第2階段 共射極放大電路的識讀訓練

3.2.1 典型共射極放大電路的識讀分析

1.共射極放大電路的結構及關鍵器件

共射極放大電路是指以發射極（e）為輸入信號和輸出信號的公共接地端的基本放大電路。其電路的基本結構如圖3-4所示。其關鍵器件包括一只晶體管、四只電阻器和兩個電容器。

電路中偏置電阻Rb1和Rb2通過電源給晶體管基極（b）供電；負載電阻Rc是通過電源給晶體管集電極（c）供電；兩個電容都是起到通交流隔直流作用的耦合電容；電阻RL則是承載輸出信號的負載電阻。

NPN型與PNP型晶體管放大器的最大不同之處在于供電電源：采用NPN型晶體管的放大器，供電電源是正電源送入晶體管的集電極（c）；采用PNP型晶體管的放大器，供電電源是負電源送入晶體管的集電極（c）。

輸入信號是加到晶體管基極（b）和發射極（e）之間，而輸出信號又是取自晶體管的集電極（c）和發射極（e）之間，由此可見發射極（e）為輸入信號和輸出信號的公共端，因而稱共發射極（e）晶體管放大器，常用于晶體管電壓放大器電路中。

共射極放大電路輸入與輸出信號的相位關系，如圖3-5所示。對交流信號而言，電阻阻抗很小可視為短路。

2.共射極放大電路的基本功能

由共射極放大電路構成的共射極晶體管放大器常作為電壓放大器來使用，在各種電子設備中廣泛使用。它的最大特色是具有較高的電壓增益。由于輸出阻抗比較高，因此這種電壓放大器的帶負載能力比較低，不能直接驅動揚聲器等低阻抗的負載。

圖3-6為晶體管電壓放大器（共射極結構形式），結構特點是發射極（e）接地，基極（b）輸入信號放大后由集電極（c）輸出與輸入信號反相的信號。在每個電極處都有電阻為相應的電極提供偏壓。其中，+VCC是電壓源；電阻R1和R2構成一個分壓電路，通過分壓給基極（b）提供一個穩定的偏壓；電阻R3是集電極電阻，交流輸出信號經電容C3從負載電阻上取得；電阻R4是發射極（e）上的負反饋電阻，用于穩定放大器工作，該電阻值越大，整個放大器的放大倍數越小；電容C1是輸入耦合電容；電容C3是輸出耦合電容；與電阻R4并聯的電容C2是去耦合電容，相當于將發射極（e）交流短路，使交流信號無負反饋作用，從而獲得較大的交流放大倍數。

設置偏壓電阻，改變放大器中的偏壓值，使晶體管工作在放大區，進行線性放大。線性放大就是成正比放大，信號不失真放大。如果偏壓失常，則晶體三極管就不能進行線性放大或不能工作，如圖3-7所示。

3.共射極放大電路中的直流和交流通路

對一個放大電路進行分析主要要做兩方面的工作。一方面是確定靜態工作點，即求出當沒有輸入信號時，電路中晶體管各極的電流和電壓值，它們是IB、IC、UBE和UCE。如果這些值不在正常范圍，放大器便不能進行正常放大。另一方面是計算放大器對交流信號的放大能力及其他交流參數進行動態分析，以確定放大電路的電壓放大倍數Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro等。

從共射極放大單元電路結構圖可知，該電路在工作時，既有直流分量又有交流分量。為了便于分析，一般將直流分量和交流分量分開研究，因此將放大電路劃分為直流通路和交流通路。所謂直流通路，是指放大電路未加輸入信號時，放大電路在直流電源EC的作用下，直流分量所流過的路徑。

①直流通路。由于電容對于直流電壓可視為開路，因此當集電極電壓源確定為直流電壓時，可將電壓放大器中的電容省去，如圖3-8所示。

②交流通路。在交流分析中，由于交流供電電壓源的內阻很小，對于信號來說相當于短路，所以VCC端的交流電壓為0V，稱為交流接地。交流接地與實際的接地端可視為同一點，發射極（e）通過電容C2交流接地，如圖3-9所示。

4.共射極放大電路的工作原理

信號經共射極放大單元電路后輸出反相放大的信號，其工作原理如圖3-7（a）所示。進行分析時，可以將輸入信號的變化曲線認為是輸入端電流的變化曲線。在1/4周期時，電流呈增大狀態，那么根據晶體管的放大功能IC=βIB，可知IC電流也是增大的趨勢，所以根據歐姆定律URC=ICRC，IC↑，則URC↑，那么由負載RL上的輸出電壓URL=VCC-URC可得，IC↑，URC↑，VCC不變，URL↓，即輸出如圖3-10（a）所示曲線。依次類推，其他周期，如圖3-10（b）、（c）、（d）所示，由此可見，輸出電壓與輸入電壓相位相反。

