晶体管放大电路

基本共射放大电路

工作原理

工作原理使用基本共射放大电路来分析。

这是个原理性质的电路，因为输入和输出有一个共用端，因此叫作基本共射电路。

从输入回路来看， $V_{B B}$ 是要让这个回路导通， $R_{b}$ 也是必要的，如果没了，三极管会烧掉。相当于直接给二极管加了个电源。

输出回路， $V_{C C}$ 使得BC有个正确的偏置，也是负载的能源。 $R_{C}$ 里流过的电流就是集电极电流，起到了电流电压转换作用，将 $Δ i_{C}$ 转化为 $Δ u_{C E}$ 。

最前面的信号是变化的电压 $Δ u_{i}$ ，导致 $Δ i_{b}$ 变化，使得 $Δ i_{c}$ 变化，通过电阻后，最终 $Δ u_{o}$ 变化。

静态工作点的必要性。

当信号为0时，流过的电流就是静态工作点。在放大电路里有静态工作点，而且要人为的设计这个工作点。

为何放大交流量还要个直流量呢？即在信号为0时，也要有合适的直流电压，交流小信号直接作用与三极管，可能都不够PN结的开通电压的，小信号可能也就几个毫伏，从这个点考虑，需要直流偏置。使得在有动态输入的时候管子始终工作在放大状态。

静态工作点的位置几乎影响着所有的动态参数，虽然被放大的是交流量。

波形分析，不再强调了，认为是中频小信号。有了直流偏置以后，动态信号是驮载再直流量上的。

按照这种接法的输出（电压）信号是反相的，如果输入信号增大，那么CE电压会减小，输入信号过大，输出小不下来了，这就意味着管子饱和了。饱和意味着 $i_{b}$ 可以增大，但是 $i_{c}$ 不能再大了，由于是反相的，所以饱和失真是底部失真。

截止失真是输出电流小不下去了，输出电压接近 $V_{c c}$ 了，截止失真，顶部失真。

饱和失真是输入没有失真，输出出问题；截止失真输入回路就失真了。

失真这个问题要搞清楚，将来调试电路的时候也有个入手的地方，要想让输出不失真，要保证晶体管始终工作在放大区。

因此放大电路的组成原则：

静态工作点合适，即电源和两个电阻合适（合适的参数）
动态信号能够作用于晶体管输入回路
实用放大电路要求共地、直流电源种类少、负载上无直流分量

补充

一个电源意味着一套电路。输出有直流量，因此这是个原理电路，非实用电路。

两个实用放大电路

上面这个原理性的电路，没法直接用，其存在的问题是两种电源且信号源和放大电路不共地，因此稍微处理一下。一种实用放大电路是直接耦合共射放大电路，耦合就是连接的意思，直接耦合放大电路就是直接连起来。

这时候分析这个电路的静态工作点，输入信号为0，相当于短路。

静态时， $U_{B E Q} = U_{R_{b 1}}$ ；动态时，be间电压是 $u_{1}$ 和电阻 $R_{b 1}$ 上电压之和。

还有另外一种耦合方式，阻容耦合放大电路

对于耦合电容 $C_{1}, C_{2}$ ，应该要比较大，使得在通频带里的交流信号通过电容和导线一样。

静态时，两个电容是有电压的， $C_{1}$ 两端是BE电压， $C_{2}$ 两端是CE电压。其静态工作电压 $U_{B E Q} = U_{C 1}$ ， $U_{C E Q} = U_{C 2}$ 。

动态时，信号相当于没有损失的直接加载BE上， $u_{B E} = u_{I} + U_{B E Q}$ ，这个驮载就体现出来了。输出端，输出量是CE减去一个电容上的不变量，因此输出是一个完全的交流量。

因此这个耦合电容的作用是隔直通交。这个电路特别好，在集成运放出现前，这个电路是用的最广泛的一个放大电路。

补充

现在有三个电路了。一个是原理电路，两个实用电路：直接耦合、阻容耦合。

直接耦合是用个电阻串在输入和晶体管之间，这个电阻影响着动态也影响着静态。

阻容耦合，比较好，解决了前面的问题，但是也有自己的问题。电容在频率比较低的时候，容抗就很大了。

放大电路分析方法(以共射为例电路求解)

