第2章 放大電路

2.1 基本放大電路

三極管是一種具有放大功能的電子器件，但單獨的三極管是無法放大信號的，只有給三極管提供電壓，讓它導通才具有放大能力。為三極管提供導通所需的電壓，使三極管具有放大能力的簡單放大電路通常稱為基本放大電路，又稱偏置放大電路。常見的基本放大電路有固定偏置放大電路和分壓式偏置放大電路。

2.1.1 固定偏置放大電路

固定偏置放大電路是一種最簡單的放大電路。固定偏置放大電路如圖2-1所示。

圖2-1（a）所示為NPN型三極管構成的固定偏置放大電路，圖2-1（b）所示是由PNP型三極管構成的固定偏置放大電路。它們都由三極管VT和電阻Rb、Rc組成，Rb稱為偏置電阻，Rc稱為負載電阻。接通電源后，有電流流過三極管VT，VT就會導通而具有放大能力。下面來分析圖2-1（a）所示的NPN型三極管構成的固定偏置放大電路。

1.電流關系

接通電源后，從電源VCC正極流出電流，分成兩路：一路電流經電阻Rb流入三極管VT基極，再通過VT內部的發射結從發射極流出；另一路電流經電阻Rc流入VT的集電極，再通過VT內部從發射極流出；兩路電流從VT的發射極流出后匯合成一路電流，再流到電源的負極。

三極管3個極分別有電流流過，其中流經基極的電流稱為電流Ib，流經集電極的電流稱為電流Ic，流經發射極的電流稱為電流Ie。電流Ib、Ic、Ie的關系為

Ib+Ic=Ie

Ic=Ib·β（β為三極管VT的放大倍數）

2.電壓關系

接通電源后，電源為三極管各極提供電壓，電源正極電壓經Rc降壓后為VT提供集電極電壓Uc，經Rb降壓后為VT提供基極電壓Ub，電源負極電壓直接加到VT的發射極，發射極電壓為Ue。電路中Rb阻值較Rc的阻值大很多，所以處于放大狀態的NPN型三極管的3個極的電壓關系為

Uc>Ub>Ue

3.三極管內部兩個PN結的狀態

圖2-1（a）中的三極管VT為NPN型三極管，它內部有兩個PN結，集電極和基極之間有一個PN結，稱為集電結；發射極和基極之間有一個PN結，稱為發射結。因為VT的3個極的電壓關系是Uc>Ub>Ue，所以VT內部兩個PN結的狀態是：發射結正偏（PN結可相當于一個二極管，P極電壓高于N極電壓時稱為PN結正偏），集電結反偏。

綜上所述，三極管處于放大狀態時具有的特點如下。

① Ib+Ic=Ie，Ic=Ib·β。

② Uc>Ub>Ue（NPN型三極管）。

③發射結正偏導通，集電結反偏。

4.靜態工作點的計算

在圖2-1（a）所示電路中，三極管VT的Ib（基極電流）、Ic（集電極電流）和Uce（集電極和發射極之間的電壓，Uce=Uc?Ue）稱為靜態工作點。

三極管VT的靜態工作點計算方法如下：

（三極管處于放大狀態時Ube值為定值，硅管一般取Ube=0.7V，鍺管取Ube=0.3V）

Ic=β·Ib

Uce=Uc?Ue=Uc?0=Uc=VCC?URc=VCC?Ic Rc

舉例：在圖2-1（a）所示電路中，VCC=12V，Rb=300kΩ，Rc=4kΩ，β=50，求放大電路的靜態工作點Ib、Ic、Uce。

靜態工作點計算過程如下：

以上分析的是NPN型三極管固定偏置放大電路，讀者可根據上面的方法來分析圖2-1（b）所示電路中的PNP型三極管固定偏置放大電路。

固定偏置放大電路結構簡單，但當三極管溫度上升引起靜態工作點發生變化時（如環境溫度上升，三極管內的半導體材料導電能力增強，會使電流Ib、Ic增大），電路無法使靜態工作點恢復正常，從而會導致三極管工作不穩定，所以固定偏置放大電路一般用在要求不高的電子設備中。

