第 2 章 信号放大电路 一般来说，信号是信息的载体。例如，声音信号可以传递语言、音乐或其他信息，图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息。声音或图像信号无法直接传递给电子电路系统，需要先用传感器把它转换为电信号，然后送到电子电路系统中去进一步放大处理。本章介绍信号的放大原理。

2.1 放大的概念和放大电路的主要性能指标

放大的概念 放大电路的主要性能指标

2.1.1 放大的基本概念

一般得说，信号是信息的载体。例如，声音信号可以传递语言、音乐或其他信息，图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息。声音或图像信号无法直接传递给电子电路系统，需要先用传感器把它转换为电信号，然后送到电子电路系统中去进一步放大处理。如图 2-1 所示。

扩音机的原理图

图 2 -1 扩音机的原理图

话筒（麦克风）将较小的声音信号转换成微弱的电信号，经放大电路放大后，变成大功率的电信号，推动扬声器（喇叭），还原为强大的声音信号。扬声器所获得的能量远大于话筒送出的能量。 可见，放大电路的本质是能量的控制和转换；是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源提供的能量。 因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。

2.1.2 放大电路的主要性能指标1. 放大倍数

放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标，其值为输出量 （或 ）与输入量 （或 ）之比。它实际反映了电路在输入信号控制下，将直流电源能量转换为交流输出信号能量的能力。

iUo

Uo

I

电压放大倍数是输出电压 与输入电压 之比，即

i

o

u U

UA

oU

iU

iI

2. 输入电阻

图 2-2 放大电路的示意图

i

i

i I

UR

放大电路与信号源相连接就称为信号源的负载，必然从信号源索取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻。如图 2-2 所示，其定义为输入电压有效值 和输入电流有效值 之比，即iIi

U

3. 输出电阻

图 2-3 求放大电路的输出电阻

0

sUT

T

o I

UR

任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻 RO 。放大电路的输出电阻 RO 的大小决定它带负载的能力。如图 2-3 所示。

4. 通频带 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中存在电容、电感及半导体器件结电容等电抗器件，所以，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。 一般情况， 放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。这一特定的频率范围就称为通频带。

5. 非线性失真系数

00

1

2 1002

o

kok

U

U

由于放大器件（三极管、场效应管或集成电路）均具有非线性的特性，它们的线性放大范围有一定的限制，当输入信号幅度超过一定数值后，输出电压将会产生非线性失真。 对放大电路输入标准的正弦波信号，可以测出输入信号的非线性失真，并用下面定义的非线性失真系数来衡量。

2.2 单级放大电路 2.2.1 晶体管放大电路 在图 2-4 所示共发射极基本放大电路中，采用NPN 型硅晶体管， VCC 是集电极回路的直流电源，它的负端接发射极（地），正端通过电阻 RC 接集电极，以保证集电结为反向偏置， Rc 是集电极电阻，它的作用是将晶体管的集电极电流的变化转变为集电极电压的变化。 VBB 是基极回路的直流电源，它

的负端接发射极，正端通过基极偏置电阻 Rb 接基极，以保证发射结为正向偏置， VBB 通过 Rb 供给基极一个合适的静态基极电流 IBQ （常称为偏流）。 VBB 和 Rb 一经确定后，偏流 IBQ 就是固定的，所以这种电路通常称为固定偏置放大电路。

图 2-4 共发射极基本放大电路

图 2-5 共发射极基本放大电路的习惯画法及其直流通路

1.静态工作的设置 （ 1 ）静态工作点（ Q 点） 在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。当放大电路没有输入信号（ =0 ）时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。此时，晶体管的基极电流 IB ，集电极电流 IC ， b-e间电压 UBE 、管压降 UCE 称为放大电路的静态工作点（简称 Q

点），常将这四个物理量记作IBQ 、 ICQ 、 UBEQ 、 UCEQ 。

ui

（ 2 ）确定 Q 点

根据图 2–5(b) 所示直流通路图中电流，电压关系可得

在近似估算中常常认为 UBEQ 为已知量，对于硅管，取 UBEQ=0.6 ～ 0.8V ，通常取 0.7V ；对于锗管，取 UBEQ=0.1 ～ 0.3V ，通常取 0.2V 。