專家提醒

多級負反饋放大電路和直接耦合放大電路都屬于共發射極放大電路，下面對這兩種放大電路分別進行識讀分析。

5.多級負反饋放大電路

（1）多級放大器

多級放大器就是將兩個及兩個以上的基本晶體管放大器經過連接組成的放大電路。一般可分為電容耦合多級放大器和直接耦合多級放大器兩種。構成多級放大器的關鍵器件多是兩個或兩個以上的晶體管放大器及一些相關的元件，如電阻器、電容器等。

①電容耦合多級放大器。圖3-12為兩個共射極（e）晶體管放大器連接而成的電容耦合二級放大器，它可以獲得較高的放大倍數。前級共射極（e）晶體管放大器的輸出通過電容C2耦合到后級共射極（e）晶體管放大器的輸入端。電容的耦合作用是通交流隔直流，使用電容耦合，就可以防止某級放大器的直流偏壓影響下一級的直流偏壓，但是交流信號卻能夠直接通過耦合電容，送入下一級放大器。

②直接耦合多級放大器。圖3-13為兩個共射極（e）晶體管放大器連接而成的直接耦合二級放大器。在電路中沒有耦合電容，前級共射極（e）晶體管放大器輸出的直流電壓，直接作為后級共射極（e）晶體管放大器的輸入電壓。

與電容耦合多級放大器相比，直接耦合多級放大器擁有較好的低頻響應。但是當電源供電發生很小的變化時，也會被電路放大，從而造成電路明顯的偏移。兩極放大器的工作點互相影響。

（2）負反饋放大電路

所謂反饋，就是將放大電路的輸出量（電流或電壓）的一部分通過一定方式送回到放大器的輸入端。反饋是改善放大電路性能的重要手段。例如，它可以改變頻率特性和電路的穩定性，減小電路的失真。

前面介紹放大器電路工作原理時，信號都是從放大器輸入端傳輸到輸出端的，而反饋電路要將放大器輸出端的一部分輸出信號再加到放大器的輸入端，讓放大器重新放大反饋回來的信號，如圖3-14所示。電路中的負反饋元件是組成負反饋放大電路關鍵器件。

反饋電路存在于放大器電路中，離開了放大器，就不存在反饋電路。反饋電路與單級放大器電路的不同之處，是要從放大器輸出端取出一部分輸出信號再加到放大器的輸入端，讓這一部分信號與原輸入信號合成后，再送入放大器中，這時放大器就存在了反饋。

如果引入的反饋信號減弱了外加輸入信號，也就是反饋到輸入端的反饋信號的極性與輸入信號的極性相反，從而引起放大器的放大倍數的減小，這種反饋稱為負反饋。反之就是正反饋。放大器加入負反饋系統，會使增益下降，但放大器的穩定性或頻率特性會有很大的改善，也就是用犧牲掉放大器的增益方式來獲得其他性能的改善。

判別放大器是否屬于負反饋放大器，首先要找出負反饋元件。一般來說，任何連接輸入回路與輸出回路之間的元器件，都是反饋元件。然后區分放大器中的反饋元件是正反饋元件還是負反饋元件。區分正負反饋，通常采用瞬時極性法，即先假設信號源在某一瞬時的極性為正，然后根據電路各點的相位與信號源相位的關系，看反饋到輸入端的反饋信號的極性。若與信號源假設的極性相反，則為負反饋，相同則為正反饋。

正反饋雖然能提高放大器的放大倍數，但會使放大器的穩定性變壞，甚至產生自激振蕩，因此在放大電路中較少采用，通常應用在振蕩電路中。

反饋電路的工作過程如圖3-15所示。

①單級負反饋放大器。

●并聯負反饋放大器。圖3-16為常見并聯負反饋放大器。其中，電阻R為電壓負反饋元件，它的左端直接與輸入端相連，右端直接與輸出端相連。

首先假設某瞬時輸入信號為正極（+），由于共射極晶體管放大器輸出的電壓極性與輸入的相反，為負極（-），通過反饋元件R，將負極性的反饋信號加到基極（b），與信號源假設極性相反，使電壓減小，所以反饋元件R為負反饋。然后，將放大器的輸出端對地交流短接，通過電容C2，晶體管集電極就會交流接地，此時就沒有信號通過負反饋元件R反饋到晶體管基極上，電路就不存在負反饋信號了，所以這是電壓負反饋電路。