2.1.2 分壓式偏置放大電路

分壓式偏置放大電路是一種應用最為廣泛的放大電路，這主要是因為它能有效克服固定偏置放大電路無法穩定靜態工作點的缺點。分壓式偏置放大電路如圖2-2所示，該電路為NPN型三極管構成的分壓式偏置放大電路。R1為上偏置電阻，R2為下偏置電阻，R3為負載電阻，R4為發射極電阻。

1.電流關系

接通電源后，電路中有電流I1、I2、Ib、Ic、Ie產生，各電流的流向如圖2-2所示。不難看出，這些電流有以下關系

I2+Ib=I1

Ib+Ic=Ie

Ic=Ib·β

2.電壓關系

接通電源后，電源為三極管各個極提供電壓，+VCC電源經R3降壓后為VT提供集電極電壓Uc，+VCC經R1、R2分壓為VT提供基極電壓Ub，電流Ie在流經R4時，在R4上得到電壓UR4，UR4大小與VT的發射極電壓Ue相等。圖中的三極管VT處于放大狀態，Uc、Ub、Ue 3個電壓滿足以下關系

Uc>Ub>Ue

3.三極管內部兩個PN結的狀態

由于Uc>Ub>Ue，其中Uc>Ub使VT的集電結處于反偏狀態，Ub>Ue使VT的發射結處于正偏狀態。

4.靜態工作點的計算

在電路中，三極管VT的電流Ib遠小于電流I1，基極電壓Ub基本由R1、R2分壓來確定，即

由于Ube=Ub?Ue=0.7V，所以三極管VT的發射極電壓為

Ue=Ub?Ube=Ub?0.7V

三極管VT的集電極電壓為

Uc=VCC?UR3=VCC?Ic R3

舉例：在圖2-2所示電路中，VCC=18V，R1=39kΩ，R2=10kΩ，R3=3kΩ，R4=2kΩ，β=50，求放大電路的Ub、Uc、Ue和靜態工作點Ib、Ic、Uce。

計算過程如下

5.靜態工作點的穩定

與固定偏置放大電路相比，分壓式偏置放大電路最大的優點是具有穩定靜態工作點的功能。分壓式偏置放大電路靜態工作點穩定過程分析如下。

當環境溫度上升時，三極管內部的半導體材料導電性增強，VT的電流Ib、Ic增大→流過R4的電流Ie增大（Ie=Ib+Ic，電流Ib、Ic增大，Ie就增大）→R4兩端的電壓UR4增大（UR4=Ie?R4，R4不變， Ie增大，UR4也就增大）→VT的發射極電壓Ue上升（Ue=UR4）→VT的發射結兩端的電壓Ube下降（Ube=Ub?Ue，Ub基本不變，Ue上升，Ube下降）→Ib減小→Ic也減小（Ic=Ib?β，β不變，Ib減小，Ic也減小）→Ib、Ic減小到正常值，從而穩定了三極管的電流Ib、Ic。

2.1.3 交流放大電路

偏置放大電路具有放大能力，若給偏置放大電路輸入交流信號，它就可以對交流信號進行放大，再輸出幅度大的交流信號。為了使偏置放大電路以較好的效果放大交流信號，并能與其他電路很好連接，通常要給偏置放大電路增加一些耦合、隔離和旁路元件，這樣的電路常稱為交流放大電路。圖2-3所示就是一種典型的交流放大電路。

1.元器件說明

圖中的電阻R1、R2、R3、R4與三極管VT構成分壓式偏置放大電路。C1、C3稱為耦合電容，C1、C3容量較大，對交流信號阻礙很小，交流信號很容易通過C1、C3，C1用來將輸入端的交流信號傳送到VT的基極，C3用來將VT集電極輸出的交流信號傳送給負載RL，C1、C3除了傳送交流信號外，還起隔直作用，所以VT基極直流電壓無法通過C1到輸入端，VT集電極直流電壓無法通過C3到負載RL。C2稱為交流旁路電容，可以提高放大電路的放大能力。