CCQCCCEQ

BQCQ

b

BEQCCBQ

RIVU

βII

IR

UV

（ 3 ）为什么要设置 Q点

图 2-7 没有设置合适 Q 点的共发射极基本放大电路

应当指出，当 Q点合适，其输入正弦信号 ui 幅值较小时，则 uo 与 ui 反相且波形不产生失真；当Q点过低时，在 ui 负半周靠近峰值的某段时间 uBE

小于开启电压 Uon ，晶体管截止，从而使 uo 波形产生顶部失真（截止失真）；当 Q点过高时，在ui 正半周靠近峰值的某段时间内晶体管进入了饱和区，使 uo 波形产生底部失真（饱和失真）。

对于放大电路的最基本要求，一是不失真，二是能够放大。如果输出波形产生严重失真，放大就毫无意义了。只有输入信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。因此，设置合适的静态工作点，就是保证放大电路在不产生失真的情况下进行放大。同时它还会对放大电路的动态参数产生影响。

举例 1

mAk

VV

R

UVI

b

BEQCCBQ 01.0

530

7.06

mAII BQCQ 101.0100

VkmAVRIVU CCQCCCEQ 3.37.216

【例 2-1 】 计算图 2-5 共发射极放大电路的静态工作点，已知 VCC=6V ， Rb=530kΩ ， RC=2.7kΩ ，晶体三极管为硅管， β=100 ， UBEQ=0.7V 。解：首先画出直流通路图如图 2-5 （ b ）所示，根据图有

(4) 放大电路 Q 的稳

定 图 2–8 （ a ）为分压偏置 Q点稳定电路。它是交流放大电路中最常用的一种工作点稳定的基本电路。它较好的解决了温度变化对管子参数的影响最终导致 Q点电流 IC 的变化。为便于讨论 Q点的稳定问题，设 =0 ，画出其直流通路如图 2-8 (b) 所示。

图 2-8 分压偏置工作点稳定电路

ui

在图（ b ）示电路中， B点的电流方程为：

I2=I1 － IBQ

为了稳定 Q点，通常情况下，参数的选取应满足 I1> >IBQ ，因此， I2≈I1 ，因而 B点电位

上式表明基极电位几乎决定于 Rb1 与 Rb2 对 VCC

的分压，而与温度无关，即当温度变化时， UBQ 基本不变。（ Rb1 、 Rb2 与 VCC 受温度的影响很小）

CC

bb

bBQ V

RR

RU

12

2

在此条件下，当温度上升时， IC(IE) 增加，在 Re 上的压降 IERe也要增加（ UE增加）， IERe 的增加部分会送回基极 -发射极回路去控制 UBE ，使外加于管子的 UBE减小（ UBE =UBQ-IERe ），由于 UBEQ 减小使 IBQ自动减小，结果牵制了 ICQ 的增加，从而使 ICQ 基本稳定。这就是反馈控制的原理。可将上述过程简写为：

T(oC) IC ( IE ) UE UBE IB

IC

T(oC) IC ( IE ) UE UBE IB

IC

T(oC) IC ( IE ) UE UBE IB

IC

T(oC) IC ( IE ) UE UBE IB

IC

图 2-8 （ b）所示电路稳定 Q点的原因

一是 Re 的直流负反馈作用；

二是在 I1>>IBQ 、 UBQ>>UBE 的情况下，在温度变化时 UBQ 基本不变，对于硅管，一般选取 I1=(5 ～ 10 )IBQ ， UBQ=3 ～ 5V 所以这种电路也称为分压偏置电流负反馈 Q点稳定电路。从理论上讲， Re越大，反馈越强， Q点越稳定。但实际上，对一定的 IC

，由于 VCC 的限制， Re太大会使晶体管进入饱和区，电路将不能正常工作。

)(

21

2

eCCQCCeEQCCQCCCEQ

CQ

BQ

e

BEQBQ

EQCQ

bb

b

BQ

RRIVRIRIVU

II

R

UUII

VccRR

RU

根据图 (b) 可近似估算 Q点

2. 放大电路动态参数的估算

图 2 -9 共射接法的晶体三极管

（ 1 ）晶体管共发射极 H参数微变等效电路共发射极 H参数微变等效电路如图 2-9 （ b ）所示。

)(

)(26)1(200)1(

mA

mV

I

Urr

I EQEQ

Tbbbe

式中 为基区体电阻，对于低频小功率管，约为200Ω左右； UT 为温度的电压当量，在室温（ 300

k ）时，其值为 26mV ； Q点越高，即 IEQ （ ICQ ）越大， rbe越小。

r bb

图中

① 画出微变等效电路

图 2-10 固定偏置共发射极放大电路

（ 2 ）共发射极放大电路动态参数的估算

② 求电压放大倍数

be

L

beb

Lb

b

Lc

i

ou

r

R

rI

RI

I

RI

U

UA

.

