晶体管低频放大器的基本概念

晶体管低频放大器的基本概念

各种类型低频放大器，主要特点是，工作频率范围宽，放大信号的中心频率从几十赫至几百千赫；这类放大器通常处于低频多级放大器的前几级，故称前置放大器，它的输入信号幅度很小，约几到几十毫伏或甚至更小，所以属于小信号放大器。

1、分类

由于放大器的用途十分广泛，为了适用不同领域要求，其种类甚多，表5.2-1为放大器分类表。

表5.2-1  放大器分类表

2、主要性能参数

在分析放大器性能时，通常把具体放大画成等效方框图，如图5.2-1所示。放大器性能参数示于表5.2-2。

图5.2-1  放大器等效方框图

表5.-2-2  放大器性能参数

3、偏置稳定电路

晶体管放大器的线性放大特性与静态工作点的位置及其稳定性有密切关系，而静态工作点又是由偏置电路决定的，所以稳定偏置电路是放大器的重要方面，当温度等外界因素变化时，严格地讲，几乎所有的晶体管参数都要发生变化，特别是对电流放大系数B、集基极反向饱和电流ICBO及基--射极门限电压UBEO的影响更为显著。这三个参数随着温度的变化称为温度漂移，即分别是B的温度漂移、ICBO的温度漂移和UBEO的温度漂移，详细分析见参考文献（5）。温度漂移最终表现在IC的变化上，因此稳偏置电路应使IC保持不变，稳定的原理常采用负反馈原理和补偿原理。表5.2-3示出常用的几种偏置电路。

4、基本分析方法

晶体管低频小信号放大器是在晶体三极管各电极静态工作电压、电流正确设置的基础上，实现对输入信号的线性放大。因此对放大器分析分为两方面，一是直流分析，就是根据电子器件和电路元件参数，求出放大器的直流电压和电流，即输入端直流电流IBQ（输入直流电压VBEQ通常视为数一硅管为0.7V，锗管约为0.2V）和输出端直流电压UCEQ、直流电流ICQ，这三个量对应输出特性曲线上一个点称为直流（或静态）工作点；另一是交流分析（或称动态分析），即在输入信号作用下求出静态工作点上迭加的各极信号电压和电流，并在此基础上计算放大性能指示。

（1）直流分析 由于晶体管是非线性器件，精确地进行直流分析是比较复杂的。目前工程上多采用图解法和近似估算法，两种方法都建立在确定放大器直流道路的基本上，以下简要的说明近似估算法（图解法略）。

在近似估算时，常把晶体管的UBE近似看成已知的常数，如果已知晶体管的B、ICBO和电路的元件参数，则根据放大器的直流通路和晶体管的直流电流传输方程，可以估算出放大器的静态工作点。图5.2-3示出固定偏置共发放大器的直流通路。

图5.2-3固定偏置共发放大器的直流通路

静态工作点的表示式为

（2）交流分析 放大器建立稳定偏置电路之后，便可进行交流分析，首先根据实际放大电路画出有信号流通的交流通路。晶体三极管在小信号作用下的分析有图解法和微变等效电路两种方法。图解法是利用晶体管输入和输出特性曲线，通过傻羔分析放大器的性能，它能直观、全面地表明三极管放大的工作过程，并能计算放大器的一些指标。但这种方法比较适合大信号分析，当输入信号足够小时会引起较大误差，所以工程上用的最多是微变等效电路分析法。

晶体管三极管小信号等效电路，根据推导方法不同分为两类：一是对晶体管物理结构及放大过程进行模拟而导出的等效电路，其中应用最广泛是混合X型等效电路；二是从四端网络观点导出的等效电路，应用最广泛的是H参数电路。表5.2-4示出共发射极组态晶体三极管的两种等效电路和参数。

以上示出的混合X型等效电路和H参数等效电路是等价的，它们之间可以互相转换。由混合X转换为共射组态H参数等效电路的关系式为：

因混合X模型中，TB'C很大，通常可视为开路则上述转换可简化为

经简化之后可以看出，两种等效电路具有相同形式，不同的仅是压控电流源BMVB'O变换成流控电流源

5、三种组态放大器的等效电路及性能指标计算

以下给出放大器的微变等效电路和性能指标计算，都是在频区进行的。中频区的微变等效电路为纯电阻性有源网络，因而中频电压增益、电流增益及输入电阻、输出电阻均为与频率无关的实数。表5.2-5为三种组态放大器等效电路及性能指标计算公式。

6、频率响应

（1）放大器的幅频特性和相频特性 上述放大器的微变等效电路和性能，都是在中频区进行分析的，当频率降低时，耦合电容的容抗增大，使放大器增益降低，因而在低频区应包含耦合电容的影响；相反，当频率真升高时，器件极间电容的容抗变小，分流作用增大，也使放大器增益降低，因而在高频区应当包含极间电容的影响。所以在宽频率范围内讨论放大器性能时，都变为频率函数，增益表达式写成如下形式

式中增益的幅模A（W）和相角（W）都是频率的函数，它们随频率的变化关系分别为幅频特性和相频特性，统称放大器频率特性或频率响应，表示在图5.2-2。FLF为3DB带宽的下限截止频率，FH为上限截止频率，通频带（或频带宽度，简称带宽）为

（2）三种组态放大器的频率响应

1）共发射极放大电路的低频响应 当忽略偏置电阻RB||RB2和晶体管参数TB'0、TCO的影响后，阻容耦合分压式偏置共发射极放大电路（参阅表5.2-6第一个图）在低频的等效电路如图5.2-4所示。电压增益函数

式中AAM为中频源电压增益。

2）三种组态放大器的高频响应

7、级间信号的传递方式

实际应用中为了得到高增益或是高功率，总是把基本放大电路级联成多级放大器，信号通过各级放大到负载端。前级输出信号通过一定方式传递给下一级称之耦合，信号源与放大级、级与级、放大级与负载之间的互相影响必须通过合理设计耦合方式来解决。耦合方式通常有以下三种。

1）阻容耦合 例如两级阻容耦合放大器，第一级的负载电阻便是第二级的输入电阻，两级之间通过电容和负载电阻连接起来的方式称为阻容耦合。其优点隔断级间的直流通路，各级静态工作点是相互独立、互不影响的，从而给电路设计、调整带来方便，只要信号频率不太低，足够大的耦合电容可使信号顺利通过，因而阻容耦合放大器应用广泛。但是，对缓慢变化信号。要求耦合电容太大以致无法实现，因而必须采用下面一种耦合方式，即直接耦合方式。

2）直接耦合 在信号源与放大电路的输入端、放大级各级间、末级放大与负载间采用导线、电阻、二极管、稳压管等直流电流可以通过的元件来实现信号传输的电路，也能放大交变信号，显然信号能够顺利传递，其关健是各级要设置合适的静态工作点。详细情况将在本章第4节中讨论。

3）变压器耦合 图5.2-5为变压器耦合放大器。变压器作为耦合元件，即通过磁耦合将一次交流信号传递到二次。因为变压器一次、二次直流电路相互独立，所以V1、V2的静态工作点是独立的，此外还可根据需要，适当选择一次与二次的匝数比以实现阻抗变换。

图5.2-5  变压器耦合放大器