2.直流工作條件

因為三極管只有在滿足了直流工作條件時才具有放大能力，所以分析一個放大電路是否具有放大能力先要分析它能否為三極管提供直流工作條件。

三極管要工作在放大狀態，需滿足的直流工作條件主要有：有完整的電流Ib、Ic、Ie通路；能提供電壓Uc、Ub、Ue；發射結正偏導通，集電結反偏。這3個條件具備了，三極管才具有放大能力。一般情況下，如果三極管電流Ib、Ic、Ie在電路中有完整的通路就可認為它具有放大能力，因此以后在分析三極管的直流工作條件時，一般分析三極管的電流Ib、Ic、Ie通路就可以了。

VT的電流Ib的通路是：電源VCC正極→電阻R1→VT的基極→VT的發射極；

VT的電流Ic的通路是：電源VCC正極→電阻R3→VT的集電極→VT的發射極；

VT的電流Ie的通路是：VT的發射極→R4→地→電源VCC負極。

電流Ib、Ic、Ie通路也可用如下流程圖表示：

從上面的分析可知，三極管VT的電流Ib、Ic、Ie在電路中有完整的通路，所以VT具有放大能力。試想一下，如果R1或R3開路，三極管VT有無放大能力，為什么？

3.交流信號處理過程

滿足了直流工作條件后，三極管具有了放大能力，就可以放大交流信號。圖2-3所示電路中的Ui為小幅度的交流信號，它通過電容C1加到三極管VT的基極。

當交流信號電壓Ui為正半周時，Ui極性為上正下負，電壓經C1送到VT的基極，與基極的直流電壓（VCC經R1提供）疊加，使基極電壓上升，VT的電流Ib增大，電流Ic也增大，流過R3的電流Ic增大，R3上的電壓UR3也增大（UR3=Ic R3，因Ic增大，故UR3增大），VT集電極電壓Uc下降（Uc=VCC?UR3，UR3增大，故Uc下降），該下降的電壓即為放大輸出的信號電壓，但信號電壓被倒相180°，變成負半周信號電壓。

當交流信號Ui為負半周時，Ui極性為上負下正，電壓經C1送到VT的基極，與基極的直流電壓（VCC經R1提供）疊加，使基極電壓下降，VT的電流Ib減小，電流Ic也減小，流過R3的Ic電流減小，R3上的電壓UR3也減小（UR3=Ic R3，因Ic減小，故UR3減小），VT集電極電壓Uc上升（Uc=VCC?UR3， UR3減小，故Uc上升），該上升的電壓即為放大輸出的信號電壓，但信號電壓也被倒相180°，變成正半周信號電壓。

也就是說，當交流信號電壓正、負半周送到三極管基極，經三極管放大后，從集電極輸出放大的信號電壓，但輸出信號電壓與輸入信號電壓相位相反。三極管集電極輸出信號電壓再經耦合電容C3隔直后送給負載RL。

2.1.4 放大電路的3種基本接法

1.放大電路的一些基本概念

為了讓大家更容易理解放大電路，先來介紹一些放大電路的基本概念。

（1）輸入電阻和輸出電阻

一個放大電路通常可以用圖2-4所示的電路來等效，這樣等效的依據是：在放大電路工作時，輸入信號送到放大電路輸入端，對于輸入信號來說，放大電路就相當于一個負載電阻Ri，這個電阻Ri稱為放大電路的輸入電阻；放大電路將輸入信號放大后，會輸出信號到負載RL兩端，因為放大電路有信號輸出，所以對于負載RL來說，放大電路就相當于一個內阻為Ro、電壓為U2的信號源，這里的內阻Ro稱為放大電路的輸出電阻。

圖中的U1為信號源電壓，R1為信號源內阻，RL為負載。圖中間點畫線框內的部分是放大電路的等效圖，U2是放大的信號電壓，Ui為放大電路的輸入電壓，負載RL兩端的電壓Uo為放大電路的輸出電壓，流入放大電路的電流Ii稱為輸入電流，從放大電路流出的電流Io稱為輸出電流，Ri為放大電路的輸入電阻，Ro為放大電路的輸出電阻。