●串聯負反饋放大器。圖3-17為常見串聯負反饋放大器。其中，電阻R為電流負反饋元件，因為它既屬于輸入回路，又屬于輸出回路，將輸入與輸出回路聯系起來了。

首先假設某瞬時輸入信號為正極（+），由于發射極（e）的電壓極性與基極（b）相同，也為正極（+），提高了晶體管發射極的電位。因為晶體管發射結電壓等于輸入電壓，即Ube=U-Uf，通過反饋元件R，削弱輸入信號Ube的電壓，所以反饋元件R為負反饋。負反饋電阻R是用于穩定放大器，該電阻值越大，整個放大器的放大倍數越小。與負反饋電阻R并聯電容C是去耦合電容，相當于將發射極（e）的交流短路，使交流信號無負反饋作用，從而獲得較大的交流放大倍數。

②多級負反饋放大器。圖3-18為常見的多級負反饋放大器，電阻R為兩級放大器之間的反饋元件，假設某瞬時輸入信號為正極（+），晶體管VT1和VT2各極電壓極性如圖所示。由于晶體管VT2的集電極輸出的信號極性為正極（+），經反饋元件R反饋到晶體管VT1的發射極上的信號極性也為正極（+），提高了晶體管VT1發射極的電位，從而削弱了凈輸入信號Ube，故為負反饋。

●多級負反饋放大器的直流/交流反饋的判斷。根據反饋信號的交直流性質，可以分為直流反饋和交流反饋。如果反饋信號中只包含直流成分，則稱為直流反饋；若反饋信號中只有交流成分，則稱為交流反饋。在很多情況下，交、直流兩種反饋都有。

圖3-19為實用多級負反饋放大器。在圖3-19（a）中，設晶體管VT2發射極的旁路電容C2足夠大，可認為電容兩端的交流信號基本為零，則從晶體管VT2的發射極通過電阻R引回到晶體管VT1基極的反饋信號中將只有直流成分，因此電路中引入的是直流反饋。在圖3-19（b）中，從輸出端通過電容C和電阻R將反饋引回到晶體管VT1的發射極，由于電容的隔直作用，反饋信號中將只有交流成分，所以這個反饋是交流反饋。

直流負反饋的作用是穩定靜態工作點，對放大器的各項動態性能，如放大倍數、通頻帶、輸入及輸出電阻等沒有影響。各種不同類型的交流負反饋將對放大電路的各項動態性能產生不同的影響，是用于改善電路交流性能的主要手段。

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●多級負反饋放大器的電流/電壓反饋的判斷。根據反饋信號在放大器輸出端采樣方式的不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。如果反饋信號取自輸出電壓，稱為電壓反饋；如果反饋信號取自輸出電流，則稱為電流反饋。

在圖3-19（a）中，如果去掉旁路電容C2，則反饋信號與輸出回路的電流成正比，因此是電流反饋。在圖3-19（b）中，反饋信號與輸出電壓成正比，屬于電壓反饋。

放大器中引入電流負反饋，將使輸出電流保持穩定，其結果是提高了輸出電阻；引入電壓負反饋，將使輸出電壓保持穩定，其結果是降低了電路的輸出電阻。

為了判斷放大電路中引入的反饋是電壓反饋還是電流反饋，一般可假設將輸出端交流短路，即令輸出電壓等于零，觀察此時是否仍有反饋信號，如果反饋信號不復存在，則為電壓反饋；否則為電流反饋。

●多級負反饋放大器的串聯/并聯反饋的判斷。根據反饋信號與輸入信號在放大電路輸入回路中求和形式的不同，可以分為串聯反饋和并聯反饋。

如果反饋信號與輸入信號在輸入回路中以電壓形式求和，即反饋信號與輸入信號串聯，則稱為串聯反饋；如果二者以電流形式求和，即反饋信號與輸入信號并聯，則稱為并聯反饋。

在圖3-19（b）中，晶體管VT1的基極和發射極之間的凈輸入電壓Ube等于外加輸入電壓與反饋電壓之差，即Ube=U-Uf，說明反饋信號與輸入信號以電壓形式求和，因此屬于串聯反饋。在圖3-19（a）中，假設去掉旁路電容C，晶體管VT1的基極電流等于輸入電流與反饋電流之差，即Ib=Ii-If，也就是說，反饋信號與輸入信號以電流形式求和，所以是并聯反饋。

