共发射极电路图解分析法详解

对输入的交流电压信号进行放大是电压放大器的任务，交流电压信号的特点是：大小和方向均是变化的。利用图解分析法可以很直观地分析电压放大器的工作原理。

图6-9 共发射极电路

图解分析法的步骤是：在晶体管输入特性曲线上，画出输入信号的波形，根据输入信号波形的变化情况，在输出特性曲线相应的地方画出输出信号的波形，并分析输出信号和输入信号在形状、幅度、相位等参量之间的关系，如图6-10a和图6-10b所示。

图6-10a给出了晶体管的输入特性曲线和输入信号的波形，图6-10b为晶体管的输出特性曲线和输出信号的波形。

图6-10 图解分析法

1.静态工作点的确定

由图6-10a的输入特性曲线可见，为了使晶体管在任何时刻都工作在放大区，在输入信号等于0时，晶体管的i_B和u_BE的值不能为零。否则当输入信号处于负半周时，晶体管放大器的u_BE将小于零，晶体管将进入截止的状态，不能对输入的信号进行正常的放大。

输入信号为零时，晶体管所处的状态称为放大器的静态工作点，即图中的Q点，Q点有i_B、i_C、u_BE和u_CE四个值，实际上只要i_B、i_C和u_CE三个就可以确定电路的静态工作点，并用符号I_BQ、I_CQ和U_CEQ来表示电路的静态工作点。

确定静态工作点的方法是：根据电容阻直流、通交流的特点和节点电位法可得放大器静态时输出端的电压为

U_CEQ=U_cc-I_CQR_c （6-8）

在输出特性曲线上，式（6-8）为一条直线，在横轴上，I_CQ=0，U_CEQ=U_cc；在纵轴上，U_CEQ=0，，连接这两点即可得式（6-8）所确定的直线，因该直线的斜率与-1/R_c有关，所以该直线称为直流负载线。

因放大器输出端电流和电压的关系同时要满足晶体管的输出特性曲线和电路的直流负载线，所以，放大器静态工作点应在两曲线的交点上，即在直流负载线上。为了使放大器保持较大的动态范围，通常将静态工作点选在直流负载线的中点，由直流负载线中点所确定的值I_CQ和U_CEQ就是输出电路的静态工作点，再根据

即可确定输入电路的静态工作点I_BQ。

2.输出信号波形分析

静态工作点确定之后，根据叠加定理可得放大器输入端的信号为

u_BE=U_BEQ+u_i （6-10）即在静态工作点电压上叠加输入的交流信号。在放大器不带负载R_L的前提下，放大器放大信号的过程如下：

当输入电压信号处于u_i＞0的正半周时，放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往a点移，放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往c点移，在输出端形成u_o＜0的负半周信号；当输入电压信号处于u_i＜0的负半周时，放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往b点移，放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往d点移，在输出端形成u_o＞0的正半周信号。完成对正、负半周输入信号的放大，如图6-10所示。

由图6-10可见，经放大器放大后的输出信号在幅度上比输入信号增大了，实现了对输入信号放大的任务。但相位却相反了，即输入信号是正半周时，输出信号是负半周；输入信号是负半周时，输出信号是正半周，说明共发射极电压放大器的输出和输入信号的相位差是180°。

由图6-10还可见，电压放大器电路中集电极电阻R_c的作用是：用集电极电流的变化，实现对直流电源U_cc能量转化的控制，达到用输入电压u_i的变化来控制输出电压u_o变化的目的，实现小信号输入、大信号输出的电压放大作用。并由此可得，放大器放大的是变化量，放大电路放大的本质是能量的控制和转换，晶体管在电路中就是起这种控制的作用。

当放大器接有负载R_L时，对交流信号而言，R_L和R_c是并联的关系，并联后的总电阻为

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根据该电阻，在输出特性曲线上也可做一条斜率为-1/R_L′的直线，该直线称为交流负载线，如图6-11所示。

由图6-11可见，在输入信号驱动下，放大器输出端的工作点将沿交流负载线移动，形成交流输出电压。但输出信号的幅度比不带负载时小，利用戴维南定理可以解释这个现象。

3.波形失真的类型

当放大器的工作点选得太低，或太高时，放大器将不能对输入信号实施正常的放大。

（1）截止失真

图6-12所示的状态为工作点太低的情况，由图6-12可见，当工作点太低时，放大器能对输入的正半周信号实施正常的放大，而当输入信号为负半周时，因u_BE=U_BEQ-u_i小于晶体管的开启电压，晶体管将进入截止区，i_b=0，i_c=0，输出电压u_o=u_ce=U_cc将不随输入信号的变化而变化，产生输出波形的失真。

图6-11 交流负载线

这种失真是因为放大器的工作点取得太低，输入负半周信号时，晶体管进入截止区而产生的失真，所以称为截止失真。

（2）饱和失真

图6-13所示的状态为工作点太高的情况，由图6-13可见，当工作点太高时，放大器能对输入的负半周信号实施正常的放大，而当输入信号为正半周时，因u_BE=U_BEQ+u_i太大了，使晶体管进入饱和区，i_c=βi_b的关系将不成立，输出电流将不随输入电流而变化，输出电压也不随输入信号而变化，产生输出波形的失真。

图6-12 截止失真

图6-13 饱和失真

这种失真是因为工作点取得太高，输入正半周信号时，晶体管进入饱和区而产生的失真，所以称为饱和失真。

电压放大器工作时应防止饱和失真和截止失真的现象，当饱和失真或截止失真现象出现时，应消除它，改变工作点的设置就可以消除失真。

在消除失真之前必须从输出信号来判断放大器产生了什么类型的失真，判断的方法是：

对于由NPN管组成的电压放大器，当输出信号的负半周产生失真时，因共发射极电压放大器的输出和输入倒相，说明是输入信号为正半周时电路产生了失真。输入的正半周信号与静态工作点电压相加，将使放大器的工作点进入饱和区，所以这种情况的失真为饱和失真，消除的办法是降低电路的静态工作点。

当输出信号的正半周产生失真时，说明输入信号为负半周时电路产生了失真，输入的负半周信号与静态工作点电压相减，将使放大器的工作点进入截止区，所以这种情况的失真为截止失真，消除的办法是提高电路静态工作点的数值。

注意，上述判断的方法仅适用于由NPN型晶体管组成的放大器，对于由PNP型晶体管组成的放大器，因为电源的极性相反，所以结论刚好与NPN型的相反。

图解法能直观地分析出放大电路的工作过程，清晰地观察到波形失真的情况，且能够估算出波形不失真时输出电压的最大幅度，从而计算出放大器的动态范围U_P-P=2U_om，但作图的过程比较麻烦，也不利于精确计算。该方法通常用于对大信号下工作的放大电路进行分析，对于在小信号下工作的放大器，通常采用微变等效电路分析法来分析。