從減輕輸入信號源負擔和提高放大電路的輸出電壓角度考慮，輸入電阻Ri的阻值大一些好，因為在輸入信號源內阻R1不變時，輸入電阻Ri大一方面會使放大電路從信號源吸取的電流Ii小，同時可以在放大電路輸入端得到比較高的電壓Ui，這樣放大電路放大后輸出的電壓很高。如果需要提高放大電路的輸出電流Io，輸入電阻Ri小一些更好，因為輸入電阻小時放大電路輸入電流大，放大后輸出的電流就比較大。

放大電路的輸出電阻Ro的阻值，要求是越小越好，因為輸出電阻小時，在輸出電阻上消耗的電壓和電流都很小，負載RL就可以獲得比較大的功率，也就是說放大電路輸出電阻小，則該放大電路帶負載能力強。

（2）放大倍數和增益

放大電路的放大倍數有以下3種。

①電壓放大倍數。電壓放大倍數是指輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值，用Au表示

②電流放大倍數。電流放大倍數是指輸出電流Io與輸入電流Ii的比值，用Ai表示

③功率放大倍數。功率放大倍數是指輸出功率Po與輸入功率Pi的比值，用AP表示

在實際應用中，為了便于計算和表示，常采用放大倍數的對數來表示放大電路的放大能力，這樣得到的值稱為增益，增益的單位為分貝（d B）。增益越大說明電路的放大能力越強。

電壓增益為

電流增益為

功率增益為

例如，當放大電路的電壓放大倍數分別為100倍和10 000倍時，它的電壓增益分別就是40d B和80d B。

2.放大電路的3種基本接法

根據三極管在電路中的連接方式不同，放大電路有3種基本接法：共發射極接法、共基極接法和共集電極接法。放大電路的3種基本接法如圖2-5所示。

放大電路的3種基本接法電路可從下面幾個方面來分析。

（1）是否具備放大能力

前面已經講過，要判斷三極管電路是否具備放大能力，一般可通過分析電路中三極管的電流Ib、Ic、Ie有無完整的通路來判斷，若有完整的通路就說明該放大電路具有放大能力。圖2-5所示電路中3種基本接法電路的三極管電流Ib、Ic、Ie分析如下。

共發射極接法電路中三極管的電流Ib、Ic、Ie通路：

共基極接法電路中三極管的電流Ib、Ic、Ie通路：

共集電極接法電路中三極管的電流Ib、Ic、Ie通路：

從上面的分析可以看出，3種基本接法電路中的三極管電流Ib、Ic、Ie都有完整的通路，所以它們都具有放大能力。

（2）共用電極形式

一個放大電路應具有輸入和輸出端，為了使輸入、輸出端的交流信號能有各自的回路，要求輸入和輸出端應各有兩極，而三極管只有3個電極，這樣就會出現一個電極被輸入、輸出端共用的情況。

在分析放大電路時，為了掌握放大電路交流信號的處理情況，需要畫出它的交流等效圖，在畫交流等效圖時不考慮直流。畫交流等效圖要掌握以下兩點。

①電源的內阻很小，對于交流信號可視為短路，即對交流信號而言，電源正、負極相當于短路，所以畫交流等效圖時應將電源正、負極用導線連起來。

②電路中的耦合電容和旁路電容容量比較大，對交流信號阻礙很小，也可視為短路，在畫交流等效圖時大容量的電容應用導線取代。

根據上述原則，可按圖2-6所示的方法繪制圖2-5（a）所示共發射極放大電路的交流等效圖。

用同樣的方法可繪制其他兩種基本接法放大電路的交流等效圖。3種基本接法放大電路的交流等效圖如圖2-7所示。

在圖2-7（a）所示電路中，基極是輸入端，集電極是輸出端，發射極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共發射極放大電路。

在圖2-7（b）所示電路中，發射極是輸入端，集電極是輸出端，基極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共基極放大電路。

