放大电路分析

1.共发射极放大电路的分析

三极管放大电路的分析包括直流（静态）分析和交流（动态）分析，其分析方法有图解法和微变等效分析法。图解法主要用于大信号放大器分析，微变等效分析法用于低频小信号放大器的动态分析。

当放大器在大信号条件下工作时，难以用电路分析的方法对放大器进行分析，通常采用图解法分析。

（1）直流通路和交流通路。

如前所示，三极管的各极电压和电流中都是直流分量与交流分量共存的，因此，三极管放大电路中的电流通路也分为直流通路和交流通路。

当ui=0时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路。通过直流通路为放大电路提供直流偏置，建立合适的静态工作点。画直流通路时应令交流信号源为零（交流电压源短路，交流电流源开路），保留其内阻；相关电容器开路，电感短路。

当ui≠0时，放大电路处于动态工作状态，交流电流流经的通路称为放大器的交流通路。画交流通路时，令直流电源为零（直流电压源短路，直流电流源开路），保留其内阻；令电抗很小的大容量电容和小电感短路；令电抗很大的小容量电容和大电感开路；保留电抗不可忽略的电容或电感。

（2）静态分析。

对于图2-2-2（a）所示的共发射极放大电路，三极管T的各极间的电压和各极电流都是交流量与直流量的叠加。在ui=0时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析称为静态分析。

图2-2-2　共射级基本放大电路

由于三极管是非线性组件，所以可用作图的方法求得Q点的值。其步骤如下：

①给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。根据图2-2-2（b），由基尔霍夫电压定律得

则

UCC=IBRb+UBE

图2-2-3　图解法分析静态工作点

②由直流通路得到直流负载线IC=f（UCE），并在晶体管的输出特性上作出这条直线。根据图2-2-2（b），由基尔霍夫电压定律得

则

UCE=UCC-ICRc

由图2-2-3（b）可以看出，IB的大小不同，Q点在直流负载线上的位置也不同，也就是说基极电流IB决定了静态工作点Q的位置，故IB称为偏置电流。而IB的改变是通过Rb实现的，故Rb称为偏置电阻。当Rb增大时，IB减小，静态工作点下移，如图2-2-3（b）中的Q1。当Rb减小时，IB增大，静态工作点上移，如图2-2-3（b）中的Q2。通常在Rb支路中串入一可调电阻，以便调节静态工作点至合适的位置。

2.动态分析

在ui≠0的情况下对放大电路进行分析，称为放大电路的动态分析。

（1）交流通路及交流负载线。

只考虑交流信号通过放大电路时的等效电路称为放大电路交流通路。画放大器的交流通路时，令直流电源为零，令耦合电容C1和C2、交流旁路电容和滤波电容（如果有）交流短路。图2-2-2（a）所示的放大电路的交流通路如图2-2-4所示。从图中可以看出，输入交流信号ui和三极管的发射结电压的交流分量ube相等，三极管集射级电压的交流分量uce和输出电压uo相等，即ui=ube，uo=uce，该放大电路输出回路的瞬时电流为

图2-2-4　共射级基本放大电路交流通路

输出回路的瞬时电压为

uCE=UCE+uce

于是有

式中R′L=Rc∥RL。上式表明集电极电流的瞬时值iC与集射极回路瞬时电压uCE以及R′L之间的关系。利用式（2-2-3）表示的交流负载线方程，可以在三极管输出特性坐标系中画出输出回路的交流负载线。具体做法如下：

图2-2-5　共射放大电路的交流、直流负载线

（2）由输入电压ui求得基极电流ib。

设ui=Uimsinωt，当它加到图2-2-6（a）的放大电路时，三极管发射结电压是在直流电压UBE的基础上叠加了一个交流量ube。根据放大电路的交流通路可知ube=ui=Uimsinωt，此时发射结的电压uBE的波形如图2-2-6（a）所示。由uBE的波形和三极管的输入特性可以作出基极电流iB的波形，如图2-2-6（a）所示。输入电压ui的变化将产生基极电流的交流分量ib，由于输入电压ui幅度很小，其动态变化范围小，在Q1～Q2段可以看成是线性的，基极电流的交流分量ib也是按正弦规律变化的，即ib=Ibmsinωt。

图2-2-6　图解法分析共射级放大器的工作波形

（3）由ib求得ic和uce（uo）。

当三极管工作在放大区时，集电极电流ic=βib，基极电流的交流分量ib在直流分量IB基础上按正弦规律变化时，集电极电流的交流分量ic也是在直流分量IC的基础上按正弦规律变化。由于集射极电流的交流分量为uce=-icR′L，uce也会在直流分量UCE的基础上按正弦规律变化。很显然动态工作点将在交流负载线上的Q1和Q2之间移动，根据动态工作点移动的轨迹可画出ic和uce的波形，如图2-2-6（b）所示。由图中可以看到集电极电流和集射极电压的交流分量为

ic=Icmsinωt

uce=uo-icR′L=-Ucemsinωt=-Uomsinωt

（4）非线性失真。

若放大电路的输出电压波形和输入波形形状不同，则放大电路产生了失真。如果放大电路的静态工作点设置得不合适（偏低或偏高），出现了在正弦输入信号ui作用下，静态三极管进入截止区或饱和区，使得输出电压不是正弦波的情况，则这种失真称为非线性失真。它包括饱和失真和截止失真两种。

①饱和失真。

当放大器输入信号幅度足够大时，若静态工作点Q偏高到Q1处，ib不失真，但ic和uce（uo）失真，ic的正半周削顶，而uce（uo）的负半周削顶，如图2-2-7中波形（1）所示，这种失真为饱和失真。为了消除饱和失真，对于图2-2-2（a）所示共发射极放大电路，应该增大电阻Rb，使IB减小，从而使静态工作点下移至放大区域中心。

图2-2-7　静态工作点对波形的影响

②截止失真。

当放大器输入信号幅度足够大时，若静态工作点Q偏低到Q2处，ib、ic和uce（uo）都失真，ib、ic的负半周削顶，而uce（uo）的正半周削顶，如图2-2-7中波形（2）所示，这种失真为截止失真。为了消除截止失真，对于图2-2-2（a）所示共发射极放大电路，应该减小电阻Rb，使IB增大，从而使静态工作点上移到放大区域中心。

③双向失真。

当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。

（5）输出电压不失真的最大幅度。

通常所指放大器的动态范围是指不失真时输出电压uo的峰峰值Uo（p-p）。由图2-2-7可知，当静态工作点合适时，若忽略晶体管的ICEO，那么为使输出不产生截止失真，应满足Ucem1≤ICR′L；而为了使输出不产生饱和失真，应满足Ucem2≤UCE-UCES。由于三极管饱和电压UCES很小，故可以忽略其影响，有Ucem2≤UCE，则输出电压不失真最大幅度的取值为Uom（max）=min｛Ucem1，Ucem2｝。