6.直接耦合放大電路

直接耦合放大電路也稱為直流放大電路，它不僅可用來放大交流信號，而且還可放大直流信號或緩慢變化（即頻率很低）信號。也就是說，直流放大電路必須具有下限工作頻率趨近于零的良好低頻特性。

直接耦合放大電路中的關鍵器件仍為晶體管放大器用直接耦合方式代替了電容耦合。

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（1）單管直流耦合放大器

所謂單管直流耦合電路是指放大電路中只有一只晶體管，它與共射基本放大電路相比，僅少了兩個耦合電容C1和C2。由于沒有C1、C2的隔直流作用，因而信號源和負載均對直流工作狀態產生影響。圖3-20為單管直流耦合電路。其中的關鍵器件為一只晶體管和提供偏壓的電阻器。

電路中的偏置電阻（Rb）通過電源給晶體管基極供電；負載電阻（Rc）通過電源給晶體管集電極供電；電阻（RS）對信號源來說是限流電阻，為晶體管提供適當的輸入電流；電阻（RL）則是放大器輸出信號的負載電阻。晶體管（VT）的功能是放大基極的輸入信號。

（2）兩級直流耦合放大電路

兩級直流耦合放大電路如圖3-21所示。它比單管直接耦合電路多了一只晶體管。由圖可見，VT1的集電極電壓（UC1）等于VT2管的基極電壓（Ub2），由于VT2發射極壓降UBEQ2很小（硅管為0.7V，鍺管為0.3V），使VT1的集電極電位也很低，難以正常工作；另外，VT2管的靜態基極電流也會過大，使VT2管也不能工作在放大區。這就是說，兩個基本共射放大電路直流耦合是不能正常放大的。

為了能使兩級直流耦合電路能正常放大工作，必須抬高VT2的基極電位。圖3-22所示為抬高VT2基極電位的實用電路。其中，圖3-22（a）是在VT2的發射極接一電阻Re2，這種方法雖然抬高了基極電位使VT1和VT2都能正常放大工作，但第二級電壓放大倍數嚴重下降。

為了既能抬高基極電位，又能使VT2的放大倍數不致下降太多，將Re2改換成一穩壓管DZ，如圖3-22（b）所示。圖中電阻R是確保穩壓管工作在穩壓區的限流電阻。

由圖3-21和圖3-22可知，直流耦合放大電路中各級的工作點不獨立、互相影響，且存在零點漂移現象。

放大器的基本功能是穩定放大輸入的信號。當無輸入信號時或輸入信號為零（輸入端接地）時，輸出應保持一定的電壓值或零值不變。但由于環境溫度或供電電壓的變化使放大器的輸出出現波動或變化，這種現象稱為零點漂移。

其實，由于溫度變化、電源電壓的波動和晶體管老化等原因，晶體管參數發生變化是客觀存在的，因此引起各級放大電路的零點漂移是必然的。只不過在阻容耦合電路中（放大器之間由電容器連接而不是直接連接的耦合電路），由于耦合電容的作用將這種漂移限定在本級范圍內，不會影響下一級，更不會逐級放大。但在直流耦合放大電路中，第一級的微小變化（漂移）就會影響下一級甚至還會被逐級放大，在輸出端產生嚴重的漂移，如圖3-23所示。

圖3-23為濕度檢測電路，濕度傳感器的阻抗變化會引起輸出電壓變化，經放大后變成電壓的變化量。

放大電路的零點漂移通常以輸出端的漂移電壓折合到輸入端的漂移量來衡量，即把輸出端的零點漂移電壓與放大電路的電壓放大倍數的比值作為該放大電路的零點漂移電壓指標。其值越小，電路質量越好。

零點漂移對輸出產生影響主要是第一級，因此抑制或減小放大電路的零點漂移就是要抑制或減小第一級的零點漂移。通常抑制零點漂移的措施有以下幾個方面：

①選用穩定性好的高質量硅晶體管；

②采用單級或級間負反饋電路，有利于減小零點漂移；

③利用反向變化的熱敏元件去補償放大管因溫度影響引起的零點漂移；

④采用差動放大電路能有效地抑制零點漂移，是直流放大電路的主要形式。

（3）多級直流耦合放大電路

在由多級放大電路組成的直流耦合放大電路中，如果每級都使用NPN型三極管，則為了使各級都有合適的工作點，后級的基極、集電極電位需要逐級升高，以致減小了末級輸出電壓的變化范圍。為了解決這個問題，在實際應用中，可采用NPN和PNP管配合使用，以降低后級的直流電位，如圖3-24所示。圖3-24（a）為NPN管（VT1）和PNP管（VT2）配合使用，以降低后級（VT3）的電位。此外，也可以利用射極輸出器、穩壓二極管等降低后級放大電路的直流電位。圖3-24（b）為使用射極輸出器（VT2）以降低后級（VT3）的電位。

