分析共射放大电路的动态性能

知识储备

放大电路在没有交流信号输入时静态电压和静态电流是固定的，即静态工作点Q是固定的。如果有信号输入时，三极管的工作状态是在静态的基础上再叠加一个交流分量，这时电路就工作在动态中。

1.放大电路的主要性能指标

放大电路放大的对象是变化量，研究放大电路除了要保证放大电路具有合适的静态工作点外，更重要的是研究其放大性能。衡量放大电路性能的主要指标有放大倍数、输入电阻ri和输出电阻ro。为了说明各指标的含义，将放大电路用图2.10所示的有源线性四端网络表示。图中，1-2端为放大电路的输入端，rs为信号源内阻，us为信号源电压，此时放大电路的输入电压和电流分别为ui和ii。3-4端为放大电路的输出端，接实际负载电阻RL，uo、io分别为电路的输出电压和输出电流。

图2.10　放大电路四端网络

1）放大倍数

放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标。放大倍数是指输出信号与输入信号之比，有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数最常用。

放大电路的输出电压uo和输入电压ui之比，称为电压放大倍数Au，即

放大电路的输出电流io和输入电流ii之比，称为电流放大倍数Ai，即

放大电路的输出功率Po和输入功率Pi之比，称为功率放大倍数Ap，即

工程上常用分贝（dB）来表示电压放大倍数，称为增益，它们的定义分别如下。

电压增益为

电流增益为

功率增益为

2）输入电阻ri

放大电路的输入电阻是从输入端1-2向放大电路看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻RL后，输入电压ui与输入电流ii之比，即

对于信号源来说，ri就是它的等效负载，如图2.11所示。由图2.11可得

由上面两式可见，ri是衡量放大电路对信号源影响程度的重要参数。ri值越大，放大电路从信号源索取的电流越小，信号源对放大电路的影响越小。

3）输出电阻ro

从输出端向放大电路看入的等效电阻，称为输出电阻ro，如图2.12所示。由图2.12可得

图2.11　求输入电阻的等效电路

图2.12　求输出电阻的等效电路

等效输出电阻用戴维南定理分析：将输入信号源us短路（电流源开路），但要保留其信号源内阻rs，用电阻串并联方法加以化简，计算放大电路的等效输出电阻。

实验方法测量输出电阻的步骤如下。

（1）将负载RL开路，测放大电路输出端的开路电压，即放大电路3-4端的开路电压，测得有效值为oU′。

（2）将负载RL接入，测量放大电路3-4端的电压，测得有效值为Uo。

（3）放大电路的输出电阻为

由上式可以看出，ro越小，输出电压受负载的影响就越小，放大电路带负载能力越强。因此，ro的大小反映了放大电路带负载能力的强弱。

2.图解法分析动态

1）输入回路的动态图解分析

以图2.5所示基本共射放大电路为例，其输入特性如图2.13（a）所示。输入端加入信号ui=20 sinΩt（mV）时，由于有隔直电容C1的存在，加在三极管发射结上的电压就是静态值UBEQ与ui的叠加值，即

利用uBE值在三极管输入特性曲线上可对应作出iB值，iB是静态电流IBQ与交流电流ib的叠加值，即

从图2.13（a）可看出

iB在20～60 μA范围内变动。

图2.13　图解法分析动态

（a）输入回路动态图解；（b）输出回路动态图解

2）输出回路的动态图解分析

随着iB的变动，iC也相应地变动，放大电路的工作点以Q点为中点，在直流负载线上变动。当输入信号ui为正半周，iB由40 μA向60 μA变动时，放大电路的工作点先由Q点移动到Q1点，再回到Q点。当输入信号ui为负半周，iB由40 μA向20 μA变动时，放大电路的工作点先由Q点移动到Q2点，再回到Q点。即放大电路的工作点随着iB的变动将沿着直流负载线在Q1点与Q2点之间移动，因此，直线段Q1 Q2是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。

对应的集电极电流iC的变化关系如图2.13（b）左部分所示，iC为

对应管压降uCE的变化形式如图2.13（b）下部分所示，uCE为

即

而输出电压uo是经过电容C2隔直后的交流管压降，即隔掉了直流量UCEQ，这时uo为

从图2.13中可以看出，输出电压uo和输入电压ui是反相的。图解分析法便于直观了解信号的放大过程和相关参数对放大电路的影响，对大信号和小信号均适用。

3.图解法分析静态工作点的位置对放大质量的影响

因为三极管是非线性器件，当静态工作点Q定得偏低，也就是IBQ和ICQ偏小时，会导致不能正常放大输入信号ui。如图2.14（a）所示，输入信号ui负半周会使工作点进入三极管输出特性曲线的截止区，从而不能被正常放大，此种失真称为截止失真。由于输入信号和输出信号是反相的，由图2.14（a）也可观察到，输出信号uo的正半周产生失真，截止失真也称顶部失真。