式中负号表示输出电压 与输入电压 相位相反。注意，计算时使用的小信号参数 β 和 都应是在 Q点上的参数。

U o U i

rbe

CLL RRR //

③计算输入电阻

rrRI

UR bebeb

i

ii //

Ri

通常有 Rb>> ，所以 在数值上接近 ，但二者的概念是不同的， 代表晶体管的输入电阻，而 代表放大电路的输入电阻。

rbe

rbe

rbe Ri

Ri

图 2-11 求放大电路的输入电阻

④计算输出电阻

I

UR

T

T

o

U s

0

求放大电路输出电阻时，令其信号源电压 us=0 ，但保留内阻 RS ，断开负载电阻 RL ，然后，在输出端加一个正弦波测试信号 UT 必然产生动态电流 IT ，如图 2-12 所示，

图 2-12 求固定偏置共发射极放大电路的输出电阻

则输出电阻为 ：

RI

UR c

T

To

RU

Ic

TT

kmA

mV

mAI

mVUrr

EQ

Tbbbe 866.0

6.1

26)401(200

)(

)()1(

VkmAVRIVU cCQCCCEQ 6.546.112. ImAAII EQBQCQ 6.14040

Ak

V

R

VI

b

CCBQ 40

300

12

【例 2-2 】 固定偏置共发射极基本放大电路如图 2-10 所示，已知VCC=12V ， Rb=300kΩ ， Rc=4kΩ ， RL=4kΩ ，晶体管为 3DG6 ，它在 Q点上的 β=40 。试求：（ 1 ）估算 Q点；（ 2 ）电压放大倍数 ；（ 3 ）输入电阻；（ 4 ）输入电阻。

解：（ 1 ）估算 Q点

（ 3 ）输入电阻

（ 4 ）输出电阻

（ 2 ）电压放大倍数

92866.0

44

44

40//

k

k

r

RR

r

RA

be

Lc

be

Lu

krRrR bebbei 866.0//

kRR co 4

【例 2-3】分压偏置基本放大电路如图 2-13 所示，已

知 VCC=12V ， Rb1=15kΩ ， Rb2=5kΩ ， Re=2.3kΩ ， RC=5.1kΩ ；晶体管的 β=50 ， UBEQ=0.7V 。 试求：（ 1 ）估算 Q点 ；（ 2 ）电压放大倍数 、

输入电阻 和输出电阻 ；（ 3 ）若换用 β=100 的 三极管，重新估算 Q点和 。

AuRi Ro

Au

图 2-13 分压偏置基本放大电路

解：（ 1 ）估算 Q点

VVVRR

RU CC

bb

bBQ 312

515

5

21

2

mAk

VV

R

UUI

e

BEQBQEQ 1

3.2

7.03

AmAmAI

I

VkmAVRRIVU

CQBQ

ecCQccCEQ

2002.050

1

6.4)3.21.5(112)(

(2 ）求 、 和 Au Ri Ro

kmA

mV

mAI

mVUrr

EQ

Tbbbe 5.1

1

26)501(200

)(

)()1(

855.1

1.51.5

1.51.5

50

r

RA

be

Lu

kkRRR bbb 75.3155

155// 21

kRR

kkrRR

co

bebi

1.5

1.15.175.3

5.175.3//

(3 ）当改用 β=100 的三极管后，其 Q点为

mAk

VV

R

UUII

e

BEQBQEQCQ 1

3.2

7.03

AmAmAI

I

VkmAVRRIVU

CQBQ

ecCQccCEQ

1001.0100

1

6.4)3.21.5(112)(

kmA

mV

mAI

mVUrr

EQ

Tbbbe 8.2

1

26)1001(200

)(

)()1(

9083.2

1.51.5

1.51.5

100

r

RA

be

Lu

与 β=50 时的放大倍数相差不大。