耦合放大電路除了直流耦合放大電路外，還有阻容耦合放大電路和變壓器耦合放大電路的形式。

①阻容耦合多級放大電路。圖3-25為一個兩級阻容耦合放大電路。從圖中可以看出，在兩個單級放大器之間，交流信號是通過耦合電容C2從第一級向第二級傳送的。第一級的“負載”就是第二級的“輸入電阻”。交流信號經第一級放大后，由耦合電容C2送入第二級，信號電壓就落在了第二級的輸入電阻兩端，這就是阻容耦合的含義。

阻容耦合方式有兩個突出的優點：一是耦合電容有隔直作用，所以各級放大器的工作點彼此獨立，給電路的設計和維修帶來了很大的方便；二是在信號頻率已知的條件下，適當選取容量較大的耦合電容，可以減小信號在電容上的損耗，以提高傳輸效率。

阻容耦合方式的缺點：不能放大頻率很低的信號。因為對頻率很低的信號，耦合電容的容抗很大，信號的傳輸效率太低。

阻容耦合方式多用于各種頻率的小信號放大電路。

②變壓器耦合多級放大電路。圖3-26為一個兩級變壓器耦合中頻放大電路。第一級和第二級之間通過變壓器互相連接。

變壓器耦合有兩個優點：一是因為變壓器只能耦合交流信號（即只能變交流不能變直流），所以前后兩級的靜態工作點也是彼此獨立的；二是變壓器有阻抗變換作用，利用變壓器耦合，前后兩級之間可以獲得最佳阻抗匹配，以使前級放大器能夠向后級放大器輸出最大的功率。

變壓器耦合方式的缺點：一是不能放大頻率很低的信號；二是變壓器的體積和質量都較大，不適于小型化和集成化。

變壓器耦合方式廣泛應用于低頻功率放大器、中頻放大器和高頻放大器。

3.2.2 共射極放大電路的應用與識讀案例訓練

1.兩級共射極放大器組成的寬頻帶實用放大器

圖3-27是采用兩級共射極放大器組成的寬頻帶實用放大器。輸入、輸出和極間耦合均采用電容方式，C4、C8為發射極去耦電容，用于消除交流負反饋，增強交流信號放大的能力，接在-15V電源中的電感（10μH）和R6、C3、R11、C7、C2等均為濾波器，用以濾除電源中的波紋。

帶“”號的電容為高頻補償電容。調整該電容可使帶內頻率特性達到±1dB。

圖3-28為三種基本偏置電路（固定偏置電路、自偏置電路和分壓偏置電路）的結構。

2.直接耦合放大電路

圖3-29是玩具車電動機驅動電路的電路圖。

該電極驅動電路是一種光控雙向旋轉的電動機驅動電路。光敏晶體管接在VT1的基極電路中，有光照時光敏晶體管有電流，則VT1導通；無光照則VT1截止。有光照時，VT1導通，VT2截止，VT3導通，VT4導通，VT5導通，則有電流I1出現，于是電動機正轉；無光照時，VT1截止，VT6導通，VT7導通，VT8導通，則有電流I2出現，電動機反轉。

3.差動放大電路

由于零點漂移與輸入信號同屬信號變化緩慢的“直流”量，如果漂移的大小接近或者超過了輸入信號，那么輸入信號將被零點漂移所淹沒。因此，減小零點漂移就成為制作高質量直流放大器的一個重要目標。差動放大電路是一種能有效抑制零漂的直流放大電路，又稱差分放大電路。常用在多級放大電路的前置級，也是運算放大器中的基本電路。

圖3-30為差動放大器的基本電路結構。

由圖可見，它實際上是由兩個對稱的單管共射放大電路組成的。其中，VT1和VT2是兩只特性相同的三極管，Rb11和Rb21是偏置電阻，Rb12和Rb22是基極限流電阻，而Rc1和Rc2是集電極負載電阻。通常為了滿足對稱的要求，必須使Rb11=Rb21，Rb12=Rb22，Rc1=Rc2。Ui是輸入信號電壓，經Rb1和Rb2分壓為ui1和ui2，分別加到兩晶體管的基極（稱為雙端輸入）；Uo是輸出電壓，為兩管輸出電壓之差，即Uo=Uo1-Uo2（稱為雙端輸出）。