放大电路的分析方法就是求解静态工作点和动态放大倍数的方法。

直流通路和交流通路

为什么会有这个问题呢？放大电路里直流和交流是共存的，又有电容、电感存在，因此交流和直流信号流过的路是不一样的，因此就分开来去看，这也是模拟电路里的一种分析方法。

引入直流通路和交流通路的额概念。

直流通路解决静态工作点的问题，分析时的原则

让信号源为0但是保留内阻
电容开路
电感短路

交流通路解决信号的问题

大电容短路
直流电源为0，也相当于短路（理想电源无内阻）

对于最基本的放大电路

直流通路

I_{B Q} = \frac{V_{B B} - U_{B E Q}}{R_{b}}

I_{C Q} = β I_{B Q}

U_{C E Q} = V_{C C} - I_{C Q} R_{e}

输入特性曲线折线化处理了，认为PN结压降是个固定值。

交流通路的处理：

直流电源为0，相当于短路处理了，要在直流偏置合适以后再分析交流。

对于阻容耦合电路

直流通路电容开路处理

I_{B Q} = \frac{V_{C C} - U_{B E Q}}{R_{b}}

I_{C Q} = β I_{B Q}

U_{C E Q} = V_{C C} - I_{C Q} R_{c}

甚至可以直接这么算 $I_{B Q} \approx \frac{V_{C C}}{R_{b}}$ ， $V_{C C}$ 比较大的时候，这个误差是可以接受的。

交流通路

使用直流通路可以估算静态稳定点的具体值。

一般来说，放大电路的 $I_{b}$ 为微安级别， $I_{c}$ 大概是毫安级别。

图解法

把原来的电路变成图解法比较容易的形式，把管子明显的露出来。

使用图解法需要实测晶体管的输入、输出特性。

对于输入侧

u_{B E} = V_{B B} - i_{B} R_{b}

晶体管的输入特性和输入回路的负载线有个交点：

对于输出，有

u_{C E} = V_{C C} - i_{C} R_{c}

这个东西在数学上的本质和一个二元方程组的图解法差不多。

对于动态放大倍数的分析，有

u_{B E} = V_{B B} - i_{B} R_{b} + Δ u_{I}

相当于输入有个小平移，这一步一步就对应到输出上去了。

给定 $Δ u_{I} \to Δ i_{C} \to Δ u_{C E} \to A_{u}$

图解法并不是个好方法，但是研究放大过程，更能深入理解放大电路输入如何作用，输出怎么回事。

此外，用图解法研究失真也很不错。

截止分析

截止失真输出是正弦，在输出端因为二极管不导通了，输入波底部失真，在输出的时候，IV转换反相了，故截止失真首先在输入回路产生，输出顶部失真。

因此消除截止失真，要往上抬Q点。

改电源是可以的，但是比较愚蠢。减小 $R_{b}$ 不行。

对于饱和失真

Q随着负载线向左上方运动，进入饱和区了，CE电压再也上不去了，输出电压再也下不去了，因此饱和失真出现在输出侧，输出信号底部失真。

等效电路法

电子电路归根结底是电路，如果把半导体器件用等效电路可以描述出来，那么替换后的电路和电路分析里面的电路是一样的。

等效是有条件的，半导体有非线性特性，在一定条件下用线性元件模型去描述。在计算机仿真的时候，要想把一个三极管描述的很完整需要40个左右参数，如果用这种模型描述一个CPU，很难。但是近似分析的时候，只分析外特性，然后再看低频小信号如何操作。

首先看直流模型，还是那个熟悉的电路。

在前面的几个公式，实际上不知不觉中，已经建立了一个晶体管的近似模型，现在画出来

这里的二极管是理想二极管，是NPN三极管的两个PN结，这个模型把BE的PN结处理为一个恒压源，放大后认为就是个流控电流源(CCCS, Current Controlled Current Source)。注意条件为低频小信号。

晶体管的交流等效模型用h参数来处理，交流通路里把晶体管看成二端口网络。

端电压和电流关系可以写成…

经过一定简化，可以有简化的h参数等效电路，

r_{b e} \approx r_{b b^{'}} + β \frac{U_{T}}{I_{C Q}}

共射放大电路动态参数分析

在此基础上，分析一下基本共射电路的动态等效电路：

前提是静态工作点合适，低频小信号。写出来我们关注的输入输出电压

{\dot{U}}_{i} = {\dot{I}}_{b} (R_{b} + r_{b e})

{\dot{U}}_{o} = - {\dot{I}}_{c} R_{c}

因此放大电路的电压放大倍数为：

{\dot{A}}_{u} = \frac{{\dot{U}}_{o}}{{\dot{U}}_{i}} = - \frac{β R_{c}}{R_{b} + r_{b e}}

这个负号不能丢，表达了共射放大电路输出和输入的反相关系。这个表达式并没有表达Q点对他的影响。因此反复强调，Q点要合适。

输入电阻很简单，输出电阻可以先把电流源等效为一个电压源（诺顿定理），就是 $R_{c}$ 。

R_{i} = R_{b} + r_{b e}

R_{o} = R_{c}