由上述分析可知，出现截止失真的原因是：因静态工作点Q偏低，即IBQ偏小，引起ICQ偏小造成的。因而防止截止失真的办法是将输入回路中的基极偏置电阻Rb减小，以增大IBQ、ICQ，从而使静态工作点Q上移，进入三极管放大区的中间位置。

图2.14　静态工作点对波形失真的影响

（a）Q点偏低引起截止失真；（b）Q点偏高引起饱和失真

当静态工作点Q定得偏高，也就是IBQ和ICQ偏大时，也会导致不能正常放大输入信号ui。如图2.14（b）所示，输入信号ui正半周会使工作点进入三极管输出特性曲线的饱和区，从而不能被正常放大，此种失真称为饱和失真。由图2.14（b）可以观察到，输出信号uo的负半周产生失真，饱和失真也称为底部失真。

由上述分析可知，出现饱和失真的原因是：因静态工作点Q偏高，即IBQ偏大造成的。因而解决饱和失真的办法是将输入回路中的基极偏置电阻Rb增大，即减小IBQ，从而使静态工作点Q下降，以保证在输入信号的整个周期内，三极管工作在线性放大区。

截止失真和饱和失真都是由于三极管的非线性造成的，所以统称非线性失真。

放大电路正常工作时，要求设置合适的静态工作点，尽可能有最大的不失真信号输出，如图2.15（a）所示。图2.15（b）和图2.15（c）所示为静态工作点不合适而产生的顶部失真和底部失真，可以通过调整电路中的基极偏置电阻Rb使Q点位置合适，消除失真。

图2.15　输出波形情况

（a）不失真输出波形；（b）顶部失真；（c）底部失真；（d）双向失真

需要注意的是，即使有了合适的静态工作点，当输入信号ui的幅值太大时，输出信号也会出现失真，如图2.15（d）所示，此种失真称为双向失真。

图2.16　固定偏置式放大电路

4.选择静态工作点的原则

（1）若使放大电路的输出电压不失真，并且尽可能地大，静态工作点Q应设在交流负载线的中点附近。

（2）如果输入信号幅值很小，在保证波形不失真的前提下，静态工作点应选低些，可减少电路的功耗。

（3）温度对静态工作点的影响。

在实际工作中，由于半导体材料的热敏性，三极管的参数几乎都与温度有关，从而导致放大电路的静态工作点Q不稳定，影响放大电路的正常工作。图2.16所示的共射放大电路称为固定偏置式放大电路，考虑三极管的穿透电流ICEO，有

所以当VCC和Rb一定时，ICQ与三极管的参数β、UBE及ICEO有关。当温度升高时，β值增大，ICEO增大，UBE减少，这都会引起ICQ增大，导致静态工作点Q不稳定。所以，应采取措施，以限制因温度变化而引起的三极管静态工作点的变化。

知识拓展

1.三极管的微变等效模型

由于放大电路中含有三极管，属于非线性元件，直接分析计算比较复杂。但是，当三极管的静态工作点正常，并且输入微小变化的交流信号时，三极管的电压和电流近似为线性关系。因此，在小信号输入时，为计算方便，将三极管等效为一个线性元件，称为三极管的微变等效模型；将三极管组成的放大电路等效为线性电路，通常称为微变等效电路。

1）三极管基极与发射极间的等效

放大电路正常工作时发射结导通，即基极与发射极之间相当于一个导通的PN结，如图2.17（a）所示。三极管的输入二端口等效为一个交流电阻rbe，如图2.17（b）所示。它是三极管输入特性曲线上工作点Q附近的电压微小变化量与电流微小变化量之比。根据三极管输入回路结构分析，r的数值可以用下列公式计算，即

图2.17　三极管微变等效过程

（a）NPN型三极管；（b）三极管基-射极间的等效；（c）三极管集-射极间的等效；（d）三极管的微变等效电路

2）三极管集电极与发射极间的等效

当三极管工作在放大区时，ic的大小只受ib的控制，ic=βib，即实现了三极管的受控恒流特性。所以，三极管集电极与发射极间可等效为一个理想受控电流源，大小为β ib，如图2.17（c）所示。将图2.17（b）和图2.17（c）组合，即可得到三极管的微变等效模型，如图2.17（d）所示。