在圖2-7（c）所示電路中，基極是輸入端，發射極是輸出端，集電極是輸入和輸出回路的共用電極，這種放大電路稱為共集電極放大電路。

（3）3種基本接法放大電路的特點

3種基本接法放大電路的特點見表2-1。

2.1.5 電路實踐：朗讀助記器原理與檢修（一）

朗讀助記器是一種利用聲音反饋來增強記憶的電子產品。在朗讀時，助記器的話筒（又稱傳聲器）將聲音轉換成電信號，然后對電信號進行放大，最后又將電信號經耳機還原成聲音，人耳聽到增強的朗讀聲音可強化朗讀內容的記憶。朗讀助記器電路較為復雜，本書將它分成3個部分說明。

1.電路原理

圖2-8所示是朗讀助記器的第一部分電路原理圖。

電路分析如下。

（1）信號處理過程

在朗讀時，話筒BM將聲音轉換成電信號，這種由聲音轉換成的電信號稱為音頻信號。音頻信號由音量電位器RP1調節大小后，再通過C1送到三極管VT1基極，音頻信號經VT1放大后從集電極輸出，通過C3送到耳機插座X2_out，如果將耳機插入X2插孔，就可以聽到自己的朗讀聲。

（2）直流工作情況

6V直流電壓通過接插件X4送入電路，+6V電壓經R10降壓后分成3路：第1路經R1、插座X1的內部簧片為話筒提供工作電壓，使話筒工作；第2路經R2、R3分壓后為三極管VT1提供基極電壓；第3路經R4為VT1提供集電極電壓。三極管VT1獲得電壓后有電流Ib、Ic、Ie流過，VT1處于放大狀態，可以放大送到基極的信號并從集電極輸出。

（3）元器件說明

BM為內置駐極體式話筒，用于將聲音轉換成音頻信號，BM有正、負極之分，不能接錯極性。X1為外接輸入插座，當外接音源設備（如收音機、MP3等）時，應將音源設備的輸出插頭插入該插座，插座內的簧片斷開，內置話筒BM被切斷，而外部音源設備送來的信號經X1簧片、RP1和C1送到三極管VT1基極進行放大。X3為揚聲器接插件，當使用外接揚聲器時，可將揚聲器的兩根引線與X3連接。X2為外接耳機插座，當插入耳機插頭后，插座內的簧片斷開，揚聲器接插件X3被斷開。

R10、C5構成電源退耦電路，用于濾除電源供電中的波動成分，使電路能得到較穩定的供電電壓。在電路工作時，+6V電源經R10為三極管VT1供電，同時還會對C5充電，在C5上充得上正下負的電壓。在靜態時，VT1無信號輸入，VT1導通程度不變（即Ic保持不變），流過R10的電流I基本穩定，電壓UA保持不變，在VT1有信號輸入時，VT1的電流Ic會發生變化，當輸入信號幅度大時， VT1放大時導通程度深，電流Ic增大，流過R10的電流I也增大，若沒有C5，A點電壓會因電流I的增大而下降（I增大，R10上電壓增大），有了C5后，C5會向R4放電彌補電流Ic增多的部分，無須通過R10的電流I增大，這樣A點電壓變化很小。同樣，如果VT1的輸入信號幅度小，VT1放大時導通淺，電流Ic減小，若沒有C5，電流I也減小，A點電壓會因電流I減小而升高，有了C5后，多余的電流I會對C5充電，這樣電流I不會因Ic減小而減小，A點電壓保持不變。

2. 安裝與調試

圖2-8（b）是安裝好第一部分電路的朗讀助記器。在調試朗讀助記器時，需要用到一個0～12V可調電源供電，該電源的電路及制作見“第8章 電源電路”，萬用表選擇直流電壓擋并接到電源的輸出端，調節調壓電位器，使電源輸出電壓為6V，再將6V電源接到朗讀助記器，并將耳機插入X2-out插孔，如圖2-8（c）所示，然后朝話筒講話，檢查從耳機中能否聽到自己的聲音，同時調節電位器RP1，聽聲音有無變化，由于只有一級放大電路，所以聲音比較小。

2-1：朗讀助記器安裝與調試（一）

3.電路的檢修

下面以“無聲”故障為例來說明朗讀助記器第一部分電路的檢修方法，檢修過程如圖2-9所示。