安排合适的静态工作点，使晶体管处于合适的直流工作状态，以保证放大电路的正常工作。
第五章放大电路基础
放大电路也称放大器，其作用是将微弱的电信号进行放大，它是组成各种电子电路的基础，应用十分广泛。对放大电路的主要要求有两个方面：第一是要具有一定的放大能力，放大后的输出信号电压（电压放大器）或输出信号功率（功率放大器）达到要求；第二是失真要小，即放大后输出信号的波形应尽可能保持与输入信号波形一致。
在电路中，通常还把输入回路和输出回路的公共端称为“地”（实际并不一定接到大地，往往接机壳或底板），并把“地”当作零电位，作为电路中其余各点电压的参考点。电路中各点的电位如无特殊注明，都是指该点对“地”的电位。
在图5.2中，UCC负极接地，所以在图中可以只标出它的极性和大小，不再画出电源的符号，如图5.3所示。这是电子电路中的习惯画法，后面将经常采用这种画法。
由图5.9和式（5.9）可以看出，共发射极放大电路输出信号电压uo与输入信号电压ui的相位相反。这是因为ui正半周时使iB和iC增大，Rc上的压降增大，从而使集电极电压的瞬时值uCE减少，uo为负半周。反之，当ui为负半周时，uCE增大，uo为正半周。共发射极放大电路输出电压uo与输入电压ui反相的这种现象，称为倒相作用。
uCE＝UCEQ－URmsin ＝UCEQ＋uce＝UCEQ－Ucemsin （5.8）
其波形如图5.9（f）所示。
由于uCE的直流成分UCEQ被耦合电容C2隔断，因此，只有交流成分可以通过C2到达输出端，成为放大电路的输出信号电压uo，即
uo＝uce＝－Ucemsin （5.9）
其波形如图5.9（g）所示。
1.静止状态
（1）直流通路与静态工作点
在放大电路没有输入信号（ui＝0）时，UCC通过Rb和Rc加到晶体三极管，使管子产生直流的基极电流IB、集电极电流IC，并呈现直流的发射结电压UBE和集电极—发射极间电压UCE。由于ui＝0时，电路中的电流、电压都是不随时间变化的直流量，放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。
其波形如图5.9（d）所示。
随iC的变化，在Rc两端产生的压降uR也是一个单向脉动直流电压，由直流（直流分量）和交流（交流分量）两个电压叠加，即
uR＝URQ＋URmsin
其波形如图5.9（e）所示。
由集电极回路可知，集电极瞬时电压uCE为
uCE＝UCC－uR＝UCC－URQ－URmsin
因为UCEQ＝UCC－ICQRc＝UCC－URQ，所以集电极瞬时电压uCE也是一个单向脉动电压，即
电压和电流的正方向是相对而言的，为了便于分析，一般规定：不论是电压的瞬时值、直流分量或交流分量，都以“地”为参考点（零电位）；电流不论是瞬时值、直流分量或交流分量，都以流入晶体管的基极和集电极为电流正方向。
表5.1三极管各极电压和电流的瞬时值、直流分量和交流分量的表示方法
下标
大写
小写
电
压
或
电
流
符
号
小写
iB＝IBQ＋ib＝IBQ＋Ibmsin （5.6）
由于iC＝ iB，iB的微小变化能使iC产生较大的变化。这时的集电极瞬时电流也是单向脉动直流，也可以看成是两个电流的叠加，一个是静态直流（直流分量ICQ），另一个是交流电流（交流分量，iC＝Icmsin ），即
iC＝ICQ＋Icmsin （5.7）
静态时三极管的基极直流IB、UBE，集电极直流IC、UCE的数值，与晶体三极管输入、输出特性曲线上一点Q相对应，如图5.4所示。Q点称为放大电路的静态工作点。为了表明IB、IC、UBE、UCE是对应于Q点的静态值，分别将它们写作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。
（a）输入特性曲线（b）输出特性曲线
图5.4静态工作点的表示
放大电路未加输入信号时，由于电容的隔直作用，不会有直流电流通过耦合电容C1、C2，所以C1、C2对直流而言可视为开路，电路的直流通路如图5.5中实线部分所示。
在静态时，电容C1充电后两端加上直流电压，数值等于三极管基极对地电压UBEQ；同样，C2两端也加上直流电压，数值等于集电极对地电压UCEQ。在设计电路时，C1和C2的容量均选得足够大，这样加入交流信号后，电容两端的直流电压数值将基本不变。
在低频放大电路中，耦合电容的容量较大，为5～50F，一般采用电解电容，在电路中连接时要注意它的极性。
2.电路简化和习惯画法
图5.1所示电路中用两个直流电源（UCC和UBB）供电，这在实用上是不方便的。由于UCC和UBB的负极是连在一起的，所以可以用一个电源供电。在图5.1中，当选用UBB等于UCC时，则p、s两点等电位，将p、s两点进行连接，即可省一组电源，如图5.2所示。UBB提高到UCC的数值后，只需相应提高Rb的数值，就可以使发射结获得合适的正向偏压。
图5.5放大电路的直流通路
（2）静态工作点的计算
放大电路的静态工作点指的是放大电路在静态时二极管的电压和电流值。由图5.5可知，基极直流回路由UCC、Rb、三极管基极和发射极组成，所以，静态直流电流为
（5.1）
由于发射结是正向偏置，UBEO很小，对于硅管约为0.7V，锗管则约为0.3V，当满足UCC>>UBEQ时，可取
图5.2单电源供电的单管放大电路图5.3单管放大电路的习惯画法
二、电压、电流符号和正方向的规定
放大电路工作时，三极管各极电压和电流都是变化量，每一时刻电压、电流的数值称为瞬时值，这个瞬时值又包括直流分量和交流分量。为了清楚地表示瞬时值、直流分量和交流分量，以下通过电压、电流符号的大小写和下角标的大小写加以区别，如表5.l所示。
（5.2）
式（5.2）表明，在UCC和Rb确定之后，静态基极电流（偏流）IBQ近似为一固定值，因此常把这种电路称为固定偏置放大电路。
由于晶体管的电流放大作用，对应于静态基极电流IBQ，集电极电流ICQ应为
ICQ≈IBQ（5.3）
从图5.5可看出，集电极直流回路为UCC、Rc、三极管集电极和发射极所组成，所以
Rb≈ ＝ ＝1220（k）
Rc≈ ＝ ＝16（k）
（3）静态工作点的意义
通过控制IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ的数值，可使静态工作点位于放大区（见图5.4），输入交流信号不失真地放大。如果静态工作点安排不合适，放大器将不能正常工作。如在图5.6（a）中，由于Rb没有接UCC，所以UBEQ、IBQ、ICQ几乎为零，UCEQ≈UCC。由图5.6（b）所示输入特性曲线可见，这时静态工作点位于O点（截止区）。输入信号ui加入后，uBE＝ui。在ui的负半周，晶体管的发射结反向偏置，因此没有基极电流产生。在ui的正半周，如果ui幅度很小，不超过输入特性曲线截止区电压，晶体管的基极电流、集电极电流仍近似为零（如图中当ui波形为虚线情况时），即放大电路对小信号失去放大作用。