2.利用微变等效电路分析放大电路的动态性能指标

共射放大电路如图2.18（a）所示，为了分析动态性能指标，首先画出放大电路的交流通路，如图2.18（b）所示。然后将电路中的非线性元件——三极管用微变等效模型代换，则得到图2.18（c）所示的放大电路的微变等效电路。

（1）电压放大倍数（有载），由图2.18（c）可得

式中“-”表示输出信号与输入信号相位相反。

图2.18　共射放大电路

（a）共射放大电路；（b）交流通路；（c）微变等效电路；（d）考虑信号源内阻时的微变等效电路

图2.19　交流负载线

读者可以思考一下，当放大电路不带负载RL时，交流负载线是什么呢？电压放大倍数如何求解？

（2）输入电阻ri，有(www.xing528.com)

当Rb＞＞rbe时，ri≈rbe 。

（3）输出电阻ro。

在图2.18（c）中，根据戴维南定理等效电阻的计算方法，将信号源us=0，则ib=0，β ib=0，可得输出电阻为

（4）源电压放大倍数。

图2.18（d）所示为考虑信号源内阻时的微变等效电路。可得源电压放大倍数Aus为

又由图可得

将上式代入整理，得

自测习题

1.填空

（1）画交流通路时，将直流电压源_________，将电容_________（短路、开路）。

（2）衡量放大电路性能的主要指标一般有_________、_________、_________。

（3）共射放大电路电压放大倍数是1 000，相当于_________dB；在实际工作中，输入信号为电压源的情况下，电路的输入电阻越_________（大、小）越好，此时电源的利用率越_________（高、低）。电路的输出电阻越_________（大、小）越好，电路的带负载能力越_________（强、弱）。

（4）画出交流通路的方法是将电容_________，直流电压源_________。

（5）共射放大电路由于静态工作点不合适引起的失真现象一般有两种，分别是_________和_________失真；前者是由于Q点设置过_________造成的，后者是Q点设置过_________造成的（高、低）。共射放大电路如果输入信号过大，会引起__________失真。

2.判断

（1）放大电路的空载是指RC=0。（　　）

（2）在做放大电路实验时，测量静态工作点可使用交流毫伏表。（　　）

（3）交流毫伏表测得的数据为交流有效值。（　　）

（4）设置合适静态工作点的目的是让三极管工作在放大区，保证信号不失真。（　　）

（5）共射放大电路中截止失真又称为顶部失真，饱和失真又称为底部失真。（　　）

（6）在共射放大电路中，如果静态工作点设置过高，电路会产生饱和失真。（　　）

（7）在实际工作中调整放大器的静态工作点一般是通过改变基极电阻实现。（　　）

3.选择

（1）在NPN型三极管构成的共射放大电路中，输出负半周波形削波，说明是（　　）。

A. 截止失真，增大RbB. 饱和失真，增大Rb

C. 截止失真，减小Rb

（2）共射极放大器的输入信号加在三极管的（　　）之间。

A. 基极和射极　B. 基极和集电极　C. 射极和集电极

（3）共发射极放大电路输入信号与输出信号相位关系为（　　）。

A. 同相　B. 反相　C. 超前

4.分析

（1）题4（1）图示电路中，已知VCC=12 V，晶体管的β=50，bR=100 kΩ，cR=1 kΩ，忽略UBE。① 画出直流通路；② 估算静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ；③ 若测得输入电压有效值Ui=5 mV时，输出电压有效值Uo=0.6V，则电压放大倍数AU为多少？

（2）在调试题4（2）图所示放大电路的过程中，曾出现过（b）、（c）图所示的两种不正常的输出电压波形。已知输入信号是正弦波，试判断这两种情况下分别是何种失真？产生该种失真的原因是什么？如何消除？

题4（1）图

题4（2）图

（3）基本共发射极放大电路如题4（3）图所示，Rb=400 kΩ，Rc=5.1　kΩ，β=40，UCC=12 V时，三极管为NPN型，忽略UBE。求：（1）画出直流通路；（2）估算静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ；（3）当输出波形为题21图（b）所示时，判断是何失真？产生该种失真的原因是什么？如何消除？

题4（3）图

自测习题答案